 
		
 
					兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 3596-3607.doi: 10.12382/bgxb.2023.0786
收稿日期:2023-08-23
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2024-02-05
									
			通讯作者:
					
        
               		WANG  Hong, WANG  Tianxiang, YIN  Yanhua*( )
)
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2023-08-23
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2024-02-05
									
			摘要:
为优化高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)制备工艺并深入理解其性能,探寻适用于研究PBX炸药固化动力学的最佳方法,分别采用非等温差示扫描量热(Differential Scanning Calorimetry,DSC)法、流变学等温法及流变学非等温法对HTPB/TDI/Na2SO4/Al体系的固化反应动力学进行深入研究,得到在这3种测试条件下的固化反应动力学方程。同时,针对目前广泛使用的流变学非等温法进行合理优化。实验结果表明: HTPB与TDI间的固化反应遵循自催化模型;使用Kissinger法和Ozawa法获得的固化反应活化能相近,二者相差不超过3%;PBX代料体系的恒温固化表现为起始温度423.29K,峰值温度440.23K,终止温度444.49K;流变学研究固化动力学过程中,需考虑温度对储能模量的影响,不能仅用测量值表征固化度,需要对数据进行修正;DSC法与流变学法各有优劣,若仅需获得固化动力学参数,DSC法是一个更好的选择,但欲了解固化过程中药浆内部结构变化,必须借助流变学法。
中图分类号:
王泓, 王天翔, 尹艳华. DSC法与流变学法在测定HTPB基PBX代料固化动力学参数中的应用对比[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3596-3607.
WANG Hong, WANG Tianxiang, YIN Yanhua. Comparison of the Applications of DSC and Rheology Methods in Determining the Curing Kinetics Parameters of HTPB-Based PBX Simulants[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(10): 3596-3607.
| 材料 | 无水硫酸钠 | 金属+黏结剂(3∶1) | TDI | 
| 质量比例/% | 23 | 76 | 1 | 
表1 固化反应配方(质量分数)
Table 1 Curing reaction formulations (mass fraction)
| 材料 | 无水硫酸钠 | 金属+黏结剂(3∶1) | TDI | 
| 质量比例/% | 23 | 76 | 1 | 
| 药品 | 规格与 性质 | 生产厂家 | 
|---|---|---|
| HTPB | Ⅲ型 | 天元军融化工有限公司 | 
| 铝粉 | 工业级 | 鞍钢实业微细铝粉有限公司 | 
| 无水硫酸钠(Na2SO4) | 工业级 | 四川同庆南风责任有限公司 | 
| TDI | 化学纯 | 太仓沪试试剂有限公司 | 
表2 试剂规格
Table 2 Reagent specification
| 药品 | 规格与 性质 | 生产厂家 | 
|---|---|---|
| HTPB | Ⅲ型 | 天元军融化工有限公司 | 
| 铝粉 | 工业级 | 鞍钢实业微细铝粉有限公司 | 
| 无水硫酸钠(Na2SO4) | 工业级 | 四川同庆南风责任有限公司 | 
| TDI | 化学纯 | 太仓沪试试剂有限公司 | 
| 设备名称 | 生产厂家 | 
|---|---|
| 电子天平 | 上海卓精电子科技有限公司 | 
| HAAKE RS300旋转流变仪 | 赛默飞世尔科技公司 | 
| DSC-60差示扫描量热仪 | 岛津企业管理(中国)有限公司 | 
表3 主要测试设备
Table 3 Major test equipment
| 设备名称 | 生产厂家 | 
|---|---|
| 电子天平 | 上海卓精电子科技有限公司 | 
| HAAKE RS300旋转流变仪 | 赛默飞世尔科技公司 | 
| DSC-60差示扫描量热仪 | 岛津企业管理(中国)有限公司 | 
| 测试方法 | 药品 质量/mg | 升温速率/ (℃·min-1) | 温度 范围/℃ | 平板 直径/mm | 板间隙/ mm | 测试 频率/rad | 测试条件 | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DSC法 | 6 | 3,5,7,9 | 30~300 | 铝制坩埚,氮气氛围 | |||
| 流变学等温法 | 60,70,80,90 | 25 | 1.5 | 20 | |||
| 流变学非等温法 | 3,5,7,9 | 30~300 | 25 | 1.5 | 
表4 测试参数设置
Table 4 Test parameter setting
| 测试方法 | 药品 质量/mg | 升温速率/ (℃·min-1) | 温度 范围/℃ | 平板 直径/mm | 板间隙/ mm | 测试 频率/rad | 测试条件 | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DSC法 | 6 | 3,5,7,9 | 30~300 | 铝制坩埚,氮气氛围 | |||
| 流变学等温法 | 60,70,80,90 | 25 | 1.5 | 20 | |||
| 流变学非等温法 | 3,5,7,9 | 30~300 | 25 | 1.5 | 
| β/ (K·min-1) | Ti/ K | Tp/ K | Tf/ K | ΔHt/ mJ | ΔHt 平均值/mJ | 
|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 430.9 | 447.6 | 463.1 | 69.13 | |
| 5 | 434.7 | 456.8 | 469.2 | 64.07 | 70.11 | 
| 7 | 441.7 | 462.2 | 478.6 | 77.29 | |
| 9 | 445.0 | 465.6 | 495.7 | 69.93 | 
表5 DSC非等温动力学特征参数
Table 5 Characteristic parameters of DSC non-isothermal dynamics
| β/ (K·min-1) | Ti/ K | Tp/ K | Tf/ K | ΔHt/ mJ | ΔHt 平均值/mJ | 
|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 430.9 | 447.6 | 463.1 | 69.13 | |
| 5 | 434.7 | 456.8 | 469.2 | 64.07 | 70.11 | 
| 7 | 441.7 | 462.2 | 478.6 | 77.29 | |
| 9 | 445.0 | 465.6 | 495.7 | 69.93 | 
| 特征参数 | 线性方程 | 拟合度 | 
|---|---|---|
| Tf | Tf=5.36β+444.49 | 0.9485 | 
| Tp | Tp=2.97β+440.23 | 0.9537 | 
| Ti | Ti=2.47β+423.29 | 0.9803 | 
表6 固化线性拟合情况表
Table 6 Linear fit for curing
| 特征参数 | 线性方程 | 拟合度 | 
|---|---|---|
| Tf | Tf=5.36β+444.49 | 0.9485 | 
| Tp | Tp=2.97β+440.23 | 0.9537 | 
| Ti | Ti=2.47β+423.29 | 0.9803 | 
| 求解方法 | ΔE/(kJ·mol-1) | n | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| Kissinger法 | 96.86 | 0.9268 | 0.9948 | 
| Ozawa法 | 99.31 | 0.9503 | 0.9954 | 
表7 不同方法求解动力学参数对比统计表
Table 7 Comparison statistics of different methods for solving kinetic parameters
| 求解方法 | ΔE/(kJ·mol-1) | n | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| Kissinger法 | 96.86 | 0.9268 | 0.9948 | 
| Ozawa法 | 99.31 | 0.9503 | 0.9954 | 
| 升温速率/ (K·min-1) | 斜率k | 截距b | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| 3 | 0.06421 | 20.39 | 0.9929 | 
| 5 | 0.1926 | 19.93 | 0.9937 | 
| 7 | 0.08475 | 19.47 | 0.9576 | 
| 9 | 0.03312 | 20.87 | 0.9961 | 
表8 自催化模型线性关系统计表
Table 8 Statistical table of linear relationships for autocatalytic models
| 升温速率/ (K·min-1) | 斜率k | 截距b | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| 3 | 0.06421 | 20.39 | 0.9929 | 
| 5 | 0.1926 | 19.93 | 0.9937 | 
| 7 | 0.08475 | 19.47 | 0.9576 | 
| 9 | 0.03312 | 20.87 | 0.9961 | 
| 温度/℃ | G'0 | G'∞ | 
|---|---|---|
| 60 | 2558.790 | 3127870.000 | 
| 90 | 6282.860 | 3127870.000 | 
表9 不同时刻储能模量数值
Table 9 Values of energy storage modulus at different moments Pa
| 温度/℃ | G'0 | G'∞ | 
|---|---|---|
| 60 | 2558.790 | 3127870.000 | 
| 90 | 6282.860 | 3127870.000 | 
| α | E/(kJ·mol-1) | α | E/(kJ·mol-1) | 
|---|---|---|---|
| 0.01 | 86.31 | 0.4 | 87.39 | 
| 0.02 | 102.12 | 0.5 | 86.14 | 
| 0.05 | 116.37 | 0.6 | 84.97 | 
| 0.1 | 119.69 | 0.7 | 87.88 | 
| 0.2 | 93.06 | 0.8 | 90.46 | 
| 0.3 | 89.00 | 0.9 | 92.10 | 
表10 等温过程不同固化度表观活化能
Table 10 Apparent activation energy of isothermal process at different curing degrees
| α | E/(kJ·mol-1) | α | E/(kJ·mol-1) | 
|---|---|---|---|
| 0.01 | 86.31 | 0.4 | 87.39 | 
| 0.02 | 102.12 | 0.5 | 86.14 | 
| 0.05 | 116.37 | 0.6 | 84.97 | 
| 0.1 | 119.69 | 0.7 | 87.88 | 
| 0.2 | 93.06 | 0.8 | 90.46 | 
| 0.3 | 89.00 | 0.9 | 92.10 | 
| 动力学 参数 | 温度/℃ | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 60 | 70 | 80 | 90 | 平均值 | |
| m | 0.312 | 0.261 | 0.281 | 0.273 | 0.282 | 
| n | 2.39 | 2.37 | 2.22 | 2.45 | 2.36 | 
| ln A | 20.7 | 20.7 | 20.6 | 20.6 | 20.7 | 
表11 等温条件动力学参数
Table 11 Kinetic parameters for isothermal conditions
| 动力学 参数 | 温度/℃ | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 60 | 70 | 80 | 90 | 平均值 | |
| m | 0.312 | 0.261 | 0.281 | 0.273 | 0.282 | 
| n | 2.39 | 2.37 | 2.22 | 2.45 | 2.36 | 
| ln A | 20.7 | 20.7 | 20.6 | 20.6 | 20.7 | 
| k | A | 直线方程 | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| -0.0584 | 12.183 | y=-0.0584T+12.183 | 0.9006 | 
表12 直线方程参数统计表
Table 12 Statistics of the parameters of linear equation
| k | A | 直线方程 | 拟合度 | 
|---|---|---|---|
| -0.0584 | 12.183 | y=-0.0584T+12.183 | 0.9006 | 
| 方法 | lnA | m | n | 
|---|---|---|---|
| DSC法 | 20.1599 | 0.3761 | 0.09937 | 
| 流变学法 | 17.2026 | 0.2542 | 0.05291 | 
表13 不同测试方法动力学参数比较统计
Table 13 Comparison statistics of kinetic parameters of different testing methods
| 方法 | lnA | m | n | 
|---|---|---|---|
| DSC法 | 20.1599 | 0.3761 | 0.09937 | 
| 流变学法 | 17.2026 | 0.2542 | 0.05291 | 
| [1] | 欧育湘. 炸药学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2014. | 
|  | |
| [2] | 邓海, 李刚, 郭洪卫,  等. 不敏感弹药技术的发展现状与趋势[J]. 兵器装备工程学报, 2022, 43(2): 137-144. | 
|  | |
| [3] | 李媛媛, 高立龙. 国外浇注高聚物粘结炸药在大中口径炮弹中的应用[J]. 飞航导弹, 2016(2): 80-83. | 
|  | |
| [4] |  | 
| [5] | 肖有才, 洪志雄, 蒋海燕,  等. PBX模拟炸药的动态力学行为及损伤本构研究[J]. 火炸药学报, 2022, 45(3): 339-347.  doi: 10.14077/j.issn.1007-7812.202201002 | 
|  | |
| [6] |  | 
| [7] |  | 
| [8] | 吴凯, 刘玉存, 刘仕瑞. PBX炸药概述及其发展与前景[J]. 山西化工, 2012, 32(2): 36-39. | 
|  | |
| [9] | 庞爱民. 固体火箭推进剂理论与工程[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2014. | 
|  | |
| [10] |  | 
| [11] | 唐汉祥. 推进剂流变学概论[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2021. | 
|  | |
| [12] | 吴兴宇, 崔庆忠, 徐军. HTPB/TDI粘结体系的固化反应动力学[J]. 含能材料, 2016, 24(11): 1097-1101. | 
|  | |
| [13] | 张明明, 易茂光, 冉靖,  等. HTPB基浇注PBX炸药固化反应动力学研究[J]. 兵工自动化, 2021, 40(4): 93-96. | 
|  | |
| [14] |  | 
| [15] | 李伟, 杨秋秋, 王健,  等. 聚三唑推进剂固化交联的流变学研究[J]. 固体火箭技术, 2021, 44(2): 264-268. | 
|  | |
| [16] | 任鑫, 靳鹏, 李杰,  等. PBT/N100黏合剂体系固化流变性能[J]. 宇航材料工艺, 2022, 52(1): 58-64. | 
|  | |
| [17] | 陈春燕, 王晓峰, 南海. 多官能团聚叠氮缩水甘油醚基浇注聚合物粘结炸药的固化反应动力学和固化工艺参数[J]. 兵工学报, 2021, 42(9): 1888-1894.  doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.09.009 | 
| doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.09.009 | |
| [18] | 卢鑫浩, 叶宝云, 程王健,  等. B-GAP基推进剂药浆流变特性和固化动力学研究[J]. 含能材料, 2022, 30(11): 1083-1089. | 
|  | |
| [19] |  | 
| [20] |  | 
| [21] | 吴兴宇. HTPB基粘结体系固化反应动力学研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016. | 
|  | |
| [22] | 张伟, 樊学忠, 陈永铎,  等. NEPE推进剂固化交联的流变学研究[J]. 高等学校化学学报, 2009(6): 1230-1234. | 
|  | |
| [23] | 何伟. GAP改性球形药固化动力学研究[D]. 太原: 中北大学, 2017. | 
|  | 
| [1] | 陈春燕, 王晓峰, 南海. 多官能团聚叠氮缩水甘油醚基浇注聚合物粘结炸药的固化反应动力学和固化工艺参数[J]. 兵工学报, 2021, 42(9): 1888-1894. | 
| 阅读次数 | ||||||
| 全文 |  | |||||
| 摘要 |  | |||||
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4
 京公网安备11010802024360号    京ICP备05059581号-4