氧化石墨烯静电自组装包覆单质炸药及其对热固型PBX增强和降感的研究

It is of great significance to desensitize explosives and improve the mechanical properties of them for developing low vulnerability and insensitive ammunitions.So far, the most feasible desensitizing and strengthening approaches for hybrid explosives are encapsulation with desensitizing materials and with bonding agents, respectively. However, these two approaches could not work together because both of them should occupy the surface of explosive crystals. In this work, graphene oxide (GO), a new two-dimentional nano-material with many attractive properties, will be encapsulated on explosive crystals with chemical bond by an electrostatic self-assembly method. Owing to its high aspect ratio and multi functional groups,GO could not only fully encapsulate the explosive crystals and desensitize them, but also participate in the curing reaction of binders and enhance the interfacial adhesion in polymer-bonded explosives (PBX).In this way, GO could not only play a desensitizing role, but also work as a bonding agent, which could solve the conflict between desensitizing agent and bonding agent on the explosive crystal surface. What's more, the coupling force between graphene oxide and explosive crystals could be much higher by the self-assembly method than by conventional physical encapsulation method, which will better retain the well-coated status to the PBX products after compounding.So this work could not only construct a research system from explosive interfacial structure design to PBX property control, but also develop new mechanisms and new approaches for safety and mechanical-property improvement of explosives, which will provide guidance for further development of low vulnerability and insensitive ammunitions.

炸药的感度降低和力学增强对低易损性安全弹药的发展具有重要意义。目前包覆降感和键合剂改性分别是混合炸药降感和力学改性最切实可行的手段，但是由于降感材料和键合剂往往不是同一类物质却均需包覆于单质炸药表面，包覆降感和表面键合难以协同共用。本项目拟通过静电自组装的方法，将氧化石墨烯键合包覆到单质炸药表面。利用氧化石墨烯的超高比表面积和多官能团特性，达到良好包覆降感效果的同时，又能参与PBX粘结剂的固化反应起到界面增强的作用，将炸药的包覆降感和表面键合统一起来，较好地解决前述的矛盾。而静电自组装的新方法可以解决一般包覆法中包覆物容易在炸药高剪切混合过程中脱落导致的包覆效果降低的问题。因此，本项目可以建立从炸药表界面微观结构设计到PBX制品性能控制的一整套研究系统，也可以为炸药的力学改性和降感研究提供新的方法和机理，为低易损性安全弹药的发展提供必要的理论基础和技术支撑，具有重要的研究价值和应用前景。

静电自组装技术主要是利用静电吸附作用，使溶液中表面带有不同电性的粒子相互吸附形成复合粒子的技术。由于氧化石墨烯（GO）在水中带负电荷且呈高比表面积的片层结构，因而可以通过静电自组装技术用GO包覆其他粒子。本项目的研究目的是利用静电自组装手段，将GO键合包覆到单质炸药表面，以达到对单质炸药进行有效降感，并对PBX进行力学改性的目的。研究内容主要包括两个方面，一是研究GO静电自组装包覆单质炸药的方法和影响因素，以及其对单质炸药性能（尤其是感度）的影响；二是通过对比研究不同碳纳米材料对PBX力、热等性能的影响，评价GO包覆单质炸药这一技术手段在PBX中应用的优劣。在静电自组装技术研究方面，本项目通过对单质炸药表面氨基改性剂种类和改性条件的调控、GO片层大小及氧化程度的调控、以及静电自组装过程的PH等关键控制条件调控，有效地将GO包覆到HMX、CL-20等单质炸药表面。利用光学显微镜、扫描电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、接触角等表征技术手段，确认了GO在单质炸药表面的成功包覆、静电自组装的包覆机理、以及不同包覆条件对包覆状态的影响。基于摩擦感度、撞击感度和静电火花感度测试，证实了GO包覆单质炸药显著的降感效果，并基于结构性能研究探讨了降感机理，证明了基于静电自组装引起的键合包覆的方式，利用GO的超高比表面积和多官能团特性，不但可以大幅提高GO包覆度，而且可以显著降低包覆材料含量。同时，也研究了GO包覆对HMX热性能（尤其是相转变温度）的影响。在PBX改性方面，对比了不同碳纳米材料，并研究了超声辅助分散、不同加工剪切条件、填料化学改性（主要是氧化/酸化）等因素对其填充改性高分子粘结剂及PBX力学、导热等性能以及流变行为的影响，论证了GO包覆单质炸药可以同时有效改善浇注PBX的加工流变学和力学性能。本项目将对低易损性安全炸药的开发提供理论基础和应用技术支撑。