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2024年6月18日发(作者:)

浇铸无烟CMDB推进剂流变性能 71 

文章编号:1006—9941(201 2)01-0071—05 

浇铸无烟CMDB推进剂流变性能 

蔚红建,樊学忠,付小龙,滕学峰,孟玲玲,张 伟,谢五喜 

(西安近代化学研究所,陕西西安71 0065) 

摘要:为有效调节改性双基(CMDB)推进剂(主要组分为硝化棉、硝化甘油和黑索今)的流变性能,利用HAAKE旋转流变仪研究 

了增塑剂、高分子增稠剂及温度对CMDB推进剂流变特性的影响。结果表明,CMDB推进剂为具有屈服应力的假塑性流体,调整 

增塑剂硝化甘油与吉纳的比例(m(NG):m(DINA)=1 0:1,8:1,6:1),当增塑剂比例降低,CMDB推进剂粘度和屈服值增大, 

流动活化能减小;高分子增稠剂含量增加,CMDB推进剂粘度明显增大,流动活化能减小;温度升高,CMDB推进剂粘度减小。 

关键词:应用化学;改性双基(CMDB)推进剂;流变性能;流动活化能;流变调节剂 

中图分类号:TJ55;V51 2;O69 文献标识码:A DOI:1 0.3969 issn.1 006.9941.201 2.01.01 7 

由中国兵器工业第二。四研究所提供。 

1 引 言 

浇铸无烟双基改性(CMDB)推进剂具有能量高、特 

征信号低、燃速可调范围大以及可制备大尺寸复杂药型 

推进剂等优点…。为进一步提高CMDB推进剂的能 

主要设备:2 L行星式捏合机(中国)、旋转流变 

仪(德国HAAKE)。 

2.2 推进剂基础配方及样品制备 

通过改变浇铸无烟CMDB推进剂中增塑剂NG 

与辅助增塑剂DlNA的质量比、高分子增稠剂BJM的 

含量,研究其对浇铸无烟CMDB推进剂流变性能的影 

响,推进剂的配方设计见表1。 

制备工艺:推进剂样品均采用淤浆浇铸工艺制备。 

将NC、RDX、NG、催化剂等推进剂各组份在2 L式捏合 

机中混合1 h左右,出料后保持真空条件30 min。 

表1 浇铸无烟CMDB推进剂配方 

Table 1 The formulation of CMDB propellant 

(NG):(DINA)rheologic剖

ie 

nt of

odif

ingredient‘total con e

. 

量,需在配方中加人大量固体组分 ,从而严重影响浇 

铸推进剂流变性能。目前,浇铸无烟CMDB推进剂在 

各种车载导弹和机载导弹均有应用,而且其装药多为复 

杂药型,推进剂药浆流变性能是推进剂成型工艺关键技 

术之一 J。CMDB推进剂流变性能与增塑剂和固体组 

分的表面性质有较大关系,流变性能的优劣直接影响推 

进剂的装药质量和结构完整性。国内外已对复合推进 

剂的流变性能进行了广泛研究 ,但对CMDB推进 

剂的流变性能尚未开展系统研究。本课题组利用旋转 

流变仪研究了增塑剂及高分子增稠剂对浇铸无烟 

CMDB推进剂的流变特性及流动活化能的影响,为调节 

CMDB推进剂的工艺性能提供参考。 

RDX 

/% 

NC 

/% 

o・ ers 

LII

i 

plasticizer Si  32% )

BIM/

B JM/% …  ‘

2 实验部分 

2.1 主要原材料及主要设备 

主要原材料:硝化棉(NC),国营21 5厂;黑索今 

(RDX),兰州白银银光化学材料厂;硝化甘油(NG)、 

2.3 实验方法 

流变性能试验采用德国HAKKE公司生产的 

吉纳(DINA)、高分子增稠剂BJM及其他功能助剂均 

收稿日期:2010-09-10;修回日期:2011-07-08 

RS300型旋转流变仪测定,如图1所示,使用平行板型 

模具,平行板半径R=1 7.5 mm,测试间距H=1 mm。 

设置条件如下:温度为25,30,35,40,45 oC。 

作者简介:蔚红建(1969一),男,博士研究生,高级工程师,从事固体推 

进剂研究。e-mail:yl h2j3—69@sohu.COrn 

(1)温度扫描:剪切速率0~0.6 S一,测试时间为 

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 201 2年第2O卷第1期(71—75) 

72 蔚红建,樊学忠,付小龙,滕学峰,盂玲玲,张伟,谢五喜 

3 min;(2)频率扫描:剪切应力f取1 0 Pa,频率r为 

表2 CMDB.1、CMDB-2和CMDB.3推进剂流变特性参数 

0.1—10 Hz,测试时间为3 min。 

图1 RS300型旋转流变仪 

丁一转速,R一旋转半径,H一测试间距 

Fig.1 RS300 rotational viscometer 

T--rotation rate,R—radius of rotation,,一『-space between testing 

2.4流动曲线模型及方程 

流动曲线符合Ostwald de waele模型 : 

叼=K X ’ (1) 

式中,'7为粘度,Pa・S;K为粘度系数; 为剪切速 

率,S一;n为剪切速率指数。 

流动活化能可表征高分子向孔穴跃迁时克服周围 

分子的作用所需要的能量。对于黏流温度以上(即高 

聚物由高弹态转变为黏流态的温度)高聚物流体,粘 

度与温度满足阿仑尼乌斯方程 : 

竹 Ae (2) 

式中,A为指前因子;△ 为流动活化能,kJ.mol~; 

尺为气体常数,J.mol~・K~;7-为热力学温度,K。 

3结果与讨论 

3.1 增塑剂对CMDB推进剂流变性能的影响 

研究了不同温度下(25-40 cC)含不同比例增塑剂 

的CMDB推进剂流变特性,结果见表2及图2~图4。 

由In?/-Iny曲线图2,图3和图4可以看出,药浆 

存在“剪切变稀”现象,剪切速率指数门<1,属于典型 

假塑性流体,应用流变模型叩=K X ’,有较好的相 

关性。由表2可知,相关系数r在0.9914—0.9990 

之间,其剪切速率指数几在0.4046~0.5041之间。 

由表2可知,当温度相同时,随增塑剂NG比例降 

低,CMDB推进剂的粘度系数K增大,粘度田增大,表 

明CMDB推进剂呈流体特性所需的剪切应力增大,流 

动性变差。由于小分子液体含量(增塑剂)降低,减小了 

颗粒液膜厚度及整体孔隙率,使颗粒堆砌、团聚等临时结 

构增强,因此CMDB推进剂粘度田增大,流动性变差。 

Chinese3oumal ofEnergetic Mateirals,Vo1.20,No.1,2012(71—75) 

Table 2 Rheological property parametrs of CMDB一1。CMDB・2 

and CMDB・3 propellants 

ngredient !! 三! :! ! : 

25 qC 30℃35℃40℃ 25 oC 30℃ 35℃ 4o℃ 

,( r 

g 三_- — ■ — 

Note:K is viscosity coefficient,n is shearing rate exponent,r is correla— 

tion coefficient, is apparent viscosity at I S一. 

In(7I s-1) 

图2不同温度下CMDB一1的流变特性 

Fig.2 Rheological properties of CMDB一1 at different 

temperatures 

In(7/s-1) 

图3 不同温度下CMDB-2的流变特性 

Fig.3 Rheological properties of CMDB一2 at different 

temperatures 

图4不同温度下CMDB-3的流变特性 

Fig.4 Rheological properties of CMDB-3 

temperatures 

含能材料 WWW.energetic・materials.org.cn 

浇铸无烟CMDB推进剂流变性能 73 

CMDB推进剂的粘度 及粘度系数K随温度升 

由表3可知,CMDB.3的流动活化能最大为 

4 2 0 8 6 4 2 O 8 ∞铋 跎∞¨ 6 6 5 1^v a 

高而降低,其产生机理为温度升高,固体增塑剂及小分 

子增塑剂的分子运动增强,固体颗粒间滑移阻力减小, 

从而流动性有所改善。 

进一步研究温度对CMDB推进剂流变性能的影 

响,根据假塑性流体粘度与温度的关系7/=Ae 刖, 

得到CMDB推进剂CMDB-1、CMDB一2和CMDB-3, 

在不同温度下(25,30,35,40℃),Inr/与1/丁关系 

曲线如图5、图6和图7所示。 

图5 CMDB・1推进剂的In田与1/7.关系 

Fig.5 Relationship between ln∞and 1/T for CMDB一1 

propellant 

们 

Q- 

~ 

量 

图6 CMDB一2推进剂的In叼与1/7_关系 

Fig.6 Relationship between In"and 1/7-for CMDB-2 

propellant 

图7 CMDB一3推进剂的Inr/与1/7-关系 

Fig.7 Relationship between In叼and 1/T for CMDB一3 

propellant 

由图5、图6和图7拟合CMDB推进剂的粘度方 

程及流动活化能见表3。 

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 

46.30 kJ.tool~,而CMDB一1的流动活化能最小为 

33.34 kJ.mol~,以上结果表明,随NG比例的降低, 

CMDB推进剂药浆的孔穴减小,NC分子链段向孑L穴 

跃迁时所受的周围分子的作用力增强,其跃迁困难,因 

此,CMDB推进剂的流动活化能增大。 

表3 CMDB推进剂的流动动力学参数 

Table 3 Flow kinetic parameters of CMDB propellants 

Nore:r is correlation coefficient,△ is activation energy of flow 

3.2 高分子增稠剂含量对CMDB推进剂流变性能 

的影响 

若CMDB推进剂的药浆过稀,则固体颗粒出现沉 

降现象,为调节CMDB推进剂的流变性能,通常在推 

进剂中加入高分子增稠剂,其对CMDB推进剂的流变 

性能影响较大,含量过多则推进剂药浆过于粘稠,难以 

浇铸成型,含量过少则难以起到调节作用。因此,应用 

Ostwald模型研究了不同含量高分子增稠剂BJM(其 

结构特征为多羟基高分子链段)对CMDB推进剂流变 

特性的影响,选择增塑剂比例相同,调整高分子增稠剂 

比例研究CMDB推进剂流变特性,故对配方CMDB一1, 

CMDB-4,CMDB.5进行了流变特性试验,结果见图 

2、图8、图9及表4。 

由图2、图8和图9可见,剪切速率指数n小于1, 

CMDB推进剂药浆属于假塑性流体,对于其流变模型 

7/=K X ’相关性较好,相关系数r在0.991 9~ 

0.9997之间,其剪切速率指数在0.4146~0.5317之间。 

图8不同温度下CMDB-4的流变特性 

Fig.8 Rheological properties of CMDB-4 at different 

temperatu res 

含能材料 201 2年 第20卷第1期 (71—75) 

74 

图9不同温度下CMDB一5的流变特性 

Fig.9 Rheological properties of CMDB一5 at different 

temperatures 

表4 CMDB一1、CMDB-4及CMDB一5推进剂流变特性参数 

Table 4 Rheological property parameters of CMDB一1,CMDB-4 

and CMDB一5 propellants 

门 

ent 

25℃ 3O℃ 35℃40 oc 

ng陀 __j

K 

 ■ r 

25℃ 30℃ 35 oC 40℃ 

由表4可见,温度一定时,3种样品的粘度卵依次 

增大,即随高分子增稠剂含量的增加CMDB推进剂的 

粘度叼显著增大。表明CMDB推进剂成流体特性所 

需的剪切应力增大,流动性变差。这是由于加入的高 

分子BJM结构特征为多羟基高分子链段,其与NC高 

分子链段产生团聚、缠绕等作用,并对CMDB推进剂 

药浆的孔穴起一定的填充作用。同时,推进剂药浆液 

相中分子之间,分散相分子之间,以及液相和分散相分 

子之间均形成了物理交联点,使药浆中各分子之间具 

有较强的物理交联作用,从而使CMDB推进剂的孑L隙 

率降低,增大了CMDB推进剂的粘度及剪切应力。同 

时,由表4也可看出,随温度的升高,3种样品的粘度 

田逐渐减小。这是因温度升高,分子热运动能量增加, 

CMDB推进剂中的孔穴也随之增加和膨胀,使流动的阻 

力变小,因此,CMDB推进剂的粘度和剪切应力减小。 

进一步研究温度对CMDB推进剂流变性能的影 

响,根据假塑性流体粘度与温度的关系r/=Ae , 

得到CMDB推进剂CMDB一1,CMDB-4,CMDB一5,在 

不同温度下(25,30,35,4O cIC)In卵与1/7_关系如图 

5、图1 0和图1 1所示。 

ChineseJournal ofEnergetic Materials,Vo1.20,No.1,2012(71—75) 

蔚红建,樊学忠,付小龙,滕学峰,孟玲玲,张伟,谢五喜 

图10 CMDB-4推进剂的Iml与1/7-关系 

Fig.1 0 Relationship between Inr/and 1/丁for CMDB一4 

propellant 

图11 CMDB一5推进剂的ln 与1/7_关系 

Fig.1 1 Relationship between Inr/and 1/7_for CMDB一5 

propellant 

由表5可知,CMDB-4的流动活化能最小,为 

39.36 kJ・mol~,而CMDB一5的流动活化能最大,为 

52.67kJ・mol~。现高分子增稠剂BJM对CMDB推 

进剂的流变特性影响较大,随BJM含量的增加,流动 

活化能逐渐增大。 

表5 CMDB推进剂流动动力学参数 

Table 5 Flow kinetic parameters of CMDB propellants 

4 结 论 

(1)增塑剂比例由1 0:1降低至6:1,CMDB推 

进剂粘度增大,流动活化能由33.34 kJ.mol 增大 

至46.30 kJ.tool~。 

(2)高分子增稠剂对CMDB推进剂的流变性能 

有显著影响,其含量由0.1 0%增加至0.12%,CMDB 

推进剂粘度增大,流变活化能由39.36 kJ.mol一。增 

大至52.67 kJ.tool~。 

(3)CMDB推进剂为假塑性流体,温度对CMDB 

含能材料 www.energetic-materials.org.ca 

浇铸无烟CMDB推进剂流变性能 75 

[4]Makoto Kohga,Yutaka Hagihara.Effects of surfactants of viscosity 

推进剂的流变性能影响较大,温度由25 qC升高至 

45。(=,CMDB推进剂粘度显著减小,有利于浇铸。 

参考文献: 

[1]朱定有.高能CMDB推进剂燃速特性研究[J].火炸药学报(原 

火炸药),1 982,5(1):6—11. 

ZHU Ding you.Study on the combustion properties of high energy 

of uncu red AP/HTPB propellant[J].Kayaku Gakkaishi,1998,59 

(4):1 67—1 72. 

[5]Hasegawa K,Takizuka M,Fukuda T.Bonding agents for AP and 

nitramine/HTPB composite propellant[R].AIAA 83—1199. 

[6]唐汉祥.推进剂药浆粘弹性特征研究[J].推进技术,1998,19 

(4):95—99. 

TANG Han—xiang.Study on viscoelastic properties of composite 

CMDB propellants[J].Chinese Journal of Explosives and Prope1. 

1ants,1982,5(1):6—11. 

solid propellant slu rry[J].Journal of Propulsion Technology, 

1998,1 9(4):95—99. 

[2]李吉祯,樊学忠,刘小刚.AP和铝粉对AP-CMDB推进剂燃烧性 

能的影响[J].火炸药学报,2008,31(4):61—63. 

LI zhen,FAN Xue-zhong,LIU Xiao—gang.Influence of ammoni— 

um perchlorate and aluminum powder on the combustion char— 

[7]杨长生,蒋登高,石晓华.木粉聚醚的流变特性以及粘流温度效应 

[J].高校化学工程学报,2001,1 5(1):78—81. 

YANG Chang—sheng,JIANG Deng-gao,SHI Xiao—hua.Study on 

the rheology behavior of wood flou r polyether and relationship 

acteristics of AP-CMDB propellant[J].Chinese Journal of Explo. 

sives and Propellants,2008,31(4):61—63. 

between thei r viscosity and temperature[J],Journal of Chemical 

Engineering ofChinese Universities,2001,1 5(I):78—81. 

[3]胥会祥,赵风起,李勇宏.硼粉中和改性对B/HTPB混合物流变性 

能影响研究[J].含能材料,2007,1 5(4):34I一344. 

XU Hui—xiang,ZHAO Feng-qi,LI Yong-hong.Effect of neutralised 

[8]朱平,周晓东,张林,等.纤维素/NaOH一尿素-硫脲溶液体系流变 

性能的研究[J].印染助剂,2008,25(1):24—26. 

ZHU Ping,ZHOU Xiao-dong,ZHANG Lin,et a1.Study on the 

rheological behavior solution of cellulose/NaOH・-u rea--thiou rea 

boron powder on rheological characteristic of B/HTPB[J].Chi. 

nese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao),2007,1 S 

(4):341—344. 

system[J].Textile Auxiliaries,2008,25(1):24—26. 

Rheological Properties of Cast Smokeless CMDB Propellants 

YU Hong-jian,FAN Xue-zhong,FU Xiao-long,TENG Xue-feng,MENG Ling-ling,ZHANG Wei,XIE Wu-xi 

(xi an Modern Chemistry Research Institute,Xi an 71 0065,China) 

Abstract:In order to regulate the rheological properties of cast smokeless composite modified double based(CMDB)propellants 

composed of nitrocellulose,nitroglycerin and clotrimethy Jene—trinitramine,the influences of plasticizer,rheological modifier and 

temperatu re on the rheological properties of cast CMDB propellants were studied by a HAAKE rotational viscometer.The results 

show that CMDB propellants are pseudoplastic fluid with yield stress.By adjusting the ratio between plasticizer nitroglycerin and 

DINA(m(NG):m(DINA)=10:1,8:1,6:1),with specific plasticizer reduces,the viscosity and yield of CMDB propellants 

increase and the flow activation energy decreases.With the increasing in rheological modifier content.the viscosity of CMDB 

propellants increases obviously,and the flow activation energy decreases.The viscosity of CMDB propellants decreases at higher 

temperatures. 

Key words:applied chemistry;composite modified double based(CMDB)propellant;theological property;flow activation; 

rheological modifier 

CLC number:TJ55;V51 2;O69 Document code:A DOI:1 0.3969/j.issn.1006—9941.201 2.01.01 7 

CHINESE J0URNAL 0F ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2012年第2O卷第1期 (71—75) 

本文标签: 推进剂流变温度特性粘度