<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />Ottimizzazioni di esplosivi ad alta energia utilizzando JMP
Edward D. Cooke, Eric R. Beckel, Paul E. Anderson, Alexander J. Paraskos
Sezione di ricerca sugli esplosivi, ARDEC dell'esercito americano
Arsenale Picatinny, NJ 07806
19 settembre 2016
Astratto
La ricerca e lo sviluppo di esplosivi è un equilibrio costante di compromessi tra la produzione di energia esplosiva e la sensibilità del materiale.Una soluzione per ottimizzare una formulazione per le massime prestazioni con la minima sensibilità è la ripartizione dell'energia, in cui vengono utilizzati materiali leganti energetici non cristallini per ridurre la concentrazione di ingredienti esplosivi cristallini altamente sensibili.Per questo motivo, è stato considerato un sistema di leganti a indurimento per colata contenente un nuovo prepolimero energetico per sostituire i leganti inerti delle formulazioni precedenti.Per incorporare e testare il nuovo ingrediente sono stati eseguiti due tipi di ottimizzazioni statistiche. In primo luogo, i componenti del legante e la chimica di polimerizzazione sono stati ottimizzati mediante un disegno fattoriale che includeva fattori continui e categorici.In secondo luogo, è stato creato un progetto di miscela di esperimenti per determinare i rapporti ottimali degli ingredienti in grado di soddisfare e superare le prestazioni di un esplosivo di cura del cast tradizionale. I calcoli termochimici sono stati utilizzati per popolare una serie di risposte di prestazioni esplosive al fine di creare modelli in grado di prevedere le caratteristiche teoriche della formulazione. Le ottimizzazioni sia del legante che della formulazione sono state analizzate utilizzando varie funzionalità di JMP per bilanciare i compromessi e visualizzare lo spazio di progettazione funzionante.Questa presentazione coprirà lo sfondo delle formulazioni esplosive per la cura del cast oltre alle ottimizzazioni della formulazione di leganti ed esplosivi che utilizzano i profilatori JMP.
introduzione
La necessità dell'esercito di un esplosivo per la cura del lancio con prestazioni superiori e sensibilità ridotta non è mai stata così grande.I progetti di armi all'avanguardia richiedono costantemente l'implementazione di elettronica aggiuntiva e sistemi di propulsione a lungo raggio; entrambi i requisiti portano a uno spazio ridotto per le testate esplosive.Tuttavia, requisiti separati richiedono anche che gli esplosivi a volume ridotto forniscano la stessa energia sul bersaglio e rimangano insensibili a stimoli non intenzionali come essere colpiti da un proiettile vagante o bloccati in un incendio 1 . Questa serie di requisiti è naturalmente fonte di confusione e rende la progettazione di nuovi esplosivi un atto di equilibrio.Fortunatamente, attraverso l'uso di vari progetti sperimentali, i ricercatori dell'esercito hanno iniziato a sviluppare una soluzione molto promettente a tutti questi problemi.Attraverso due progetti separati di esperimenti (DoX) è stato realizzato un esplosivo cast cure con prestazioni migliorate e misure di sensibilità.
La prima progettazione degli esperimenti si è concentrata sull'ottimizzazione dei parametri associati al sistema legante.Quasi tutti gli esplosivi a testata richiedono almeno due componenti chiave: un esplosivo solido cristallino e un sistema legante per tenere insieme i cristalli formando un esplosivo consolidato e altamente denso 2 . Questo sistema legante è tradizionalmente di natura polimerica.In un esplosivo polimerizzato fuso, avviene una reazione chimica all'interno del sistema legante dopo che il materiale è stato caricato nell'involucro previsto per generare un'impalcatura polimerica.La chimica di cura più tradizionale utilizzata è il legame dell'uretano.I legami uretanici uniscono un prepolimero a terminazione alcolica con un isocianato multifunzionale in una reazione chimica covalente che fa sì che un legante liquido indurisca permanentemente in una consistenza solida e gommosa.Gli ingredienti solidi e cristallini come le nitrammine possono essere aggiunti a questo legante liquido prima del completamento dell'indurimento, creando una pasta fluida che può essere caricata in qualsiasi involucro desiderato 3 . Con l'intenzione di creare un esplosivo cast cure ad alta energia e bassa sensibilità, il prepolimero utilizzato in questo sforzo era un materiale energetico con la consistenza del miele 4 .Per trasformare questo prepolimero appiccicoso e viscoso in un liquido scorrevole, è stato aggiunto un plastificante.Questa piccola molecola non reattiva si comporta come un plastificante tradizionale, nel senso che abbassa la viscosità del prepolimero e mantiene una consistenza di gomma flessibile dopo la polimerizzazione.Inoltre, come il prepolimero, anche il plastificante scelto per questo sforzo era un materiale energetico.
Nonostante la natura energetica degli ingredienti del legante, il potere esplosivo della gomma risultante non è sufficiente per applicazioni ad alta energia.Incorporando polveri di nitrammina cristallina, le prestazioni esplosive della formulazione possono essere aumentate a livelli desiderabili.Tuttavia, l'introduzione di nitrammine cristalline aumenta la sensibilità. Seguendo il concetto di ripartizione dell'energia, la formulazione può sfruttare l'energia esplosiva del sistema legante mentre il livello di carico di nitrammina è significativamente ridotto.Ciò si traduce in un esplosivo insensibile, meccanicamente robusto che fornisce ancora la potenza esplosiva desiderata.A questo punto dello sviluppo, è stata chiamata una miscela DoX per iniziare a modellare e prevedere lo spazio commerciale associato ai vari ingredienti della formulazione.Poiché il prepolimero è difficile e costoso da produrre, sono stati utilizzati calcoli termochimici per creare misure prestazionali previste per ciascuna delle combinazioni di progettazione della miscela.Alla fine, è stata realizzata una piena comprensione dei singoli componenti del legante e dei componenti della miscela, che è stata utilizzata per guidare la selezione di formulazioni degne di test sugli esplosivi.
Sperimentale:
Binder Factorial DoX:
Al fine di ridurre la quantità di materiale consumato durante gli esperimenti di ottimizzazione del legante, è stata utilizzata una progettazione fattoriale completa degli esperimenti per guidare le quantità di miscela.Tre fattori sono stati integrati nel design; uno categorico e due continui.Il fattore categorico era il tipo di isocianato in cui venivano impiegati due diversi materiali.Entrambi i materiali sono stati ricevuti da Bayer Material Science e utilizzati come ricevuti. I fattori continui erano il rapporto tra plastificante e polimero (P l o ) che variava da 1:1 a 2:1, e la quantità di isocianato espressa come rapporto tra isocianato e alcool (rapporto NCO:OH) che variava da 0,85 a 1,15 con un punto centrale a 1,00.Lo spazio di progettazione risultante ha richiesto la creazione e l'analisi di 12 diversi mix (Figura 1, Tabella 1).Le miscele manuali su piccola scala sono state miscelate fino all'uniformità, degassate con un miscelatore rapido e analizzate per la viscosità su un Malvern Kinexus Rheometer. Le misurazioni della reometria sono state effettuate a 50 o C con una semplice rampa di velocità da zero a duecento s -1 oltre cinque minuti con il punto di viscosità minimo registrato come risposta a punto singolo.I materiali rimanenti sono stati polimerizzati in 60 o C forno durante la notte.Gli stock di gomma risultanti sono stati analizzati per la durezza mediante l'uso di un sistema di classificazione forzata che ha segnato la loro durezza numericamente l'uno rispetto all'altro.
Figura 1. Progettazione fattoriale di esperimenti per l'ottimizzazione del legante
Formulazione Miscela DoX:
Con il software JMP è stato creato un progetto di miscele di esperimenti in modo da modellare le prestazioni della formulazione esplosiva in via di sviluppo.I componenti della miscela erano esplosivo (nitramina), legante e additivo con i parametri della miscela che variavano rispettivamente dal 50-90%, 10-50% e 0-30% in peso.Le interazioni del secondo ordine e un punto centrale sono state integrate nel progetto, risultando in un DOE di 12 corse (Figura 2).Queste 12 formulazioni teoriche sono state inserite in un codice termochimico.Le risposte acquisite per ciascuna formulazione includevano la densità, la pressione, la temperatura, lo shock, l'espansione e l'energia (Tabella 2).L'analisi di regressione dei minimi quadrati è stata impiegata per creare modelli dei dati di risposta. Sono state inoltre create tre formulazioni di verifica (tabella 3), eseguite nel codice e confrontate con i valori previsti dal modello per testare la validità del modello.
Figura 2. Grafico ternario dello spazio di progettazione della miscela con punti neri che indicano i punti di progettazione iniziali e punti rossi che indicano le esecuzioni di verifica.
Risultati:
Risultati raccoglitore:
Tabella 1. Valori minimi di viscosità e durezza forzata
Livello di isocianato | Pl:Po | Tipo di isocianato | Viscosità (Pa*s) | Punteggio di durezza |
- 1.00
| 2 | N-3300 | - 0.04138
| 18 |
- 1.00
| 2 | N-100 | - 0.04632
| 8 |
- 1.15
| 2 | N-3300 | - 0.04263
| 26 |
- 1.15
| 1 | N-3300 | - 0.13540
| 70 |
- 0,85
| 2 | N-100 | - 0.04420
| 1 |
- 1.00
| 1 | N-3300 | - 0.13030
| 52 |
- 1.00
| 1 | N-100 | - 0.12870
| 53 |
- 0,85
| 2 | N-3300 | - 0.04251
| 1 |
- 1.15
| 1 | N-100 | - 0.13170
| 67 |
- 0,85
| 1 | N-100 | - 0.13790
| 40 |
- 1.15
| 2 | N-100 | - 0.04354
| 26 |
- 0,85
| 1 | N-3300 | - 0.13320
| 40 |
Risultati della formulazione:
Tavolo 2. Dati di risposta del calcolo termochimico su ciascuna corsa DOE della miscela (normalizzata).
Correre # | Densità | Pressione | Temperatura | Shock | Espansione | Energia |
1 | - 0,788961
- 0,6853
- 0,6486
- 0,859
| -1.00 | -1.000 |
2 | - 0.895428
- 0,7664
- 0,7661
- 0,891
| -1.33 | -1.4693 |
3 | - 0.847407
- 0,7897
- 0,6533
- 0,923
| -1.16 | -1.1372 |
4 | - 1.00000
- 0,6902
- 1.000
- 0,842
| -1.23 | -2.5771 |
5 | - 0,877749
- 0,6670
- 0,8068
- 0,835
| -1.25 | -1.529 |
6 | - 0,788961
- 0,6853
- 0,6486
- 0,859
| -1.00 | -1.000 |
7 | - 0.958121
- 0,6107
- 0,9735
- 0,801
| -1.13 | -2.4434 |
8 | - 0.915201
- 1.000
- 0,6531
- 1.00
| -1.37 | -1.3025 |
9 | - 0.955723
- 0,8743
- 0,8288
- 0,933
| -1.49 | -1,6973 |
10 | - 0.915201
- 1.000
- 0,6531
- 1.00
| -1.37 | -1.3025 |
11 | - 0.847407
- 0,7897
- 0,6533
- 0,923
| -1.16 | -1.1372 |
12 | - 1.00000
- 0,6902
- 1.000
- 0,842
| -1.23 | -2.5771 |
Tabella 3. Dati di risposta del calcolo termochimico rispetto alle risposte del modello di previsione dalla progettazione di esperimenti per formulazioni di verifica (normalizzate).
Esecuzione di verifica n. | Densità | Pressione | Temperatura | Shock | Espansione | Energia |
1 Calc | - 0,9079
- 0,9752
- 0,6539
- 0,992
| -1.34 | -1.2845 |
1 Previsione del modello | - 0,9079
- 0,9742
- 0,6545
- 0,992
| -1.34 | -1.2868 |
2 Calc | - 0,8290
- 0,7409
- 0,6505
- 0,902
| -1.11 | -1.0934 |
2 Previsione del modello | - 0,8289
- 0,7455
- 0,6506
- 0,902
| -1.11 | -1.0957 |
3 Calc | - 0,9418
- 0.9204
- 0,7761
- 0,956
| -1.47 | -1.5582 |
3 Predizione del modello | - 0,9419
- 0.9218
- 0,7696
- 0,958
| -1.48 | -1.5329 |
Tabella 4: Risultati del test di sensibilità su piccola scala.
Formulazione | ERL Impatto (cm) | Attrito BAM (N) |
56% nitramina | >100 | >360 |
88% nitramina | - 42.2
| 324 |
RDX CL 1 | - 24.2
| 160 |
Linea di base legacy | 32 | n / a |
Discussione:
Un sistema legante ottimizzato contenente un prepolimero energetico, un plastificante energetico e un isocianato è stato costruito attraverso l'uso di un disegno fattoriale completo degli esperimenti.Questo particolare design è stato scelto per i tipi di fattori e risposte disponibili con questo materiale.Poiché il contenuto di isocianato è un rapporto calcolato rispetto alla quantità di polimero utilizzato, non è stato possibile utilizzare una miscela DoX.Una DoX fattoriale frazionaria avrebbe comportato un numero ridotto di corse, ma avrebbe confuso i principali effetti osservati nelle risposte.Eseguendo un disegno fattoriale completo, tutti gli effetti principali sono stati realizzati in modo lineare.Se le risposte di durezza e viscosità sono, infatti, non linearmente correlate con i fattori, è necessaria un'ulteriore sperimentazione per risolvere la curvatura. I valori per ciascun fattore sono stati guidati dai valori di formulazione precedenti.I fattori sono stati selezionati in base all'esperienza precedente con tipi simili di leganti cast cure: il rapporto tra plastificante e polimero (P l o ), la quantità di isocianato e il tipo di isocianato.Il p l o è il fattore più importante tra questi tre. Se il rapporto è troppo basso, la viscosità della miscela sarà troppo alta e la gomma risultante sarà troppo fragile. Se il rapporto è troppo alto, la gomma mancherà di integrità meccanica e c'è il rischio che nel tempo possa trasudare plastificante in eccesso.Anche la quantità di isocianato è fondamentale poiché un legante poco polimerizzato con troppo poco isocianato non raggiungerà mai uno stato gommoso.Tuttavia, un legante troppo indurito può diventare fragile o l'isocianato in eccesso può reagire con altre specie per produrre sottoprodotti dannosi.I due tipi di isocianati considerati in questo lavoro differivano molto poco per quanto riguarda la chimica, ma avevano viscosità differenti, influenzando potenzialmente le viscosità della miscela finale.
La selezione dei costituenti ottimali del legante è stata ottenuta attraverso un'analisi di regressione ai minimi quadrati dei dati risultanti seguita da un'analisi di compromesso volta a determinare un prodotto solido (durezza) con viscosità minima per facilitare l'elaborazione della formulazione finale.In primo luogo, il punteggio di durezza minimo è stato scelto pari a 55 in base alle osservazioni dell'integrità meccanica delle scorte di gomma risultanti.Qualsiasi cosa più morbida risulterebbe in una formulazione meccanicamente debole.Con quella risposta vincolata, la massimizzazione della durezza è stata ottenuta più facilmente impostando il livello di isocianato a 1,15 perché la quantità di isocianato ha influenzato solo la durezza e non ha avuto alcun effetto sulla viscosità.Questa impostazione è stata limitata a 1,15 in modo da evitare gli effetti dannosi precedentemente menzionati dell'isocianato in eccesso nonostante l'indicazione del modello che l'isocianato aggiuntivo avrebbe portato a una gomma più forte.Mantenendo il valore di durezza costante al minimo di 55 e il livello di isocianato a 1,15, sono stati selezionati altri fattori per ridurre al minimo la viscosità.Come dimostrato dal profilatore JMP (Figura 3) il tipo di isocianato ha avuto scarso effetto sulla viscosità, ma l'effetto di P l o era significativo.Di conseguenza, N-3300 è stato scelto per la facilità di elaborazione con scarso effetto sulla formulazione e un P l o di 1,33; il massimo p l o che potrebbe essere utilizzato senza abbassare la durezza al di sotto di 55.
Figura 3. JMP Profiler modella le risposte di durezza e viscosità rispetto a tutti e tre i fattori nella DoX di ottimizzazione del legante.
L'ottimizzazione del contenuto di nitramina solida nella formulazione è stata eseguita attraverso una combinazione di una miscela DoX e calcoli termochimici.Le prestazioni calcolate sono state utilizzate per popolare le risposte per ciascuna delle formulazioni DoX teoriche.L'analisi di regressione dei minimi quadrati applicata a tali risposte ha portato a equazioni best fit in grado di prevedere le prestazioni di qualsiasi formulazione creata all'interno dello spazio di progettazione.Nella creazione di ciascuno dei rispettivi modelli sono stati considerati solo fattori statisticamente rilevanti.Sono state create e utilizzate per verificare i modelli tre formulazioni che variavano nella composizione rispetto alle corse DoX.Un confronto tra le risposte del modello e le risposte calcolate termochimicamente può essere trovato nella Tabella 3. È stato subito evidente che tutti i modelli di risposta erano estremamente accurati.Le previsioni variano dai calcoli termochimici con meno del 2% di errore, convalidando così i modelli.Poiché l'obiettivo principale di questo progetto era quello di creare una formulazione le cui prestazioni e sensibilità fossero superiori agli esplosivi esistenti, le risposte calcolate per una linea di base esistente contenente l'88% di nitramina sono state utilizzate per stabilire i limiti all'interno dello spazio di progettazione.La sovrapposizione dei modelli di previsione e i limiti successivamente stabiliti sul grafico ternario dello spazio di progettazione sono visibili nella Figura 4.Le varie combinazioni di colori corrispondono alle diverse risposte. Qualsiasi regione non ombreggiata all'interno dello spazio di progettazione rappresentava una possibile combinazione di formulazione che avrebbe superato la linea di base.
Figura 4. Grafico ternario dello spazio di progettazione della miscela con modelli di risposta sovrapposti e limiti che stabiliscono le metriche delle prestazioni di base.
Un diverso profiler della miscela ha mostrato direttamente gli effetti dell'alterazione delle quantità degli ingredienti all'interno dei confini della miscela; cioè sommando sempre a uno. È possibile creare qualsiasi formulazione all'interno dello spazio di progettazione e prevedere contemporaneamente tutte le metriche delle prestazioni.Modificando i valori della formulazione nel profiler per corrispondere ai limiti delle metriche di base, è stata dedotta una formulazione target iniziale.La Figura 5 mostra che ogni misura di prestazione per la linea di base può essere soddisfatta o superata con una formulazione che contiene il 65% di nitramina esplosiva e il 35% di legante.Con l'intenzione di fissare i limiti prestazionali di questo spazio di progettazione, quella formulazione e una formulazione con esplosivo alla nitramina all'88% sono state prese in considerazione per test futuri.Ciò fornirà una formulazione di legante di sostituzione diretta "drop in" nonché una formulazione isoenergetica da confrontare con la linea di base.L'inclusione dell'"additivo" è stata eliminata fin dai primi tentativi di formulazione per attribuire con sicurezza tutte le misure di energia e sensibilità all'inclusione del prepolimero energetico nel sistema legante.
Figura 5. Profiler della miscela JMP con la formulazione target identificata rispetto alla formulazione di riferimento precedente.
Le formulazioni preliminari sono state miscelate su piccola scala in base a entrambi i reggilibri dello spazio di progettazione ei risultati possono essere trovati nella Tabella 4. Entrambe le formulazioni hanno mostrato una sensibilità superiore a uno standard RDX di classe 1. Tuttavia, il confronto più importante è tra le due formulazioni fermalibri.I risultati del test hanno indicato che, nonostante i calcoli delle prestazioni isoenergetiche, la sensibilità della formulazione di nitramina al 65% è superiore all'esplosivo legacy di base.Per il prossimo futuro sono previsti dispositivi di prova per varie misurazioni di prestazioni e sensibilità esplosive determinate sperimentalmente.I risultati dei test delle prestazioni verificheranno i calcoli termochimici e le previsioni del modello.I test di sensibilità di queste formulazioni e di altre contenenti ingredienti simili inizieranno a stabilire un modello empirico in grado di prevedere lo spazio commerciale di sensibilità specifico di questi materiali.Ulteriori formulazioni contenenti l'additivo saranno quindi perseguite per realizzare appieno l'intero potenziale dello spazio di progettazione della formulazione.
Sommario e conclusioni
Attraverso una progettazione fattoriale di esperimenti è stato creato un sistema di legante per indurimento fuso contenente un nuovo prepolimero energetico.La durezza e la viscosità del sistema legante puro sono state ottimizzate mediante un'analisi del compromesso con un profilatore JMP.I calcoli termochimici delle prestazioni per le formulazioni contenenti il nuovo legante sono stati utilizzati per compilare le risposte per una miscela DoX risultando in due formulazioni fermalibro da sottoporre a test.La formulazione del fermalibro basso soddisfa le misure prestazionali della formulazione tradizionale con solo il 65% di nitramina e il fermalibro alto fornisce un confronto di sostituzione diretta del legante con l'88% di nitramina.I risultati iniziali indicano che le prestazioni delle nuove formulazioni saranno superiori a quelle della linea di base, mostrando contemporaneamente una sensibilità migliorata.
Riferimenti:
1). Codice degli Stati Uniti, titolo 10, capitolo 141, sezione 2389.
2). Cooper, Paul W. Ingegneria degli esplosivi .ISBN: 978-0-471-18636-6
3). Daniele, m. Sistemi di leganti poliuretanici per esplosivi con legante polimerico. DSTO-GD-0492, dicembre 2006.
4). Provati, A. Polimeri energetici e plastificanti per formulazioni esplosive: una rassegna dei recenti progressi . DSTO-TR-0966, aprile 2000.
