煙火藥劑用鋁粉鈍化實驗及性能研究

王 輝

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

煙火藥是一種特殊的含能材料。為了達到所要求的性能，煙火藥中經(jīng)常加入鋁粉等金屬粉。鋁粉的粒度、形狀和粘合劑的含量對煙火藥劑的感度有重大影響。本文通過研究超細鋁粉的鈍化方法和工藝流程的設(shè)計、鈍化劑硬脂酸的選擇以及對其鈍化后的性能(抗氧化性)進行測試，結(jié)合加入鈍化鋁粉后發(fā)光信號劑的實驗數(shù)據(jù)，得出硬脂酸合適比例達到鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

1 制備鈍化鋁粉實驗

1.1 試驗方法

采用固相包覆方法中的濕混法，即用硬脂酸將鋁粉進行有機包覆。根據(jù)鈍化效果的要求，由經(jīng)驗、理論計算和實驗調(diào)整得出鈍化效果，最后對鈍化的效果進行測試。

1.2 實驗原理

本次實驗是通過異相成核來實現(xiàn)的，鋁粉作為結(jié)晶中心，硬脂酸作為客體吸附在鋁粉的表面。借助某些固相基質(zhì)表面促進晶核形成稱為異相成核，異相成核是分子鏈依附于殘留在熔體中的各種雜質(zhì)粗糙表面上的有序排列，在雜質(zhì)與熔體分子間產(chǎn)生某些化學(xué)結(jié)合力(如氫鍵)的情況下所生成的有序排列就更為快速穩(wěn)定，它們在較高的溫度下即能成核結(jié)晶。

硬脂酸是一種廣泛應(yīng)用于炸藥與煙火藥中的鈍感劑，其熔點為69～70℃。將其加入裝有100 mL蒸餾水的廣口瓶中進行水浴加熱，將水浴溫度設(shè)定為75℃，當(dāng)達到設(shè)定溫度后，硬脂酸將溶解，然后將鋁粉倒入廣口瓶中攪拌，將水浴溫度設(shè)定為25℃，持續(xù)攪拌，當(dāng)溫度降到69℃以下后，硬脂酸將凝固。通過異相成核，硬脂酸凝固時將選擇鋁粉表面進行粘附，當(dāng)溫度達到常溫時便得到鈍化了的鋁粉。

得率的計算公式為:

1.3 工藝流程

用硬脂酸鈍化鋁粉的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 濕混法硬脂酸包覆鋁粉的工藝流程Fig.1 Technical flow of using stearic acid to coat aluminum powder by wet mixing

1.4 實驗結(jié)果與討論

1.4.1 實驗現(xiàn)象

1)硬脂酸剛開始不溶于水并浮在水面上。

2)水浴溫度達到75℃時攪拌30 min后，廣口瓶中溶液變?yōu)榘咨鞚崛芤骸?/p>

3)鋁粉加入到廣口瓶后得到灰色混濁溶液，廣口瓶內(nèi)壁粘有一些鋁粉。

1.4.2 實驗結(jié)果

鈍化鋁粉質(zhì)量與得率數(shù)據(jù)如表1所示。

由于硬脂酸的熔點是69.6℃，當(dāng)水浴溫度達到75℃時硬脂酸處于熔融狀態(tài)，繼續(xù)攪拌30 min后硬脂酸才完全溶解，得到白色混濁溶液。

2 抗氧化性實驗

2.1 實驗原理

鋁粉是一種極易氧化的金屬粉，特別是在南方和海上自然環(huán)境下，濕度比較大，溫度比較高，如果不經(jīng)過鈍化處理則極易氧化。本實驗將模擬高溫高濕的自然環(huán)境，通過比較鈍化前后鋁粉的質(zhì)量變化，來檢測用硬脂酸鈍化鋁粉的效果。

將定量試樣置于規(guī)定的溫度和濕度下，當(dāng)試樣中養(yǎng)分達到平衡時測試試樣質(zhì)量變化，計算出試樣的氧化性。試樣氧化性計算公式如下:

在配制飽和溶液時，在溶液中應(yīng)該有多余的固體鹽，以確保其飽和度。當(dāng)使用飽和鹽溶液時，凡能產(chǎn)生對試樣有害的腐蝕性氣體的鹽類不應(yīng)使用。硝酸鉀飽和溶液的相對濕度如表2所示。

2.2 實驗過程

1)將恒溫烘箱溫度設(shè)定為50℃±2℃。

2)稱量瓶在裝有濕度控制劑溶液的干燥器Ⅰ內(nèi)恒量后，蓋上蓋子再置于內(nèi)裝有指示性干燥劑的干燥器Ⅱ內(nèi)放置30 min后稱量，用分析天平稱量得 ① 號瓶重18.9746 g(不含蓋子)，② 號瓶重19.2789 g(不含蓋子)，蓋上蓋子妥善放置以備用。

3)用分析天平從試樣中稱取1 g鋁粉，將稱量好的鋁粉倒入稱量瓶中，標(biāo)好標(biāo)簽，打開蓋子后放在培養(yǎng)皿上，然后將培養(yǎng)皿放入烘箱中烘10 h。

4)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入內(nèi)裝指示劑的干燥器Ⅱ中，放置30 min后，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數(shù)據(jù)。

5)將稱量瓶放在托盤上，打開蓋子，然后放入恒溫烘箱中烘1 h。

6)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直至連續(xù)2次的稱量差不大于0.000 3 g為止。

7)將裝有試樣的稱量瓶置于恒溫烘箱中的內(nèi)盛濕度控制劑溶液的干燥器Ⅰ中，打開稱量瓶蓋子，蓋好干燥器Ⅰ的蓋子，恒溫放置24 h。

8)取出稱量瓶，蓋好蓋子，將稱量瓶放入內(nèi)裝指示劑的干燥器Ⅱ中，放置30 min后，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數(shù)據(jù)。

9)將稱量瓶放在托盤上，打開蓋子，然后放入恒溫烘箱中再烘1 h。

10)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，直至連續(xù)2次的稱量差不大于0.0003 g為止。

2.3 實驗結(jié)果

1)經(jīng)過了鈍化處理的鋁粉氧化前后沒有明顯變化，未經(jīng)過鈍化處理的鋁粉氧化后表面有發(fā)黑現(xiàn)象。

2)不同組分的鈍化鋁粉質(zhì)量及其氧化性數(shù)據(jù)如表3所示。

鋁粉在保證煙火藥的某些性能時起到相當(dāng)重要的作用。由于鋁粉在自然條件下防潮性差和極易氧化，

所以未經(jīng)過鈍化處理的鋁粉氧化后表面有一層黑色的薄層。

由實驗數(shù)據(jù)可以得出硬脂酸含量與鋁粉氧化性曲線如圖2所示。

圖2 硬脂酸含量與鋁粉氧化性關(guān)系圖Fig.2 Oxidability of aluminum powder as a function of the content of stearic acid

由圖2可清晰地看到，隨著硬脂酸含量的增加，鋁粉的氧化性變得更小，鈍化效果將更好。其原因是鈍化處理的鋁粉表面有一層硬脂酸薄膜，大大降低了鋁粉與空氣中水蒸氣和氧氣的接觸機會，所以其鈍化前后的質(zhì)量變化很小。由于不同硬脂酸含量的鈍化鋁粉與空氣接觸的機會不同，其含量越高，鋁粉與空氣接觸的機會就越少，所以氧化的更少，氧化性越低。由圖2可還可以看出，硬脂酸含量在0% ～4%之間的曲線很陡峭，鋁粉氧化性變化很大，硬脂酸含量在4% ～8%之間的曲線很平滑，鋁粉的氧化性變化不是很大，而在實際生產(chǎn)中，8%的硬脂酸含量的鈍化鋁粉生產(chǎn)成本要比5%的硬脂酸含量的鈍化鋁粉生產(chǎn)成本要多得多。

各鋁粉加入到發(fā)光信號劑中所得的光照強度數(shù)據(jù)如表4所示。

硬脂酸含量與發(fā)光信號劑發(fā)光強度關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，硬脂酸含量在0% ～4%之間的曲線相對于4%～8%的曲線要平緩一點。由此可見，過量的硬脂酸含量會嚴(yán)重影響發(fā)光信號劑的發(fā)光強度。而且藥劑中鋁粉被硬脂酸包覆后，引燃藥劑中鋁粉，必須先把鋁粉外的硬脂酸融化，融化硬脂酸需消耗點火藥的一部分熱量，因此點火難度增大。硬脂酸含量越多，點火難度越大。

圖3 硬脂酸含量與發(fā)光型號劑發(fā)光強度關(guān)系曲線圖Fig.3 Luminance intensity as a function of the content of stearic acid

3 結(jié)語

本文通過對煙火藥劑使用鋁粉的實際過程中存在的氧化問題，研究了超細鋁粉的鈍化方法和工藝流程的設(shè)計、鈍化劑硬脂酸的選擇以及對其鈍化后的性能(抗氧化性)進行了測試，結(jié)合加入鈍化鋁粉后發(fā)光信號劑的實驗數(shù)據(jù)，得出硬脂酸合適比例達到鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

1)以硬脂酸為鈍化劑，采用固相物理包覆法，成功實現(xiàn)了鋁粉的鈍化。

2)性能測試結(jié)果表明，隨著硬脂酸含量的增加，鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

3)5%的硬脂酸含量能達到較好的鈍化效果和較低的生產(chǎn)成本，結(jié)合在發(fā)光信號劑性能應(yīng)用情況，鋁粉鈍化處理中硬脂酸的含量為5%時達到最理想的包覆效果，過多硬脂酸的使用并不能達到更好地包覆效果。

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