新型HTPB基定型相变材料在PBX炸药中的作用机制研究

Paraffin is a commonly used high effective desensitizer for the polymer bonded explosive (PBX) charge of the missile weapons warhead. However, due to the poor compatibility between the paraffin and polymer binder, it is easy to migrate in the warhead charge system. The defect of oil leakage severely reduces its desensitization, which in turn adversely affects the mechanical properties, safety performance, explosion performance and storage performance of the warhead charge. In response to this problem, this project innovatively grafts functionalized paraffin alkane to the hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) molecular side chain to obtain HTPB-based form-stabled phase change materials. Through the study on the basic structure and properties of the obtained form-stabled phase change material and its function mechanism in PBXs, clarify the relationship between structure and properties of the HTPB-based form-stabled phase change materials, as well as the mechanism of desensitization and anti-migration in PBXs, solve the oil leakage problem of the HTPB-based PBXs which contain paraffin desensitizer, also provide a new strategy for solving the migration problem of other small molecule additives in the propellant/warhead charge.

石蜡是导弹武器战斗部聚合物粘结炸药（PBX）装药的常用高效钝感剂，但是由于石蜡与聚合物粘结剂之间的相容性差，导致其在战斗部装药中易产生迁移渗油的缺陷，严重降低了其钝感作用，进而对战斗部装药的力学性能、安全性能、爆炸性能、储存性能产生了不利影响。针对这一问题，本项目创新性的从分子层面出发，将官能化石蜡烷烃通过共价键接枝到端羟基聚丁二烯（HTPB）分子侧链，获得HTPB基定型相变材料，通过HTPB基定型相变材料自身结构和性能的研究及其在PBX炸药中的作用机制研究，阐明HTPB基定型相变材料结构与性能的关系以及在PBX炸药中的降感和抗迁移机理，解决含石蜡钝感剂HTPB基PBX的渗油问题的同时也为解决其它小分子助剂在推进剂/战斗部装药中的迁移问题提供新策略。

石蜡对炸药等含能材料的降感效果优异，但其与常用HTPB粘合剂间的物理相容性差，易从HTPB基PBX中迁移、结晶析出，极大地影响了降感效果，进而造成药柱的安全性能降低。本项目采用巯基-烯点击化学成键的方式，将官能化石蜡长链烷烃链键接到HTPB侧链获得HTPB基定型相变材料，使其既具有优异的降感功能又抑制其在PBX中的迁移渗油现象。系统研究了不同碳原子数巯基官能化长链烷烃的相变行为，优选出了作为相变单元的巯基官能化长链烷烃，采用“一锅法”合成了一系列的HTPB基相变材料HTPB-g-CnT。采用FT-IR、GPC、DSC、流变仪等对HTPB-g-CnT的基本性质、结构与性能进行了表征，结果表明，HTPB-g-CnT大分子，其分子量在5000g/mol~ 16000g/mol间可调，分子量分布1.09~1.26，其熔点、熔融焓分别可达65.3℃和200.9J/g，与目前PBX产品配方中广泛使用的石蜡钝感剂相当。采用FT-IR、DSC、XRD、SEM、表界面张力仪、渗油试验、单向拉伸试验等对HTPB-g-CnT固化网络的结构与性能进行了表征，结果表明，网络后既具有一定的力学性能，同时仍保持优异的相变功能，其强度（2.92MPa）和模量（3.052MPa）分别为HTPB胶片的4.7倍和15.2倍，其熔点、熔融焓分别可达62.7℃和191.7J/g，其渗油率可降至0.0011%。采用高级扩展流变仪、感度仪、渗油试验、单向拉伸试验等对HTPB-g-CnT在浇注PBX中的应用性能进行了研究，结果表明，含HTPB-g-C32T的PBX药浆具有良好的工艺性能，相对于某含石蜡钝感剂的PBX型号产品对照配方，HTPB-g-CnT-PBX的撞击感度由20%降至0%，摩擦感度降低75%，渗油率降低80%以上，达到0.0017%，力学性能与对照配方相当。跌落试验中异物穿刺下的有限元模拟表明，穿刺杆的撞击速度越高，杆上最高温度增加速率越大，药柱的最高温度反而降低，当杆以40m/s撞击时，杆上温度能达到170℃，药柱上的温度达到730℃，不同时刻HTPB-g-CnT-PBX药柱内最高温度单元均靠近初始穿刺位置。突破了石蜡类钝感剂在HTPB基浇注PBX中的迁移渗油问题，为高安全性PBX炸药及战斗部装药的研制提供了技术支撑。