一种含氧型无毒高能云爆剂
阅读说明：本技术 一种含氧型无毒高能云爆剂 (Oxygen-containing nontoxic high-energy cloud blasting agent ) 是由 安高军 鲁长波 徐曦萌 郑哲 崔赛楠 薛真真 王春智 于 2021-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种含氧型无毒高能云爆剂。该含氧型无毒高能云爆剂的原料组成含有聚甲氧基二烷基醚；其中,以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计,所述聚甲氧基二烷基醚的含量为10wt％-80wt％,优选为25wt％-60wt％,更优选为30wt％-50wt％。本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂是一种性能优异的云爆剂,所采用的聚甲氧基二烷基醚是无毒绿色化燃料,该云爆剂能有效缓解爆炸抛撒时云雾分散不均匀的问题,提高云雾扩散的直径,有效增加云雾爆轰面积,增加威力效用。本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂具有比现有云爆剂更加宽广的云雾扩散范围、更快的云雾传播速度,云爆剂燃烧更充分、能量释放更完全。(The invention provides an oxygen-containing nontoxic high-energy explosive cloud. The raw material composition of the oxygen-containing type nontoxic high-energy cloud blasting agent contains polymethoxy dialkyl ether; wherein, the content of the polymethoxy dialkyl ether is 10 wt% -80 wt%, preferably 25 wt% -60 wt%, and more preferably 30 wt% -50 wt%, based on 100 wt% of the total mass of the raw materials of the oxygen-containing type nontoxic high-energy cloud explosion agent. The oxygen-containing type non-toxic high-energy cloud blasting agent provided by the invention is a cloud blasting agent with excellent performance, the adopted polymethoxy dialkyl ether is a non-toxic green fuel, and the cloud blasting agent can effectively relieve the problem of uneven cloud dispersion during explosion and dispersion, improve the diameter of cloud dispersion, effectively increase the detonation area of cloud and increase the power effect. Compared with the existing cloud blasting agents, the oxygen-containing type non-toxic high-energy cloud blasting agent provided by the invention has a wider cloud diffusion range and a higher cloud propagation speed, and is more sufficient in combustion and more complete in energy release.)
技术领域
本发明涉及一种含氧型无毒高能云爆剂，属于云爆剂技术领域。
背景技术
云爆弹亦称燃料空气炸弹(简称FAE)，实际上就是由装有燃料(大多为环氧乙烷、环氧丙烷、硝基甲烷、乙烯乙炔等液体、气体、固体类高挥发性易燃燃料)的容器和定时起爆装置构成的一种战斗部，而这种固液混合易燃燃料即为云爆剂。云爆弹的作用原理和过程是：当战斗部离地面一定高度时，实施第一次引爆，使弹载化学燃料散布到空中，燃料弥散形成的细小雾粒迅速与周围空气混合，形成一定直径和厚度的可燃气溶胶云团(即燃料空气炸药)，随之，弹载起爆引信引燃云团，激发爆轰，达到破坏和杀伤目标的效果。
云爆弹的破坏威力大，主要体现在释放能量多、爆轰作用时间长和波及范围大三个方面。云爆弹的装药不是普通炸药而是易燃的化学物质，爆炸时充分利用炸点周围空气中的大量氧气。云爆剂自身成分中的易燃燃料若含有氧元素，则会燃烧速度快，含氧型燃料中所包含的氧元素使其燃烧时有自供氧能力，可以使得燃料燃烧更充分，能量释放更完全。聚醚类含氧燃料有自供氧能力，燃烧较充分，燃烧时降低有害排放物，是很有发展前景的清洁能源。相比于传统类云爆剂，若聚醚类含氧燃料作为添加剂加入云爆剂中，可获得较高的云雾扩散直径，配合闪点较低的小分子燃料，二次引爆使火球传播速度加快，更易达到爆轰，能量释放更完全且使用过程中绿色环保无污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含氧型无毒高能云爆剂，通过采用聚甲氧基二烷基醚能够扩大云雾扩散范围、加快云雾传播速度，使云爆剂燃烧更充分、能量释放更完全。
为达到上述目的，本发明提供了一种含氧型无毒高能云爆剂，其原料组成含有聚甲氧基二烷基醚；其中，以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计，所述聚甲氧基二烷基醚的含量为10wt％-80wt％，优选为25wt％-60wt％，更优选为30wt％-50wt％。
根据本发明的具体实施方案，优选地，该含氧型无毒高能云爆剂还含有高能添加剂，以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计，该高能添加剂的质量含量为10wt％-80wt％，优选为10wt％-40wt％，更优选为10wt％-25wt％。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述高能添加剂包括金属基粉末和/或高能燃料。其中，所述金属基粉末优选包括铝粉、锂粉、铍粉、硼粉、镁粉、钛粉、锆粉、钨粉等及它们的合金粉末和氢化物粉末中的一种或两种以上的组合；所述高能燃料优选包括四氢化茚、甲基双环戊二烯、挂式四氢双环戊二烯、挂式四氢三环戊二烯、二氢盆式苯、四环庚烷、五环十一烷、桥式四氢双环戊二烯、金刚烷及它们的衍生物中的一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，优选地，该含氧型无毒高能云爆剂还含有助燃剂，以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计，该助燃剂的质量含量为10wt％-80wt％，优选为20wt％-60wt％，更优选为30wt％-40wt％。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述助燃剂包括硝酸异丙酯、硝酸异戊酯、石油醚、碳酸二甲酯、环氧丙烷、低闪点醇类(优选闪点小于30℃)等低闪点物质中的一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计，本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂可以具有以下具体的原料组成：聚甲氧基二烷基醚10wt％-80wt％，助燃剂10wt％-80wt％、高能添加剂10wt％-80wt％，各成分组成的百分比之和为100wt％；优选为：聚甲氧基二烷基醚25wt％-60wt％，助燃剂20wt％-60wt％、高能添加剂10wt％-40wt％，各成分组成的百分比之和为100wt％；更优选为：聚甲氧基二烷基醚30wt％-50wt％，助燃剂30wt％-40wt％、高能添加剂10wt％-25wt％，各成分组成的百分比之和为100wt％。
本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂可以是通过以下步骤制备的：将聚甲氧基二烷基醚与助燃剂混合，搅拌均匀后，加入高能添加剂，搅拌均匀后即得聚甲氧基二烷基型云爆剂，即含氧型无毒高能云爆剂。
本发明还提供了聚甲氧基二烷基醚在制备含氧型无毒高能云爆剂中的应用；优选地，以含氧型无毒高能云爆剂的原料总质量为100wt％计，所述聚甲氧基二烷基醚的含量为10wt％-80wt％，优选为25wt％-60wt％，更优选为30wt％-50wt％。
根据本发明的具体实施方案，优选地，本发明所采用的聚甲氧基二烷基醚为CnH2n+ 1O[CH2O]xCmH2m+1，其中，x为聚合度，n、m为碳数(烷基的碳数)；更优选地，x的取值范围为1-8，n的取值范围为1-10，m的取值范围为1-10。优选地，n和m选择相同的取值或不同的取值。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述聚甲氧基二烷基醚包括聚甲氧基二甲基醚、聚甲氧基二乙基醚、聚甲氧基二丙基醚、聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二戊基醚、聚甲氧基二己基醚、聚甲氧基二庚基醚、聚甲氧基二辛基醚、聚甲氧基二壬基醚、聚甲氧基二癸基醚等中的一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，优选地，所述聚甲氧基二烷基醚为聚合度1到8的聚甲氧基二烷基醚中的一种或两种以上的组合，例如6种不同聚合度的聚甲氧基二烷基醚的组合。聚甲氧基二烷基醚可根据需要用常减压精馏装置提取不同单一聚合度或任意切割不同连续长度的聚合物段的聚甲氧基二烷基醚，比如聚合度为2的聚甲氧基二甲醚、聚合度为3-5的聚甲氧基二丁基醚的混合物、聚合度为5-8的聚甲氧基二庚基醚的混合物、聚合度为3到5的聚甲氧基二甲醚的混合物、或者，聚合度为1-6的聚甲氧基二丁基醚的混合物等；其中，聚合度为3-5的聚甲氧基二甲醚的混合物可以包括：聚合度为3的聚甲氧基二甲醚50wt％、聚合度为4的聚甲氧基二甲醚30wt％、聚合度为5的聚甲氧基二甲醚20wt％；聚合度为1-6的聚甲氧基二丁基醚的混合物可以包括：聚合度为1的聚甲氧基二丁基醚50wt％、聚合度为2的聚甲氧基二丁基醚30wt％、聚合度为3的聚甲氧基二丁基醚10wt％、聚合度为4的聚甲氧基二丁基醚5wt％、聚合度为5的聚甲氧基二丁基醚3wt％、聚合度为6的聚甲氧基二丁基醚2wt％。
本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂是一种性能优异的云爆剂，能有效缓解爆炸抛撒时云雾分散不均匀的问题，提高云雾扩散的直径，有效增加云雾爆轰面积，增加威力效用。
本发明的云爆剂的主要成分为聚甲氧基二烷基醚，同时还可以添加有助燃剂，其中，聚甲氧基二烷基醚是一种无毒绿色化燃料，相对于传统乙醚云爆剂来说，本发明的云爆剂是一种无毒高能云爆剂，符合近些年云爆弹的绿色化发展趋势。
本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂具有比现有云爆剂更加宽广的云雾扩散范围、更快的云雾传播速度，云爆剂燃烧更充分、能量释放更完全，同时还具有无毒高能的优点。
附图说明
图1为试验场地布置示意图。
主要附图标号说明：
1试验样品、2引爆器、3地面、4红外热成像仪、5高速摄像机、6数据采集仪、7压力传感器
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
爆炸压力测试及热辐射测试方法：
将云爆剂试验样品1存储于1L的聚四氟乙烯圆柱形容器中，圆柱形容器中心装有由8#电雷管引燃的中心炸药(18g RDX炸药)，整体形成一个简易的FAE弹体，其中，点火延迟时间为40ms。二次起爆药柱为160g TNT炸药，由8#电雷管引爆，点火延迟时间为40ms。
将FAE弹体放置在架子上，架子固定在地面3上，保持平稳，FAE弹体中心距离地面1.25m。以FAE弹体的壳体中心位置为爆心，炸高为1.25m，二次起爆器与爆心处于同一水平面且两者距离为1.5m，这么做是为了保证燃料可以在各个方向上不受约束地抛撒。
试验场地布置如图1所示：中心离地面1.25m，炸高为1.25m，二次起爆距离中心1.5m；带有雷管的起爆药柱接在壳体中心管内，连接好起爆线、引爆器2，同步仪是在引爆时连接的，通过设置一个时间差以保证在燃料抛撒均匀后引爆云雾。在爆心下方布置压力传感器7。在水平方向距爆心20m处布置试验所用高速录像机5、红外热成像仪4。
具体地，选择6个测试点，分别距炸药中心到地面的投影点为1m、2m、3m、4m、5m和6m，采用地面超压传感器对爆炸场冲击波参数进行测定。
具体地，整个爆炸过程采用红外热成像仪(ROTRIC A615，30帧/秒)对其爆炸温度进行测定，记录实验过程并采集试验样品爆炸火球表面最高温度及高温持续时间数据。数据采集仪6与各个仪器连接，用于收集实验数据。
实施例1
本实施例提供了一种含氧型无毒高能云爆剂，其原料组成包括：聚甲氧基二丁基醚460g、金属铝粉368g、硝酸异丙酯172g，总重1000g。
聚甲氧基二丁基醚的结构式为C4H9O[CH2O]xC4H9，本实施例1采用的聚甲氧基二丁基醚为聚合度为1-6的聚甲氧基二丁基醚的混合物，包括：x＝1的聚甲氧基二丁基醚50wt％、x＝2的聚甲氧基二丁基醚30wt％、x＝3的聚甲氧基二丁基醚10wt％、x＝4的聚甲氧基二丁基醚5wt％、x＝5的聚甲氧基二丁基醚3wt％、x＝6的聚甲氧基二丁基醚2wt％。
该含氧型无毒高能云爆剂的制备过程如下：
将聚甲氧基二丁基醚放置于2L干净的烧杯中，加入硝酸异丙酯，搅拌均匀，再加入金属铝粉搅拌均匀，得到含氧型无毒高能云爆剂。
爆炸压力与热辐射测试：
将含氧型无毒高能云爆剂作为试验样品1000g存放于圆柱形壳体内，中心分散药为18g RDX炸药，由8#电雷管引爆，点火延迟时间为40ms。二次起爆药柱为160g TNT炸药，由8#电雷管引爆，点火延迟时间为40ms。云爆弹弹体与二次起爆药柱均距离地面1.25m，且两者之间的水平距离为1.5m。定义弹体投影于地面的几何中心为爆心，6个地面超压传感器距离爆心的距离分别为1m、2m、3m、4m、5m和6m。压力数据采集系统、高速录像机(Fastcam MiniUX100，2000帧/秒)用来记录实验过程并采集相应数据，表1-1为试验样品的爆炸压力数据。
表1-1试验样品的爆炸压力数据
1m/kPa
2m/kPa
3m/kPa
4m/kPa
5m/kPa
6m/kPa
平均峰值压力/kPa
实施例1
166.73
132.04
67.50
48.26
29.44
22.82
77.72
红外热成像仪(ROTRIC A615，30帧/秒)用来记录实验过程并采集相应数据，表1-2为试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间。
表1-2试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间
高速录像机(Fastcam Mini UX100，2000帧/秒)用来记录实验过程并采集相应数据，表1-3为试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据。
表1-3试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据
实施例2
本实施例提供了一种含氧型无毒高能云爆剂，其原料组成包括：聚甲氧基二甲基醚(n＝2)460g、金属铝粉368g、硝酸异丙酯172g。
该含氧型无毒高能云爆剂的制备过程以及爆炸压力与热辐射测试方法同实施例1。表2-1为试验样品的爆炸压力数据，表2-2为试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间，表2-3为试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据。
表2-1试验样品的爆炸压力数据
表2-2试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间
表2-3试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据
实施例3
本实施例提供了一种含氧型无毒高能云爆剂，其原料组成包括：聚甲氧基二甲基醚(x＝3-5)460g、金属铝粉368g、硝酸异丙酯172g；
其中，聚甲氧基二甲基醚(x＝3-5)是采用常减压精馏装置将聚甲氧基二甲基醚提取出聚合度为3至5的成分，包括：x＝3的聚甲氧基二甲醚50wt％、x＝4的聚甲氧基二甲醚30wt％、x＝5的聚甲氧基二甲醚20wt％。
该含氧型无毒高能云爆剂的制备过程以及爆炸压力与热辐射测试方法同实施例1。表3-1为试验样品的爆炸压力数据，表3-2为试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间，表3-3为试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据。
表3-1试验样品的爆炸压力数据
表3-2试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间
表3-3试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据
对比例1
本对比例提供了一组空白对比，乙醚型云爆剂，其原料组成包括：乙醚1000g。
该组空白对比，乙醚型云爆剂的制备过程以及爆炸压力与热辐射测试方法同实施例1。表4-1为试验样品的爆炸压力数据，表4-2为试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间，表4-3为试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据。
表4-1试验样品的爆炸压力数据
表4-2试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间
表4-3试验样品在相同驱动能量下各时刻的云雾直径和体积数据
对比例2
本对比例提供了五组空白含氧燃料，即未添加高能添加剂的含氧燃料，包括：实施例1的聚合度x＝1-6的聚甲氧基二丁基醚、实施例2的聚合度x＝2的聚甲氧基二甲醚、实施例3的聚合度x＝3-5的聚甲氧基二甲醚、正丁醇、仲丁醇。
本对比例对五组空白含氧燃料进行对比，无高能添加剂的含氧型无毒高能云爆剂的制备过程以及爆炸压力与热辐射测试方法同实施例1，其中，测试过程中的燃料用量为1L。表5-1为试验样品的爆炸压力数据，表5-2为试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间。
表5-1试验样品的爆炸压力数据
表5-2试验样品的爆炸火球表面最高温度及高温持续时间
根据上述实验数据可以看出：在相同实验条件下，与对比例1中的典型空白样品乙醚的爆炸平均峰值压力49.24kPa相比较，实施例1、实施例2、实施例3的爆炸平均峰值压力依次为77.72kPa、83.71kPa、83.75kPa，相比于对比例1，依次提高了57.8％、70.0％、70.1％。在相同实验条件下，与对比例1中的典型空白样品乙醚的爆炸火球表面最高温度1111.3℃相比较，实施例1、实施例2、实施例3的爆炸火球表面最高温度依次为1524.8℃、1355.2℃、1447.6℃，相比于对比例1，实施例1、实施例2、实施例3依次提高了37.2％、21.9％、30.3％；这些数据表明：相比乙醚云爆剂，本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂的压力场和温度场均有显著提高，有效增加了爆炸场威力效用，这归因于含氧型无毒高能云爆剂自身结构中含有氧元素，可与空气中氧元素更加充分接触，使本发明的含氧型无毒高能云爆剂燃烧更充分、能量释放更完全。
在相同实验条件下，在50ms时，与对比例1中的典型空白样品乙醚的云雾直径338cm，稳定云雾高度102cm，云雾体积9.15m3相比较，实施例1、实施例2、实施例3的稳定云雾高度依次为107cm、105cm、101cm，相比于对比例1，稳定云雾高度变化不大；但是，实施例1、实施例2、实施例3的云雾直径依次为373cm、385cm、428cm，相比于对比例1，依次提高了10.4％、10.9％、26.6％；实施例1、实施例2、实施例3的云雾体积依次为11.69m3、12.22m3、14.52m3，相比于对比例1，依次提高了27.7％、33.5％、58.7％；这些数据表明：相比乙醚云爆剂，本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂有效提高了云雾扩散的直径，有效增加了云雾扩散体积，并在相同时间内具有更快的云雾传播速度，亦增加了云雾爆轰面积。
在相同实验条件下，聚甲氧基二烷基醚在各个距离的爆炸压力以及平均峰值压力基本都优于正丁醇、仲丁醇。
在相同实验条件下，与对比例2中无高能添加剂的含氧型空白样品相比：实施例1的爆炸平均峰值压力为77.72kPa，相较于聚甲氧基二丁基醚(x＝1-6)的爆炸平均压力65.93kPa，实施例1的爆炸平均峰值压力提高了17.9％；实施例2的爆炸平均峰值压力为83.71kPa，相较于聚甲氧基二甲基醚(x＝2)的爆炸平均压力69.18kPa，实施例2的爆炸平均峰值压力提高了21.0％；实施例3的爆炸平均峰值压力为83.75kPa，相较于聚甲氧基二甲基醚(x＝3-5)的爆炸平均压力73.48kPa，实施例3的爆炸平均峰值压力提高了14.0％；在相同实验条件下，与对比例2中无高能添加剂的含氧型空白样品相比：实施例1的爆炸火球表面最高温度为1524.8℃，相较于聚甲氧基二丁基醚(x＝1-6)的爆炸火球表面最高温度1070.8℃，实施例1的爆炸火球表面最高温度提高了42.4％；实施例2的爆炸火球表面最高温度为1355.2℃，相较于聚甲氧基二甲基醚(x＝2)的爆炸火球表面最高温度1142.1℃，实施例2的爆炸火球表面最高温度提高了18.7％；实施例3的爆炸火球表面最高温度为1447.6℃，相较于聚甲氧基二甲基醚(x＝3-5)的爆炸火球表面最高温度为971.4℃，实施例3的爆炸火球表面最高温度提高了49.0％；这些数据表明：相比无高能添加剂的含氧型空白云爆剂，本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂的压力场和温度场均有显著提高，有效增加了爆炸场威力效用。
综上所述，本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂是一种性能优异的云爆剂，能有效缓解爆炸抛撒时云雾分散不均匀的问题，提高云雾扩散的直径，有效增加云雾爆轰面积，增加威力效用。本发明所提供的含氧型无毒高能云爆剂具有比现有云爆剂更加宽广的云雾扩散范围、更快的云雾传播速度，云爆剂燃烧更充分、能量释放更完全。
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