振動磨混合時(shí)間對氣體發(fā)生劑性能的影響研究

范 智, 張 寧, 劉 亮, 陳 樊，劉 偉, 屈 純, 王星魁, 姚 俊

（1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441000； 2. 湖北省應(yīng)急救生與安全防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441000）

振動磨混合時(shí)間對氣體發(fā)生劑性能的影響研究

范 智1,2, 張 寧1,2, 劉 亮1,2, 陳 樊1,2，劉 偉1,2, 屈 純1,2, 王星魁1,2, 姚 俊1,2

（1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441000； 2. 湖北省應(yīng)急救生與安全防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441000）

研究了振動磨不同研磨混合時(shí)間對安全氣囊氣體發(fā)生劑中各組分的混合均勻性和產(chǎn)品一致性的影響，此外，還通過氣體發(fā)生劑與氣體發(fā)生器匹配后進(jìn)行的壓力性能測試、火焰試驗(yàn)以及殘?jiān)囼?yàn)，考查了振動磨研磨混合時(shí)間對氣體發(fā)生劑性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中振動磨研磨混合時(shí)間的確定提供了一定的參考依據(jù)。

氣體發(fā)生劑；振動磨；壓強(qiáng)性能；火焰試驗(yàn)；殘?jiān)囼?yàn)

隨著汽車安全氣囊市場的不斷發(fā)展，安全氣囊氣體發(fā)生劑的市場需求也在逐步加大，生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的控制也越發(fā)重要[1]。在同一批次氣體發(fā)生劑的生產(chǎn)中，物料的混合均勻程度對產(chǎn)品穩(wěn)定性起著決定性影響[2]。現(xiàn)在通常所采用的物料混合方式是利用多項(xiàng)運(yùn)動混合機(jī)將物料進(jìn)行干混，然而經(jīng)這種方式混合后的藥粉，其各組分的分布并不十分均勻，這是由于混合機(jī)器存在死角以及部分原材料在混合過程中抱團(tuán)所致。因此，將物料干混后，再采用振動磨進(jìn)行研磨混合，期望提高物料的均勻性，并將原材料中的部分大顆粒進(jìn)行研磨，得到粒徑較小的物料顆粒，以提高氣體發(fā)生劑的各項(xiàng)性能。

從1909年提出振動磨的第一項(xiàng)專利開始，振動磨已經(jīng)走過了百年的發(fā)展歷程。1940年 Bachmann提出了磨介共振說，對振動磨的發(fā)展起到了重要作用。在之后的30年中，振動磨開始逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，20世紀(jì)70年代以后，在世界范圍內(nèi)得到了推廣應(yīng)用，并在理論研究上有了一定的發(fā)展[3]。

振動磨是將物料與研磨介質(zhì)混在一起，通過振動提供能量，使物料顆粒發(fā)生斷裂、細(xì)化，并進(jìn)行均勻混合[4]。碰撞是振動磨的主要力學(xué)特征，物料的研磨效果也是由研磨介質(zhì)與物料顆粒之間的碰撞效果決定的，而機(jī)器的類型、運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和研磨介質(zhì)的形狀、規(guī)格、充滿度、總質(zhì)量都會對碰撞的效果產(chǎn)生影響[5]。按照結(jié)構(gòu)形式分類，振動磨可以分為水平式振動磨和垂直振動磨，本文中研究所采用的是垂直振動磨，結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由端蓋（1）、偏心塊（2）、軸承（3）、聯(lián)軸器（4）、磨腔（5）、彈簧（6）、支座（7）以及電機(jī)（8）等組成，由于混合藥劑具有一定的危險(xiǎn)性，因此采用的研磨介質(zhì)為瓷質(zhì)短圓柱。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 振動磨研磨混合

將某型氣體發(fā)生劑物料通過多向運(yùn)動混合機(jī)干混2 h后，再采用振動磨進(jìn)行研磨混合。實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同的研磨混合時(shí)間分四組進(jìn)行，設(shè)定的混合時(shí)間分別為0、20、40和60 min。實(shí)驗(yàn)中所采用的振動磨型號為美國SWECO公司的DM1型，電機(jī)工作頻率為60 Hz，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，研磨介質(zhì)為瓷質(zhì)短圓柱(圖1)。

1.2 氣體發(fā)生器試驗(yàn)

將振動磨研磨混合好的四組氣體發(fā)生劑物料造粒后壓片，并裝入某型氣體發(fā)生器進(jìn)行性能測試。測試之前先將發(fā)生器在23 ℃下保溫3 h。測試的內(nèi)容包括：壓力-時(shí)間曲線測試、火焰試驗(yàn)和殘?jiān)囼?yàn)。其中，壓強(qiáng)-時(shí)間數(shù)據(jù)（P-T曲線）是在60 L密閉容器(如圖2所示)中引爆氣體發(fā)生器來進(jìn)行測試，通過某型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；火焰試驗(yàn)是引爆發(fā)生器后，利用高速攝影機(jī)對從排氣孔噴出的火焰進(jìn)行拍照錄像來分析測試結(jié)果；殘?jiān)囼?yàn)是在發(fā)生器排氣孔周圍安裝擋板，引爆發(fā)生器后，殘?jiān)?jīng)排氣孔噴出并留在擋板上，通過對擋板上殘?jiān)鼣?shù)量和狀態(tài)來分析測試結(jié)果。

圖1 垂直振動磨結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.1 The schematic diagram of vertical vibration mill

圖2 密閉容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the closed tank

2 結(jié)果與討論

2.1 振動磨研磨混合后物料的均勻性

經(jīng)過不同時(shí)間研磨混合后的四組物料，呈現(xiàn)不同顏色。只經(jīng)過干混的物料，整體呈灰褐色，局部顏色分布不均勻，有藍(lán)色和白色組分還未完全分散；其余幾種物料混合較為均勻，無白色或藍(lán)色色團(tuán)出現(xiàn)。物料顏色隨著研磨混合時(shí)間的增加，由20 min時(shí)的淺黃褐色逐漸變?yōu)?0 min時(shí)的深黃褐色，再變?yōu)?0 min時(shí)的紅褐色，這是由于氣體發(fā)生劑配方中組分顆粒隨研磨時(shí)間增加而逐漸變小所導(dǎo)致的。

此外，測試了振動磨研磨混合后各組物料的銅含量，從而進(jìn)一步判斷研磨時(shí)間對物料均勻性的影響，測試結(jié)果如表1所示。

表1 振動磨研磨混合后物料的銅含量Table 1 The content of copper in the gas generant mixed by vibration mill %

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算研磨混合0、20、40和60 min時(shí)各組數(shù)據(jù)的方差值分別為D0=0.0251、D20=0.004 9、D40=0.011 2和D60=0.001 9。由此可見，物料中銅含量數(shù)據(jù)的波動隨著研磨混合時(shí)間延長有著減小的趨勢。也就是說，在0至60 min這個時(shí)間區(qū)間內(nèi)，研磨混合時(shí)間越長，物料中各組分混合越充分，分布也越均勻。

2.2 壓力-時(shí)間數(shù)據(jù)測試

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的氣體發(fā)生器壓力-時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，不同混合時(shí)間的藥劑所對應(yīng)的最大壓力值（Pmax）和到達(dá)最大壓力時(shí)間（Tmax）都有所不同，Pmax數(shù)據(jù)整體落在226～244 kPa這個區(qū)間，Tmax的數(shù)據(jù)區(qū)間則是40～53 ms。Pmax和Tmax隨研磨混合時(shí)間的變化并不規(guī)律，這是因?yàn)橛绊懽畲髩毫χ档闹饕蛩厥撬巹┲械慕M分含量，由于從局部所取的藥劑有所不同，其組分含量必然也不相同，所以對應(yīng)的最大壓力值也有所不同。此外，藥劑是裝填在同一型號不同的幾個發(fā)生器中進(jìn)行壓力性能測試的，所采用的發(fā)生器并不能保證完全一致，影響因素包括過濾網(wǎng)重量、排氣孔大小、燃燒室空間大?。んw高度）以及裝藥量，這些也是導(dǎo)致測試的最大壓力值變化不規(guī)律的原因。但是，藥劑在振動磨研磨混合60 min后，所對應(yīng)的 Pmax和 Tmax變化均為最小，從而進(jìn)一步證實(shí)振動磨研磨混合提高了氣體發(fā)生劑的均勻性和一致性。

表2 振動磨研磨混合后物料的銅含量Table 2 The content of copper in the mixed gas generant

2.3 火焰試驗(yàn)

通過高速攝影機(jī)對氣體發(fā)生器點(diǎn)火至氣體產(chǎn)生完全后發(fā)生器周圍產(chǎn)生的火焰進(jìn)行拍照錄像，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同振動磨混合時(shí)間下氣體發(fā)生劑的火焰Fig.3 The performance of gas generant mixed by vibration mill in the flame test

其中A試驗(yàn)采用的是未經(jīng)振動磨混合的氣體發(fā)生劑，B試驗(yàn)采用的是振動磨研磨混合20 min的氣體發(fā)生劑，C試驗(yàn)采用的是振動研磨混合40 min的氣體發(fā)生劑，D試驗(yàn)采用的是振動磨研磨混合60 min的氣體發(fā)生劑。從高速攝影得到的火焰圖像可以看出，隨著振動磨研磨混合時(shí)間的延長，氣體發(fā)生器的火焰并沒有得到明顯改善，其中，研磨混合40 min后的氣體發(fā)生劑火焰長度最短。火焰產(chǎn)生的原因是部分未燃燒完全的可燃物在經(jīng)排氣孔噴出后繼續(xù)燃燒，也有可能是噴出的灼熱殘?jiān)?。因此，影響火焰產(chǎn)生的主要因素是藥劑配方和發(fā)生器殼體結(jié)構(gòu)，延長振動磨混合時(shí)間并沒有起到改善作用。

2.4 殘?jiān)囼?yàn)

將氣體發(fā)生器裝上擋板后引爆，殘?jiān)趽醢迳系臍埩羟闆r及數(shù)量如圖4所示。

其中，A、B、C和D分別為研磨混合0、20、40和60 min后氣體發(fā)生劑的殘?jiān)鼱顟B(tài)。圖4A中擋板上有一處殘?jiān)撀浜鸵惶帤堅(jiān)鹌ぃ粓D 4B中擋板上有三處殘?jiān)撀浜蛢商幤鹌?；圖 4C中擋板上有兩處殘?jiān)撀浜蛢商幤鹌ぃ粓D 4D中擋板上有兩處殘?jiān)撀浜投嗵幤鹌?。由此可見，延長振動磨研磨混合時(shí)間，并沒有解決氣體發(fā)生劑的殘?jiān)鼏栴}。氣體發(fā)生器起爆后產(chǎn)生的殘?jiān)饕倾~單質(zhì)，以及降溫劑和結(jié)渣劑的殘?jiān)?，其中，銅單質(zhì)是氣體發(fā)生劑中氧化劑的還原產(chǎn)物。因此，殘?jiān)a(chǎn)生主要是跟氣體發(fā)生劑配方和藥片壓制(藥片有無毛邊)有關(guān)，僅僅通過延長振動磨研磨混合時(shí)間還無法減少殘?jiān)?/p>

圖4 振動磨研磨混合后氣體發(fā)生劑的殘?jiān)麱ig.4 The performance of gas generant mixed by vibration mill in the residue test

3 結(jié)束語

振動磨研磨混合降低了藥劑顆粒的粒徑，且使各原材料組分混合得更加充分，提高了氣體發(fā)生劑的一致性，但并未使得本實(shí)驗(yàn)所采用的氣體發(fā)生劑和殼體組裝的氣體發(fā)生器在火焰試驗(yàn)和殘?jiān)囼?yàn)中的性能得到明顯改善。在一定的時(shí)間范圍內(nèi)（0～60 min），隨著研磨混合時(shí)間的延長，藥劑顆粒粒徑逐步減小，各組分混合越發(fā)均勻，這為實(shí)際生產(chǎn)中振動磨研磨混合時(shí)間的確定提供了一定的參考依據(jù)。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，振動磨研磨混合時(shí)間的確定需要根據(jù)產(chǎn)品性能要求、產(chǎn)量要求及能耗成本等因素進(jìn)行綜合考慮。

［1］ 關(guān)兵峰, 姚俊, 王小強(qiáng). 新能源汽車安全氣囊用氣體發(fā)生劑研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2012, 10(3) : 17-22.

［2］ 蔣浩龍, 王曉峰, 陳松, 等. 炸藥混合技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2014(12) : 74-78.

［3］ 王樹林, 李隆秀, 韓文正. 振動磨的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 礦山機(jī)械, 1989, 1(1) : 2-5.

［4］ 張更超, 應(yīng)富強(qiáng). 超細(xì)粉碎技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國粉體技術(shù), 2003, 9(2) : 44-48.

［5］ 盧壽慈, 沈志剛, 鄭水林, 等. 粉體技術(shù)手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

Research on the Impact of Mixing Time by Vibration Mill on the Performance of Gas Generant

FAN Zhi1,2, ZHANG Ning1,2, LIU Liang1,2,CHEN Fan1,2, LIU Wei1,2, QU Chun1,2, WANG Xing-kui1,2, YAO Jun1,2

（1. Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology, Hubei Xiangyang 441000, China; 2. The Key Laboratory of Emergency Safety and Rescue Technology of Hubei Province, Hubei Xiangyang 441000, China）

The impact of different mixing time by vibration mill on the homogeneity of all kinds of material in the gas generant and product consistency was researched. Furthermore, gas generator with the gas generant was evaluated in the pressure-time test, flame test and residue test. All of the experiment data and conclusion will be helpful to the experts in the field of automobile air bag.

gas generant; vibration mill; pressure-time test; flame test; residue test

TQ 028

A

1671-0460（2016）12-2766-03

2016-05-18

范智（1972-），男，湖北省襄陽市人，工程師，從事氣體發(fā)生劑配方及工藝研究。E-mail：fanzhi886@sina.com。

姚?。?973-），男，研究員，主要從事氣體發(fā)生劑及氣體發(fā)生器的研究。E-mail：inflatorglobal@163.com。