丙基硝基胍改性二硝基苯甲醚的成型性及力学性

Zhang Mengmeng, Luo Yiming， Huo Huan, et al. Molding and mechanical properties of DNAN modified by N-Propyl-N′-nitroguanidine[J]. Science Technology and Engineering, 2020， 20(29)： -

随着军事技术的发展，具有超高速、超远程、智能化战斗机和舰船等新型昂贵作战平台不断列装部队，同时敌方先进武器的打击手段和方式不断增强，如何提高遭受打击或意外事件中弹药的低易损性成为各国争相研究的热点内容[1]。2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)机械、热感度低，具有较低的冲击波感度，其安全性能优于TNT炸药，以其为载体制备得到的部分熔铸炸药满足了低易损弹药的要求[1-4]。

基于DNAN基熔铸炸药的优良低易损性能，中外研究者开展了广泛的研究。美国研究了DNAN/N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)为基的低成本钝感炸药并获得了PAX系列炸药，其中PAX-28配方已经通过低易损考核[5-7]。另外，美国对含DNAN、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)炸药进行研究得到了IMX-101炸药并已在大口径榴弹炮中使用[8]。澳大利亚亦开展了DNAN/MNA基熔铸炸药的研究，形成了ARX-4027炸药配方[9]。国内多家单位针对DNAN基炸药也开展了一系列研究，研制的RBUL-2高威力熔铸炸药已经应用于某型号产品中[10]。随着研究的不断深入，研究人员发现在大尺寸装药结构中DNAN基熔铸炸药易出现裂纹等缺陷，分析认为DNAN相比2,4,6-三硝基甲苯(TNT)，结晶潜热小，凝固时放热量小，且力学性能呈现出硬而脆的特点，导致在大尺寸装药时易出现缺陷[11-13]。

对DNAN载体进行力学性能改性是克服以上缺陷的重要手段。一种常见的方法是向DNAN中添加TNT[14]、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)[15]等形成低共熔物或添加N-甲基-4-硝基苯胺(MNA)[5-7,9]等成核剂，通过该方法改善DNAN与添加物之间的作用力或使DNAN形成细小结晶进而提高其力学性能。TNT、DNTF的安全性低于DNAN，且MNA为非含能物质，其加入虽然使DNAN的力学性能得到了改善，但却以牺牲DNAN安全性或爆轰性能为代价。另一种改善DNAN力学性能的方法是向DNAN中引入醋酸丁酸纤维素等聚合物材料，但同时引入了室温下为液体的增塑剂等[16]，药柱在长期存储中存在渗油的风险。

丙基硝基胍(PrNQ)是一种新型熔铸载体炸药，熔点为99 ℃，其特性落高、理论爆速性能优于DNAN，美国已经开展了PrNQ基熔铸炸药在侵彻战斗部的应用研究[17]。PrNQ分子内含有氨基和硝基，推测其可与DNAN形成分子间氢键而达到互熔效果。形成的PrNQ/DNAN共熔体系在实现安全性和爆轰性能不下降、不渗油的同时改善DNAN力学性能。PrNQ的加入为DNAN力学性能改性提供参考价值。

1 实验

1.1 材料和仪器

丙基硝基胍，纯度为99.9%，西安近代化学研究所合成;2,4-二硝基苯甲醚，纯度98%，湖北东方化工厂生产。

TGA/DSC3+差示量热仪,美国梅特勒托利多公司；相变材料凝固缺陷研究系统，丹东华日理学电气股份公司；BM-59XCC显微镜，上海光学仪器六厂；K2800显微镜热台，广州市明美光电技术有限公司;FEI QUANTA600FEG型环境扫描电镜，美国FEI公司；AG-IC100KN 力学性能试验机，日本岛津公司。

1.2 样品制备

称取200 g试样投入到油浴熔药锅内，控制温度不超过110 ℃搅拌至物料全部熔化，将料浆注入事先预热至60 ℃的φ20 mm、φ40 mm铜开合模具中，自然冷却室温直至凝固完毕，打开模具获得试样药柱，用车床截断获取φ20 mm×20 mm规格试样，收集车削药粉。

1.3 测试方法

在TGA-DSC量热仪中，将总量为20 mg的DNAN与PrNQ按比例称量混合，以升温速率10 ℃/min、氮气流速速度50 mL/min、温度范围25～150 ℃经两次测试，取第二次测试数据绘制曲线并解析熔化峰温。

结晶过程分析采用显微镜热台，在100 ℃条件下加热熔化待测样品，然后自然冷却至结晶析出，通过显微镜照相机采集样品凝固过程视频、照片。

抗拉强度按照Q/AY 91—1990劈裂法进行试验，抗压强度按GJB 772A—1997方法416.1 进行试验,试样规格为φ20 mm×20 mm。

2 分析与讨论

2.1 DNAN与PrNQ互熔性

将 DNAN与PrNQ粉末按照一定质量比混合均匀，用差示扫描量热法(DSC)在10 ℃/min条件下测试混合物量热变化，绘制量热-温度曲线，结果如图1所示。根据测试所得熔化峰温数值，绘制DNAN与PrNQ混合物相图，如图2所示。

图1 DNAN/PrNQ混合物熔点Fig.1 Melting points of the mixtures

图2 PrNQ与DNAN相图Fig.2 Phase diagram of PrNQ and DNAN

由以上PrNQ/DNAN互熔物DSC曲线及相图可知，DNAN与混合物质量比在0.6～0.8时，混合物互熔良好且仅有唯一熔化峰温75 ℃，该温度满足熔铸炸药对熔点的要求，另外较低的熔化温度可减少炸药制备过程的能耗。由于PrNQ密度仅为1.3 g/cm3，为获得高密度混合炸药配方，选择PrNQ与DNAN质量比为20∶80形成的低共熔物开展改性DNAN的性能研究。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0326/456.html