含能材料降感包覆技术研究进展

含能材料降感包覆技术研究进展

杜芳珺，魏峥嵘

陆军装备部驻西安地区军事代表局  陕西西安  710000

【摘要】含能材料在民用和军事方面有广泛应用，但其在运输、存储和使用中存在安全隐患。晶体类含能材料经结晶或粉碎后，通常需要进行表面包覆以降低感度和增加塑性，提高使用时的安全性和保证产品的完整性。本文总结了目前含能材料降感的研究进展，分析了机械混合法、水悬浮法、静电喷雾法、微胶囊化法、碳纳米材料降感技术的发展，并探讨了不同技术的降感机制。最后对降感技术的发展前景进行了展望，认为微流控技术基于其微型化、连续化、动态可控的优势，在毛细玻璃管微流控芯片中制备连续、均匀的液滴，实现对含能材料的均匀包覆，降低感度是下一步的重要研究方向。

【关键词】含能材料，降感，包覆，安全性

一、引言

随着含能材料在民用以及军事方面的应用增加，提升含能材料在运输、存储以及使用过程中的安全性变得非常重要。含能材料一直面临高能量与安全性的矛盾。高冲击波感和机械感度限制了许多高能炸药的应用。感度已经成为衡量含能材料性能的重要指标。根据“热点”理论，含能材料在外界刺激下会产生热点，进而引发爆轰[1,2]。因此，减少热点的产生或抑制热点的传播可以降低含能材料的感度。为了降低热点产生的概率，通常会采取一些方法，如取消炸药晶体缺陷、提高炸药晶体质量，以及采用钝感剂来包覆炸药晶体。

目前常用的表面包覆方法包括机械混合法、水悬浮法、静电喷雾法和微胶囊化法、碳纳米材料降感技术等。

二、含能材料降感包覆技术

（一）机械混合法

机械混合法是一种将两种不发生化学反应且不具有粘性的两种极细的粉末晶体，通过机械力将一种比较细的粉末晶体均匀的黏附在另一种比较粗的极细粉末晶体表面的方法。这种方法的在常温常压下就可以完成，处理时间比较短，操作过程简单，并且可以进行连续批量化生产，但是其包覆不均匀，并且在操作过程中容易破坏粉末的晶型，机械混合法适合应用在微米级粉体的包覆方面。

Eslami 等人[3]使用机械混合法来对高氯酸铵(AP)进行包覆，并通过实验证明硝化纤维素可以有效地包覆高氯酸铵微粒。实验中将 0.03g 硝化纤维素作为涂层剂溶解在25mL 的乙基甲基酮中。然后，将溶液加入到包含 1g AP 粉末的容器中。在用机械搅拌器以 60r/min 的搅拌速度下进行短暂混合，然后在搅拌混合物中加35mL 的正己烷，继续搅拌 55min。对包覆后得到的样品进行热分析测试，结果表明，包覆涂层后的 AP 颗粒的热稳定性高于纯 AP 颗粒，提高了其安全性。

（二）水悬浮法

水悬浮法是含能材料表面包覆的常用方法。这种方法是在水中均匀分散含能材料，然后用不溶于水的有机溶剂溶解包覆材料，之后将溶解了包覆材料的有机溶液加入水悬浮液中，最终获得水、含能材料有机溶剂和包覆材料的混合悬浮液。之后将混合悬浮液中的包覆材料析出，使包覆材料包覆在含能材料的表面[4]。

李小东等人[5]利用水悬浮法对含能材料进行了表面包覆， 实验中的降感包覆材料为 Estane 和 FOX-7，并对样品的机械感度进行测试分析，结果表明 CL­20/FOX-­7基炸药颗粒包覆效果较好，且含能材料的安全性能提高了 48.5%以上。

叶宝云等人[6]也利用水悬浮法对含能材料(CL-20)进行了降感处理，包覆剂为硝化棉(NC)和聚叠氮缩水甘油醚(GAP)， 采用的水悬浮法包覆设备如图 1 所示。 其中，a 表示 GAP 的 DCA(1， 2-二氯乙烷) 溶液、 b 表示炸药-水悬浮溶液、 c 表示水浴锅、d 表示搅拌器、 e 表示压力表、 f 表示冷凝管、 g 表示 DCA 溶液出口。硝化棉和聚叠氮缩水甘油醚包覆在 CL-20 表面起到了延缓 CL-20 热分解的作用。与原料 CL-20 和细化 CL-20 相比， CL-20/NC/GAP 复合粒子的稳定性得到了一定程度的改善。

图1 水悬浮法制备 CL-20 /NC/GAP 的实验装置示意图
Fig. 1 Experimental diagram of CL-20 /NC/GAP prepared by aqueous suspension method

张帆等人[7]采用水悬浮法对 HMX 进行表面包覆，包覆材料为 TEX。研究了包覆材料与含能材料比例对得到的最终样品感度的影响。实验结果表明， TEX 可以很好的包覆在 HMX 表面，且最终得到的表面包覆 TEX 的 HMX 比 HMX 的感度降低了 50%左右。

王晶禹等人[8]采用水悬浮法对含能材料(CL-20)进行表面包覆，以 Estane5703 和硬脂酸钙（ CaSt2)作为包覆材料。通过实验表明，水悬浮法可以实现硬脂酸钙和Estane5703 对 CL-20 的表面包覆， 并且通过实验证明此方法可以显著提高 CL-20 的安全性。

因为水悬浮法的包覆过程在水中进行，所以这种包覆方法的成本较低且操作过程的安全性比较高。

（三）静电喷雾法

静电喷雾法是通过静电将液态的包覆材料雾化。液态的包覆材料在静电力的作用下变成雾状，之后雾状包覆材料中的溶剂挥发，最终包覆材料的溶质包覆在含能材料表面。这种方法可以通过调节雾化速率和喷嘴与含能材料距离等参数来优化包覆效果。静电喷雾法可以制备出粒径均匀且整体圆润的含能材料。

Wang 等人[9]利用静电喷雾方法，将 Al 和 CuO 的纳米颗粒作为包覆材料，制备了复合型含能材料， 实验流程如图 2 所示， 这种方法大大提高了含能材料的安全性。

图 2 静电喷雾法的原理
Fig.2 Principle of electrostatic spray method

张冬冬等人[10]采用静电喷雾技术，利用氟橡胶(F2604)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和三硝基甲苯(TNT)作为包覆材料， 实现对黑索(RDX)的包覆。 之后对得到的样品进行分析，发现制备所得F2604/RDX、 PVB/RDX 和 TNT/RDX 复合颗粒的尺寸明显变小，并且 F2604/RDX 和 PVB/RDX 复合颗粒为整体较为圆润，且尺寸均一度较高。TNT/RDX 复合颗粒为形状不规则。包覆完成的样品与原料 RDX 相比，感度均有所降低，其中，PVB/RDX 复合颗粒的安全性最高。静电喷雾操作简单快捷、成本低、效率高，能够用于对含能材料的包覆降感。

（四）微胶囊化

微胶囊化法是在含能材料颗粒表面覆盖一层均匀的且有厚度的钝感材料的表面包覆方法。 常制备的微胶囊颗粒的尺寸为 2-1000μm， 感材料的厚度为 0.2-10μm。微胶囊可以改变含能材料的外观形态但是不改变其性质，同时还可以控制含能材料的使用条件。

Jia等人[11]将微胶囊技术应用于含能材料的包覆降感。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为壳，HMX为核材料，制备球形微胶囊，原理如图3所示。电镜结果表明，PMMA/HMX 微胶囊整体呈球形，且颗粒尺寸均一度较高。

图 3 微胶囊化原理图
Fig. 3 Schematic diagram of microencapsulati

Chen等人[12]利用微胶囊化法对硝胺含能晶体RDX、HMX和CL-20实现包覆降感,采用的包覆材料为聚多巴胺(PDA)，制备过程如图4所示。并且通过一系列测试对其包覆效果进行了表征，这种方法降低了含能材料的感度，提高了安全性。

图 4微胶囊化制备过程
Fig. 4 Preparation process of microencapsulation

（五）碳纳米材料降感技术

早在黑火药时期，炭黑（碳材料）就以功能助剂的身份参与了含能材料的组成，众多研究显示碳材料的加入可以有效改善含能材料体系的性能，增加含能材料的安全性，并且调节含能材料体系的燃烧和爆轰性能［13］。而碳纳米材料更因其特殊的纳米尺寸具有很多区别于传统碳材料的特殊性能，比如较大的比表面积、优良的化学稳定性以及几乎不与含能材料体系中的其他物质发生化学反应的化学惰性，因此，碳纳米材料在含能材料领域得到了更广泛的应用［14-16］。碳纳米材料不仅能直接用于含能材料改性，催化含能材料的分解和燃烧，提高体系的能量释放，改善含能材料的感度和机械力学特性；还能与含能材料复合制备出全新的碳纳米基复合材料，可以被用于含能材料降感、热解、点火、燃烧，以及火箭推进剂的催化和性能改进等领域。

何冠松［17］则探究了含量低于1% 的石墨烯纳米片（GNPs）对 PBXs 的降感效果，GNPs 含量为 0.05%-0.15% 时，PBXs 的导热系数仅略有提高；含量为 0.5%-1.0% 时，GNPs 之间的相互作用形成更有效的导热渗透网络，如图 5 所示，PBXs的导热率显著提升，撞击感度和摩擦感度明显下降。

图 5 PBXs 的 微 观 结 构 示 意 图 ：（a） PBX-0.05；（b）PBX-0.15；（c）PBX-0.5；（d）PBX-1；（e）PBX

Fig. 5 Microstructure diagram of PBXs：（a）PBX‐0.05，（b）PBX‐0.15，（c）PBX‐0.5，（d）PBX‐1，（e）PBX

三、结论与展望

综上所述，国内外科研人员对含能晶体危化品的降感方法进行了大量研究，并取得了丰硕的研究成果。使用低感度材料对含能晶体表面包覆，可以起到分离和缓冲作用，有效减少晶体间相互挤压碰撞，从而降低含能晶体危化品的感度。

但目前常用的包覆方法也存在成品粒径不均匀、包覆不连续等缺点。

上世纪90年代提出的微流控技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米的芯片上实现，因此又被称为芯片上的实验室[18]。目前微流控芯片常用的基体材料包括聚合物、玻璃、纸、陶瓷等。对应不同种类的微流控芯片基体材料，各国研究者也提出了多种微流控芯片的制备方法，其中最常见的包括软光刻技术、激光烧蚀技术和 3D 打印技术等。微流控技术可以制备粒径均匀的液滴，因此在微流控芯片中对含能材料进行表面包覆成为了一个重要的研究方向。

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