多尺度含能微球连续化制备装置及方法

摘要

本发明属于含能材料领域，具体涉及一种管道连续流控辅助制备多尺度含能微球的装置及方法。管道连续流控辅助制备多尺度含能微球的装置由连续相流体控制单元、循环管路、炸药浆料注入单元；加热系统；壳体、控温装置、成品收集容器和三通接头组成。含能微球制备过程包括连续相流体的配制及预循环、炸药悬浮浆料的配制、炸药悬浮浆料的注入、含能微球在管道中固化成型和成品收集及后处理五个步骤。本发明将管道反应原理和水悬浮造粒工艺相结合，解决了传统釜式工艺无法连续化的弊端，可以实现微米量级至毫米量级多尺度造型粉微球颗粒的连续化制备，成品具有球形度高、流散性好和粒径分布窄等优点。

权利要求

1.一种多尺度含能微球连续化制备装置，其特征在于，连续相流体控制单元（1），循环管路（2），炸药浆料注入单元，加热系统（6），壳体（7），控温装置（8），成品收集容器（9）和三通接头（10）；所述的连续相流体控制单元（1）与循环管路（2）通过管道接头相连接，从成品收集容器（9）中吸取连续相流体，循环过后再泵入成品收集容器（9）以完成循环；部分的循环管路（2）呈连续折弯的形状，连续折弯部分的循环管路（2）外侧套设壳体（7），壳体（7）内壁一侧贴附安装有加热系统（6），并在壳体（7）上设置有控温装置（8），控温装置（8）用于控制加热系统的温度；所述炸药浆料注入单元通过三通接头（10）与连续折弯部分的循环管路（2）连通，且三通接头（10）位于壳体（7）内部的进液端；

所述炸药浆料注入单元为压力驱动流量控制器（3）、注射泵（4）以及微型蠕动泵（5）三种中的任一种；

所述连续相流体控制单元（1）主要由泵和接头组成，泵为蠕动泵、离心泵、齿轮泵或隔膜泵；所述循环管路（2），为硅胶管、聚四氟乙烯管、不锈钢管或玻璃管，管道内径2mm‑10mm，管路长度确保微球表面初步硬化成型，位于壳体（7）内部呈连续折弯形状的循环管路（2）部分的两个相邻平行管道间距在4 10cm之间，管路在弯折处通过U型弯管连接。

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2. 一种多尺度含能微球连续化制备方法，采用如权利要求1所述的多尺度含能微球连续化制备装置进行，其特征在于，包括以下步骤：S1连续相流体的配制及预循环

将计量好的表面活性剂和水溶性高分子溶于去离子水中，配制成连续相溶液，开启加热系统（6）使管路温度升至一定温度，并开启连续相流体控制单元（1）使流体在管路内以一定速度进行预循环；所述连续相溶液为高分子材料的水溶液，浓度为2% 5%；所述高分子材~料为聚乙烯醇；

S2炸药悬浮浆料的配制

将所需粘结剂溶于油相溶剂中，配制一定浓度的粘结剂溶液，将炸药颗粒分散于粘结剂的溶液中，配置成炸药悬浮浆料，将其加入到储液池或料筒中备用；所述的粘结剂为一种或数种可溶于油相溶剂的热塑性粘结剂，粘结剂溶液的浓度为1% 20%，炸药/粘结剂溶液质~量比为1/50 3/20；

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S3炸药悬浮浆料的注入

开启磁力搅拌或超声装置，使炸药悬浮浆料在储液池或料筒中均匀分散，各组分混合均匀；开启炸药浆料注入单元，设置压力、流量等参数，使炸药悬浮药浆以一定速率注入连续相循环管路（2）中；

S4含能微球在管道中固化成型

调节连续相流速至所需流速，炸药悬浮浆料液滴在管道中随连续相流体流动在管道中运动，在运动过程中溶剂从液滴中逐步析出，在管道连续相流体的作用下，粘结剂与炸药在悬浮状态下完成液固相转化形成含能微球；

S5成品收集及后处理

将步骤S4所得到的成品过滤、洗涤，放入烘箱烘干后即可得到含能微球成品。

3.根据权利要求2所述的多尺度含能微球连续化制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂HLB值为8 18，表面活性剂为聚氧乙烯脂肪醇醚表面活性剂的Tween系列和烷基糖苷化~合物中的至少一种；所述表面活性剂含量为连续相液体的1‑10%；所述的连续相流体加热温度为0 70℃。

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4.根据权利要求2所述的多尺度含能微球连续化制备方法，其特征在于，所述油相溶剂要求不溶于水，沸点低于100℃。

5.根据权利要求4所述的多尺度含能微球连续化制备方法，其特征在于，所述油相溶剂为乙酸乙酯或二氯甲烷，所述粘结剂为丙烯酸树脂、聚氨酯、酚醛树脂、丁苯橡胶、聚硫橡胶、氟橡胶和硝化棉中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的多尺度含能微球连续化制备方法，其特征在于，所述的连续相流体在管中的流动速度为60 200 ml/min，炸药悬浮浆料注入速度为0.01 0.5 ml/min，管~ ~路温度为20 90℃，烘箱干燥温度为40‑90℃。

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7.根据权利要求6所述的多尺度含能微球连续化制备方法，其特征在于，所述的连续相流体在管中的流动速度为90 120 ml/min；炸药悬浮浆料注入速度为0.05 0.2 ml/min。

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说明书

多尺度含能微球连续化制备装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于含能材料领域，具体涉及一种多尺度含能微球连续化制备装置及方法。

背景技术

[0002] 高聚物粘结炸药（PBX）是混合炸药的一种，它是指以一种或多种高能炸药为主体，加入高聚物粘结剂，同时可能含有增塑剂、钝感剂等功能型添加剂制成的一类炸药复合物。高聚物粘结炸药具有成型密度高、爆轰能量高、安定性和力学性能良好、药柱均匀、内部孔隙少，同时安全性能优异等特点，被广泛应用于武器装药。压装型PBX炸药是高聚物粘结炸药的一个典型品种，它的粘结剂一般选择固态高聚物，主要包括橡胶类、纤维素类、树脂聚合物，钝感剂主要选择石蜡、硬脂酸和石墨等。根据炸药和粘结剂的物理化学性质，可以通过水悬浮造粒、溶液悬浮造粒、糊状挤出造粒等方法将主体炸药和其它组分复合，制备成固态粒状的造型粉。水悬浮造粒法凭借工艺过程安全性高、操作简单等优点已经成为造型粉制备的最常用方法。这种造粒技术需要在密闭反应釜中进行，造型粉颗粒大小和形貌主要通过控制搅拌速度、温度和溶剂挥发速度进行调控。虽然水悬浮造粒工艺已经制备出多种造型粉颗粒，但在以下几个方面还有明显局限性：（1）工艺无法实现连续化；（2）造型粉粒度分布宽，一致性差，粒径难以调控；（3）造型粉球形度不高，流散性有进一步提升的空间。

发明内容

[0003] 本发明克服现有技术的不足，将管道反应和水悬浮造粒工艺相结合，提供一种多尺度含能微球连续化制备装置及方法。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种多尺度含能微球连续化制备装置，连续相流体控制单元，循环管路，炸药浆料注入单元，加热系统，壳体，控温装置，成品收集容器和三通接头；所述的连续相流体控制单元与循环管路通过管道接头相连接，从成品收集容器中吸取连续相流体，循环过后再泵入成品收集容器以完成循环；部分的循环管路呈连续折弯的形状，连续折弯部分的循环管路外侧套设壳体，壳体内壁一侧贴附安装有加热系统，并在壳体上设置有控温装置，控温装置用于控制加热系统的温度；所述炸药浆料注入单元通过三通接头与连续折弯部分的循环管路连通，且三通接头位于壳体内部的进液端。

[0005] 进一步的，所述炸药浆料注入单元为压力驱动流量控制器、注射泵以及微型蠕动泵三种中的任一种。

[0006] 进一步的，所述连续相流体控制单元主要由泵和接头组成，泵为蠕动泵、离心泵、齿轮泵或隔膜泵；所述循环管路，为硅胶管、聚四氟乙烯管、不锈钢管或玻璃管，管道内径2mm‑10mm，管路长度确保微球表面初步硬化成型，位于壳体内部呈连续折弯形状的循环管路部分的两个相邻平行管道间距在4 10cm之间，管路在弯折处通过U型弯管连接。
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[0007] 一种多尺度含能微球连续化制备方法，采用上述的多尺度含能微球连续化制备装置进行，包括以下步骤：

[0008] S1连续相流体的配制及预循环

[0009] 将计量好的表面活性剂和水溶性高分子溶于去离子水中，配制成连续相溶液，开启加热系统使管路温度升至一定温度，并开启连续相流体控制单元使流体在管路内以一定速度进行预循环；

[0010] S2炸药悬浮浆料的配制

[0011] 将所需粘结剂溶于油相溶剂中，配制一定浓度的粘结剂溶液，将炸药颗粒分散于粘结剂的溶液中，配置成炸药悬浮浆料，将其加入到储液池或料筒中备用；

[0012] S3炸药悬浮浆料的注入

[0013] 开启磁力搅拌或超声装置，使炸药悬浮浆料在储液池或料筒中均匀分散，各组分混合均匀；开启炸药浆料注入单元，设置压力、流量等参数，使炸药悬浮药浆以一定速率注入连续相循环管路中；

[0014] S4含能微球在管道中固化成型

[0015] 调节连续相流速至所需流速，炸药悬浮浆料液滴在管道中随连续相流体流动在管道中运动，在运动过程中溶剂从液滴中逐步析出，在管道连续相流体的作用下，粘结剂与炸药在悬浮状态下完成液固相转化形成含能微球；

[0016] S5成品收集及后处理

[0017] 将步骤S4所得到的成品过滤、洗涤，放入烘箱烘干后即可得到含能微球成品。

[0018] 进一步地，所述的表面活性剂HLB值为8 18，表面活性剂为聚氧乙烯脂肪醇醚表面~活性剂的Tween系列和烷基糖苷化合物中的至少一种；所述连续相溶液为高分子材料的水溶液，浓度为2% 5%，高分子材料要求能在水中溶解或溶胀，所述表面活性剂含量为连续相~
液体的1‑10%，优选地为2% 5%。
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[0019] 进一步地，所述的连续相流体加热温度为0 70℃，优选地为15‑50℃。~

[0020] 优选地，所述高分子材料包括但不限于聚乙烯醇或壳聚糖。

[0021] 进一步地，所述油相溶剂要求不溶于水，沸点低于100℃，所述的粘结剂为一种或数种可溶于油相溶剂的热塑性粘结剂，粘结剂溶液的浓度为1% 20%，优选地浓度为3‑10%；~
炸药/粘结剂溶液质量比为1/50 3/20，优选地为1/20。
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[0022] 优选地，所述油相溶剂包括但不限于乙酸乙酯或二氯甲烷，所述粘结剂包括但不限于丙烯酸树脂、聚氨酯、酚醛树脂、丁苯橡胶、聚硫橡胶、氟橡胶和硝化棉（NC）中的至少一种。

[0023] 进一步地，所述的连续相流体在管中的流动速度为60 200 ml/min，炸药悬浮浆料~注入速度为0.01 0.5 ml/min，管路温度为20 90℃，优选地为30 50℃；烘箱干燥温度为40‑~ ~ ~
90℃，优选地为50 70℃。
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[0024] 优选地，所述的连续相流体在管中的流动速度为90 120 ml/min；炸药悬浮浆料注~入速度为0.05 0.2 ml/min。
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[0025] 与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

[0026] （1）本发明将管道原理和水悬浮造粒工艺相结合，解决了传统釜式工艺无法连续化的弊端。此外，本发明所用管道的内径为毫米量级，能够有效解决微反应系统管道堵塞问题，通过工艺参数调控，可以实现微米量级至毫米量级多尺度造型粉微球颗粒的制备。

[0027] （2）本发明设计的管道连续流控装置可以精准控制分散相液滴体积、连续相流体流速、温度等工艺条件，保证了液滴的单分散性及组装成型环境的一致性，所制备造型粉颗粒具有球形度佳，粒径分布窄，均一性好等优点。

附图说明

[0028] 图1为本发明多尺度含能微球连续化制备装置的结构示意图。

[0029] 图2为实施例1制备的RDX@F2602@NC含能复合微球SEM图。

[0030] 图3为实施例1制备的RDX@F2602@NC含能复合微球粒径分布图。

[0031] 图4为实施例2制备的HMX@B‑GAP@NC含能复合微球SEM图。

[0032] 图5为实施例2制备的HMX@B‑GAP@NC含能复合微球粒径分布图。

[0033] 图6为实施例3制备的HNS@F2311@NC含能复合微球SEM图。

[0034] 图7为实施例3制备的HNS@F2311@NC含能复合微球粒径分布图。

[0035] 图中标记如下：

[0036] 1‑连续相流体控制单元，2‑循环管路，3‑压力驱动流量控制器，4‑注射泵，5‑微型蠕动泵，6‑加热系统，7‑壳体，8‑控温装置，9‑成品收集容器，10‑三通接头。

具体实施方式

[0037] 以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

[0038] 如图1所示，一种多尺度含能微球连续化制备装置，连续相流体控制单元1，循环管路2，炸药浆料注入单元，加热系统6，壳体7，控温装置8，成品收集容器9和三通接头10；所述的连续相流体控制单元1与循环管路2通过管道接头相连接，从成品收集容器9中吸取连续相流体，循环过后再泵入成品收集容器9以完成循环，其主要作用是控制流体在管路中的流速和流量；部分的循环管路2呈连续折弯的形状（类似于蛇形），连续折弯部分的循环管路2外侧套设壳体7，壳体7内壁一侧贴附安装有加热系统6，并在壳体7上设置有控温装置8，控温装置8用于控制加热系统的温度；所述炸药浆料注入单元通过三通接头10与连续折弯部分的循环管路2连通，且三通接头10位于壳体7内部的进液端。

[0039] 所述连续相流体控制单元1主要由泵和接头组成，泵的种类包括但不限于蠕动泵、离心泵、齿轮泵或隔膜泵；

[0040] 所述循环管路2包括但不限于硅胶管、聚四氟乙烯管、不锈钢管或玻璃管，管道内径2mm‑10mm，管路长度确保微球表面初步硬化成型，位于壳体7内部呈连续折弯形状的循环管路2部分的两个相邻平行管道间距在4 10cm之间，管路在弯折处通过U型弧度为Π弯管连~接。

[0041] 所述炸药浆料注入单元为压力驱动流量控制器3、注射泵4以及微型蠕动泵5三种中的任一种。

[0042] 所述的压力驱动流量控制器3是由储液池、压力驱动控制器、流量传感器、PTFE管组成，压力驱动控制器向储液池中泵入空气，使其内部气压升高，从而将储液池中的分散相压入PTFE管（细管内径为0.2 1.5mm）中，流经流量传感器后注入连续相，流量传感器将流量~数据反馈给压力驱动控制器，以达到调节流量的目的。

[0043] 所述的注射泵4在料筒外部配有超声装置，防止分散相中颗粒沉降。

[0044] 所述的微型蠕动泵5通过管道连接储液池，储液池中配有搅拌装置，防止分散相中颗粒沉降。

[0045] 所述的三通接头10与分散相输出部分连接方式如附图1所示，通过不同的连接方式可以实现不同液滴生成模态（T型模态或同轴模态）。

[0046] 所述的分散相（即炸药浆料）注入管口径为0.2 2mm可调。~

[0047] 采用上述装置制备如下实施例1‑实施例3的含能微球。

[0048] 实施例1

[0049] 一种管道连续流控辅助制备多尺度含能微球的装置及方法，制备黑索金（RDX）基造型粉微球，其组分含量为：氟橡胶（F2602）2.5wt.%，硝化棉（NC）2.5wt.%，RDX 95wt.%（5类）。

[0050] （1）连续相流体的配制及预循环

[0051] 将25ml吐温‑80和10gPVA（1788）溶于475ml去离子水中，开启蠕动泵使连续相在管道中进行预循环。

[0052] （2）炸药悬浮浆料的配制

[0053] 将0.075g F2602型和0.075g NC溶于9g的乙酸乙酯中，待完全溶解后加入2.85g的5类RDX，超声条件下使炸药颗粒均匀分散，在搅拌条件下将炸药药浆放入储药池中备用。

[0054] （3）炸药悬浮浆料的注入

[0055] 设置分散相注入速度为0.2ml/min，针头内径为0.84mm，开启磁力搅拌使分散相储液池中的转子以一定速率转动，开启压力流量驱动控制器将步骤（2）所配制的前驱液（分散相）注入已经预循环好的连续相。

[0056] （4）粘结剂/炸药颗粒组装固化成型

[0057] 调节连续相流量为112ml/min，步骤（3）所注入的分散相在管内形成单分散的均匀液滴，在管内运动过程中逐渐固化成球。

[0058] （5）成品收集及后处理

[0059] 将步骤（3）所得到的样品过筛，然后洗涤至无泡沫产生，放入烘箱干燥后即可得到复合含能微球。

[0060] 如附图2、3，所制得的RDX@F2602@NC含能复合微球是由炸药颗粒经粘结剂粘结形成的密实颗粒，球形度可达0.92，粒径分布在850 985μm之间，呈单峰分布，且流散性良好。~

[0061] 实施例2

[0062] 一种管道连续流控辅助制备多尺度含能微球的装置及方法，制备奥克托金（HMX）基含能复合微球，各组分质量百分数为：支链聚叠氮缩水甘油醚（B‑GAP） 2.5%，硝化棉（NC） 2.5%，主体炸药HMX粉末95%（中值粒径200nm）。

[0063] （1）连续相溶液的配制及预循环

[0064] 将25ml吐温‑80和10g 聚乙烯醇（PVA1788）溶于475ml去离子水中，开启蠕动泵进行连续相的预循环。

[0065] （2）纳米炸药颗粒的制备

[0066] 将10g 原料 HMX，200g锆珠，去离子水和酒精各50ml在球磨罐中混合，放入行星式球磨机，以转速360rpm球磨4小时，球磨结束后分离炸药悬浮液和锆珠，将炸药悬浮液抽滤后冷冻干燥，得到中值粒径200nm的炸药颗粒。

[0067] （3）前驱液（分散相）的配制

[0068] 将0.075g B‑GAP和0.075g NC溶于9g的乙酸乙酯中，待完全溶解后加入2.85g的纳米HMX，超声条件下使炸药颗粒均匀分散，在搅拌条件下将炸药药浆吸入针管中备用。

[0069] （4）炸药悬浮浆料的注入

[0070] 设置分散相注入速度为0.1ml/min，针头内径为0.84mm，开启料筒超声装置及注射泵将步骤（3）所配制的前驱液（分散相）注入已经预循环好的连续相。

[0071] （5）粘结剂/纳米炸药颗粒组装固化成型

[0072] 调节连续相流量至112ml/min，步骤（4）所注入的分散相在管内形成单分散的均匀液滴，在管内运动过程中逐渐固化成球。

[0073] （6）成品收集及后处理

[0074] 将步骤（4）所得到的成品过筛，然后洗涤至无泡沫产生，放入烘箱烘干后即可得到复合含能微球。

[0075] 从图4、5可以看出，所制备的HMX@B‑GAP@NC含能复合微球为粘结剂和超细HMX颗粒组成的密实颗粒，球形度可达0.91，粒径分布在575 655μm之间，呈单峰分布，且流散性良~好。

[0076] 实施例3

[0077] 一种管道连续流控辅助制备多尺度含能微球的装置及方法，制备六硝基茋（HNS）基含能复合微球，各组分质量百分数为：氟橡胶（F2311）2.5%，硝化棉（NC）2.5%，主体炸药HNS（中值粒径80nm）95%。

[0078] （1）连续相溶液的配制及预循环

[0079] 将25ml吐温‑80和10g聚乙烯醇（PVA1788）溶于475ml去离子水中，开启蠕动泵进行连续相的预循环。

[0080] （2）纳米炸药颗粒的制备

[0081] 将10g Ⅱ型HNS，200g锆珠，去离子水和酒精各50ml在球磨罐中混合，放入行星式球磨机，以转速360rpm球磨3小时，球磨结束后分离炸药悬浮液和锆珠，将炸药悬浮液抽滤后冷冻干燥，得到纳米尺度的炸药颗粒。

[0082] （3）前驱液（分散相）的配制

[0083] 将0.075g F2311和0.075g NC溶于9g的乙酸乙酯中，待完全溶解后加入2.85g的纳米HNS，超声条件下使炸药颗粒均匀分散，在搅拌条件下将炸药药浆放入储药池中备用。

[0084] （4）炸药悬浮浆料的注入

[0085] 设置分散相注入速度为0.02ml/min，针头内径为0.84mm，开启磁力搅拌使分散相储液池中的转子以一定速率转动，开启压力流量驱动控制器将步骤（3）所配制的前驱液（分散相）注入已经预循环好的连续相。

[0086] （5）粘结剂/纳米炸药颗粒组装固化成型

[0087] 调节连续相流量至96ml/min，步骤（4）所注入的分散相在管内形成单分散的均匀液滴，在管内运动过程中逐渐固化成球。

[0088] （6）成品收集及后处理

[0089] 将步骤（4）所得到的成品过筛，然后洗涤至无泡沫产生，放入烘箱烘干后即可得到HNS@F2311@NC复合含能微球。

[0090] 从图6、7可以看出，所制备HNS基含能微球是由粘结剂和HNS炸药颗粒组成的复合物，球形度为0.90，粒径分布在850 975μm之间，呈单峰分布，且具有良好的流散性。~