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 |
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