CHENG Yu, SONG Xiu-duo, GU Yong-jun, et al.Rapid and Safe Drying of Modified Double-base Propellant Pellets under Hydraulic Transportation[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2021,44(2):233-239.
引 言
螺旋输送[1-2]在含硝胺改性双基推进剂药粒输送过程应用较为广泛。但是，由于固体推进剂具有高感度特性[3-5]而使得螺旋输送推进剂药粒的过程中存在着燃烧和爆炸[6]的安全风险。国内刘所恩等[7]研究了不同RDX含量的硝胺改性双基推进剂样品的机械感度变化规律，结果表明，RDX的加入使得推进剂对机械撞击的敏感度增加，安全性下降，当RDX质量分数仅达到27%以后，样品摩擦爆炸概率就大幅度升高至64%。降低推进剂物料的感度能够有效提升其在螺旋输送过程的安全性，例如，安崇伟等[8]采用一种含能高分子材料(HP-1)对RDX进行包覆改性并将其制成推进剂，结果表明，用包覆RDX制成的推进剂摩擦感度由58%降到4%。但对推进剂进行降感处理可能会以损失一定的能量为代价。因此，急需寻求一种全新的满足于含硝胺改性双基推进剂药粒连续、稳定且安全的输送方式。
近年来，国外对于物料输送方式已进行了大量研究。其中，水力输送[9]是一种极富潜力的物料输送方式，它是一种以液体作为载体，通过封闭管道输送固体物料的运输方式。相比于其他运输方式，例如传送带式输送[10]，具有实现连续的长距离输送、运行成本低、效率高、无污染及安全可靠等优势[11]。例如，加拿大研究人员Jason L等[12]研究了麦秸浆液在管道输送条件下的流动特性，结果表明，浆液中粗颗粒的粒径及浆液的饱和固含量均会对管道输送产生影响。另外，印度学者Radha R等[13]利用液压运输热电厂粉煤灰并对其在管道中的流动性进行了研究，结果表明，粉煤灰与底灰分别保持7∶3、6∶4和5∶5固液比，且固体质量分数为50%的情况下，具有最佳输送效果。在国内，水力输送的研究及应用稍显滞后，近年来，姜雪等[14]发明了一种带式液压输送装置，利用矿井水为动力驱动，输送带漂浮在水中，比普通输送因摩擦带来的消耗大为降低，节能降耗。目前，水力输送还主要应用在民用领域，在含能材料领域尚鲜有应用，因此，开展含硝胺改性双基推进剂物料水力输送研究具有重要意义。
采用水力输送含硝胺改性双基推进剂药粒，其必然涉及水力输送后推进剂药粒的快速安全烘干，否则水力输送在时间成本上并无优势而言。因此，本研究旨在探究水力输送下推进剂药粒的快速安全烘干工艺条件，通过不同水力输送停留时间研究推进剂药粒的吸水率分布及饱和吸收量，通过对比水力输送前后推进剂药粒的热失重过程曲线，确定合适的干燥温度，分析并对比水力输送前后推进剂药粒的的机械感度、微观结构等性能，阐明水力输送对推进剂药粒的感度和微观结构的影响情况，探索出水力输送推进剂药粒最佳的快速烘干工艺条件，以期为含硝胺改性双基推进剂药粒水力输送及快速烘干工艺过程提供参考。
1 实 验
1.1 原料与仪器
推进剂药粒，其中药粒主要成分为RDX，质量分数50%；硝化纤维素(NC，3#，含氮量11.8%～12.1%)，质量分数20%；硝化甘油(NG)，质量分数20%；其余组分，质量分数10%；上述试剂均由山西北方兴安化学工业有限公司提供。含硝胺改性双基推进剂药粒形状近似呈圆柱形，其中底面直径约0.7cm，高度约1.5cm。
水力输送模拟装置，北京化工大学；AHX-863恒温水浴干燥箱，南京理工大学机电总厂；DHG-9146A恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜,日本日立公司；NETZSCH STA409同步热分析仪，德国NETZSCH公司；MGY-1型摩擦感度仪，安徽红星机电科技股份有限公司；WL-ll型撞击感度仪，北京金恒祥仪器有限公司。
1.2 实验过程
1.2.1 水力输送过程
推进剂药粒水力输送过程示意图如图1所示。
图1 推进剂药粒水力输送过程示意图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic transport process of propellant pellets
具体试验过程：将推进剂药粒加入到水力输送模拟装置储料槽中，调节水力输送模拟装置控制系统，设置水力输送流量和管路长度等，控制推进剂药粒的水力输送停留时间依次约为2、5、10min，待输送结束后，推进剂药粒到达管道出料口，对其进行过滤，用于干燥实验。
1.2.2 干燥过程
(1)吸水量测试
取质量为m1的推进剂药粒并放置于水浴烘箱中，控制烘箱温度为60 ℃下，24h后得到质量为m2的推进剂烘干药粒，通过式(1)计算推进剂药粒初始含水率为1.04%。
(2)干燥过程曲线
对于水力输送2、5、10min后过滤出料的每种推进剂药粒，随机取2份等量物料(记湿物料质量为G′)，分别放置于直径为20cm的筛盘中，再分别放入水浴烘箱及鼓风烘箱(额定流量)中进行干燥实验，两种烘箱的烘架横截面均约为0.15m2，设置烘箱温度为80℃，烘干气体温度范围为80±1℃(相对湿度为12%～18%RH)；每隔5min对烘箱中推进剂药粒进行实时称重，记录数据，直至两次测量药粒重量不变，此时推进剂药粒的质量记为绝对干料质量。
根据式(2)计算出某一时刻物料的干基含水量x(某一时刻绝对干料物料的含水量)为：
式中：G′为某一时刻湿物料的质量，为绝对干料质量，kg。
为简化起见，将水力输送前后推进剂样品进行编号，如表1所示。
表1 水力输送前后推进剂样品编号信息Table 1 The propellant sample number information before andafter hydraulic transportationSample namesT2The dried propellant pellets that with the hy-draulic transfer residence time of 2minT5The dried propellant pellets that with the hy-draulic transfer residence time of 5minT10The dried propellant pellets that with the hy-draulic transfer residence time of 10minW1The basic propellant pelletsW2The dried basic propellant pellets
1.3 分析与测试
对水力输送前后物料进行撞击感度和摩擦感度测试，撞击感度测试条件为：落锤质量2.5kg，试验药量(35±1) mg，测试环境温度(20±2)℃，相对湿度(60±2)%，每组25发，测试3组；摩擦感度测试条件为：摆角80°，表压3.92MPa，药量(25±1)mg，测试温度(20±2)℃，相对湿度(60±2)%。每组25发，共3组。
采用扫描电子显微镜对水力输送前后物料的微观结构进行研究；采用热重分析仪对水力输送前后推进剂物料的热性能进行表征，其中热重测试是在80、110、140℃下保温5h，氮气流速50mL/min，Al2O3坩埚，试样质量不大于2.0mg。
2 结果与讨论
2.1 水力输送推进剂药粒的吸水率分布
对于水力输送停留时间2、5、10min的推进剂药粒，分别随机取100个药粒，采用烘干法测定药粒实际吸水率及饱和吸水率，测试3组，统计药粒吸水率，不同吸水率区间(7%～8%、8%～9%、9%～10%、10%～11%、11%～12%、12%～13%、13%～14%)的药粒数量取平均值作柱状分布图，如图2所示。
图2 水力输送不同停留时间药粒吸水率分布图Fig.2 Water absorption distribution of propellant pellets withdifferent residence time in hydraulic transportation
由图2可以看出，水力输送停留时间2、5、10min的推进剂药粒吸水率分布近似呈现正态分布规律，吸水率在10%～11%之间的药粒占比均接近40%，由统计学规律可判断，推进剂药粒在水力输送2min左右已基本达到饱和吸水量，且饱和吸水量基本维持在10%左右。
2.2 水力输送前后推进剂物料热重分析
对于原始推进剂药粒，分别设置3组温度(80、110、140℃)，进行恒温保温5h热重分析，热重曲线如图3所示。
图3 原始推进剂药粒在不同温度保温5h的TG曲线Fig.3 TG curves of the original propellant pellets heatedat different temperatures for 5h
从图3可以看出，对于原始推进剂药粒，随着保温温度(80、110、140℃)的逐渐升高，药粒的TG曲线表现出了不同的规律。其中，推进剂药粒在80℃下保温5h的过程中，药粒的质量损失速率始终恒定，呈线性规律，药粒中存在的附着水分、结晶水分及NG等含能组分随时间变化呈稳定性分解态势，最终保温5h后，药粒失重7.1%。而推进剂药粒在110、140℃下保温5h的过程中，药粒质量损失分为3个阶段，第一阶段为药粒表面附着水分及内部结晶水失重，质量损失在1%～2%;第二阶段为药粒内以NG为主的含能组分失重，此阶段质量损失接近15%且质量损失速率很大;第三阶段为药粒内其他组分失重，质量损失大约3%；结合上述分析可知，保温温度过高，药粒中的NG等含能组分呈较为剧烈的质量损失，质量损失率显著增加，且都超过20%，分别为20.9%和21.6%。
为了进一步细致描述温度对原始推进剂药粒分解的影响，从图3的TG曲线中列举出原始推进剂物料在3种保温温度下质量损失0.5%～5%所需时间，见表2。
表2 不同温度下原始推进剂药粒质量损失0.5%～5%所需时间Table 2 The time required for 0.5% to 5% mass loss ofthe original propellant pellets at different temperaturesMass loss/%Corresponding time/min80℃110℃140℃ 19.5 21.7 26.722.7 33.925.1
为直观观察W1样品受热质量损失率与时间的关系，将表2的数据做成如图4所示的曲线图。
图4 不同温度下原始推进剂药粒质量损失0.5%～5%所需时间折线图Fig.4 Time line diagram for the mass loss of 0.5% to 5% ofthe original propellant pellets at different temperatures
从图4可以看出，原始推进剂药粒在3种保温温度下质量损失率表现出不同的变化趋势。在同样的质量损失率下，随着保温温度的逐渐升高，质量损失所需时间逐渐减少，这是因为温度对推进剂中水分及组分分解具有显著影响。对于80℃保温下，推进剂药粒的质量损失率随保温时间增长而缓慢增加，而在110℃及140℃下，即使在短时间内药粒质量损失率也急剧增加。在推进剂药粒质量损失1%以内，基本为药粒中水分的流失，80℃加热温度下推进剂药粒质量损失1%大约需要34.8min，而在110、140℃下，这一时间均不超过20min；在推进剂药粒热质量损失5%内，失重主要是由于物料中水分及以NG为主的含能组分的分解，80℃下推进剂药粒质量损失5%需要200min以上，而在110、140℃下这一时间仅在30min左右。由此可知，原始推进剂药粒在80℃下呈缓慢、稳定性热分解，而在110、140℃下呈剧烈质量损失。因此，相较于110、140℃保温温度，80℃为推进剂药粒加热驱水的最佳保温温度。
对于水力输送前后推进剂药粒，分别设置80℃进行恒温保温5h热重分析，热重曲线如图5所示。由图5可知，水力输送前后推进剂药粒的质量损失速率都基本恒定，药粒中存在水分及NG等组分随时间变化均呈稳定性分解态势，质量损失率也呈规律性减小，药粒质量损失1%时所需的时间均在30min以内，最终保温5h后，药粒最终质量损失率分别为8.0%、7.1%、11.6%、10.3%、11.9%；对于W1、W2样品，作为原始推进剂药粒及其烘干药粒，质量损失率相对水力输送后的药粒偏低，且二者质量损失差距与原始药粒含水量几乎一致，接近1%；T2、T5、T10样品质量损失率微高于W1、W2样品，但差距不超过4%，质量损失差距较小。
图5 水力输送前后推进剂药粒在80℃保温5h热重曲线Fig.5 TG curves of propellant pellets before and after hydraulictransportation at 80℃ for 5h
由上述分析可知，水力输送前后推进剂药粒在80℃下的质量损失速率相对恒定，且最终质量损失率无明显差距，说明水力输送后烘干状态的推进剂药粒在热刺激下与原始推进剂药粒无明显改变，因此，80℃是推进剂药粒较为适合的烘干温度。
2.3 机械感度
对水力输送前后推进剂药粒进行撞击感度和摩擦感度测试，结果见表3。
表3 水力输送前后推进剂药粒机械感度Table 3 Mechanical sensitivity of propellant pellets before andafter hydraulic transportationSampleH50/cmP/%
由表3可以看出，水力输送前后推进剂药粒机械感度的差异并不明显，这说明推进剂药粒经过水力输送后，基本不改变其稳定性。
2.4 形貌表征
水力输送前后推进剂药粒的扫描电子显微镜照片如图6所示。由图6可以看出，在微观状态下，各种颗粒较为均匀地分布在NC凝胶骨架中，NC连续的凝胶骨架结构并不受到水力输送过程的影响。
图6 水力输送前后推进剂药粒的SEM照片Fig.6 SEM images of propellant pellets before and after hydraulic transportation
2.5 水力输送物料恒定干燥条件下干燥实验曲线
随机选取水力输送2、5、10min的药粒，且其初始含水质量分数均在10%左右，对其在80℃下进行水浴烘干和鼓风烘干实验。以其干基含水量为纵坐标，干燥时间为横坐标绘成曲线，即为干燥速率曲线，如图7所示。
图7 不同停留时间下推进剂药粒80℃水浴及鼓风干燥曲线Fig.7 The drying curves of propellant pellets in water bath andblast at 80℃ under different residence time
由图7(a)可以看出，水力输送2、5、10min药粒的初始含水率不同，均在10%以上，在水浴烘干下，药粒含水率随干燥时间的增加而减少，最终药粒含水率为0时，干燥所需要的时间几乎一致，约70min。还可以看出，在前50min内，推进剂物料的干燥速率基本恒定，到达50min后，药粒干燥速率逐渐降低，最终到达70min干燥速率为0。由图7(b)可以看出，鼓风烘干下水力输送2、5、10min后的推进剂药粒干燥速率变化规律基本与水浴烘干过程一致，但干燥速率更快，药粒烘干时间为30min左右，与在水浴烘干条件下相比，时间提前了近40min。
根据推进剂药粒产品的加工要求，将水力输送2、5、10min药粒的干燥终点含水率设定在0.7%，对比图7(a)和(b)可看出，推进剂药粒在水浴烘干条件下需要60min左右达到烘干终点，而在鼓风烘干条件不超过25min，提前了近35min，这是因为鼓风烘干过程中推进剂湿药粒和热风存在更大的热交换，干燥效率更高，干燥速率也更快。
结合水力输送前后推进剂药粒在80℃下的TG曲线，药粒质量损失1%时所需的时间均在30min以内，此时，推进剂药粒的质量损失主要以水为准，推进剂药粒组分几乎不发生变化。因此，采用鼓风烘干，仅需要约25min就能实现推进剂药粒的快速烘干，可见这一过程是安全可靠的。
3 结 论
(1)由热失重曲线分析可知，相对于110、140℃，原始推进剂药粒在80℃下可进行缓慢热分解；由水力输送前后推进剂药粒在80℃下保温5h的TG曲线可知，原始推进剂药粒、烘干推进剂药粒及水力输送2、5、10min的烘干推进剂药粒质量损失率分别为8.0%、7.1%、11.6%、10.3%、11.9%，无明显差距，因此，80℃为推进剂物料适合的烘干温度。
(2)水力输送前后推进剂药粒的机械感度及微观结构无明显变化。
(3)推进剂药粒在水力输送约2min时，已基本达到饱和，饱和吸水量基本恒定在10%～11%之间。80℃下，水力输送2、5、10min后湿药粒在鼓风烘干过程中和热风存在更大的热交换，干燥时间不超过25min，可实现推进剂药粒的快速安全烘干。
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