一種高能點火藥制備與性能測試

李昊杰，王保國，王 智

(1. 中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原，030012)

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一種高能點火藥制備與性能測試

李昊杰1，王保國1，王 智2

(1. 中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原，030012)

為解決高熱燃燒劑難點燃的難題，本文以KNO3，MnO2為氧化劑； Mg，Al為可燃劑； 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結劑，設計了一種雙層包覆結構高能點火藥，采用溶劑蒸發(fā)-重結晶包覆工藝制備出了該高能點火藥，并對其主要性能進行了測試和點燃性的初步驗證. 結果表明： 該點火藥的5 s延滯期的爆發(fā)點為303 ℃，殘渣率為93.28%，摩擦感度為40%，撞擊感度為16%，靜電火花感度為0%，能可靠點燃試驗中的高熱燃燒劑.

高能點火藥； 火藥制備； 火藥點燃性

0 引 言

研究表明，燃燒彈已成為戰(zhàn)場上對敵進行殺傷的有效手段[1]，但由于裝填燃燒彈的高熱燃燒劑是很難點燃的煙火藥劑，因此，需要數(shù)種傳火藥[2]實現(xiàn)其點火功能，導致點火結構復雜、 尺寸大，不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器彈藥小型化和高可靠性的要求. 因此，需要研制一種用于直接點燃高熱燃燒劑的高能點火藥，實現(xiàn)其方便、 可靠的引燃.

黑火藥由于其燃燒時能產(chǎn)生大量氣體，易于建立起點火壓力，且火焰長度長等優(yōu)點，作為點火藥，在彈藥上廣泛應用，但它的主要缺點是吸濕，低壓下燃燒性能不好[3]. 田春雷[4]以KNO3，Mg，Al，S作為點火藥的組分, 采用干混法制備點火藥，能可靠點燃試驗中的鋁熱劑. 但其存在以下問題： ① KNO3分解產(chǎn)生的N2會使部分熱量散失，導致其殘渣率和熱量降低，從而影響其點火能力； ② S的粘結性差，導致藥柱的力學性能降低，且燃燒產(chǎn)生SO2氣體，既降低了殘渣率和熱量，又對環(huán)境造成一定程度的污染； ③ 干混法存在操作安全性低、 易產(chǎn)生粉塵、 組分間密度的差異導致其混合不均勻等缺點.

本文結合XX燃燒彈的特殊要求，在研究高熱燃燒劑和點火藥技術要求的基礎上，以文獻[4]的配方為基礎配方，以KNO3, MnO2為氧化劑，以Mg, Al為可燃劑，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結劑，采用溶劑蒸發(fā)-重結晶包覆工藝制備出了該高能點火藥，并對其主要性能進行了測試和點燃性的初步驗證.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑： 硝酸鉀，分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司出品； 二氧化錳，分析純，天津博迪化工股份有限公司出品； 鎂粉，分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司出品； 鋁粉，分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司出品； PF，分析純，山西新聯(lián)友化學工業(yè)有限公司出品； PVP，分析純，山西新聯(lián)友化學工業(yè)有限公司出品； 無水乙醇，符合GBT 678-2002的技術要求，天津市天大化學試驗廠出品； 5類黑火藥，符合《黑火藥規(guī)范》(GJB1056A-2004)技術要求，山西北方晉東化工有限公司出品.

儀器： 電子天平，0～600 g，分度值0.01 g，浙江省凱豐集團有限公司出品； 電子分析天平，精度值0.000 1 g，北京光學儀器廠出品； AHX-871安全型烘箱，南京理工大學出品； 恒溫攪拌裝置，杭州瑞佳精密儀器有限公司出品； 125 mL蒸餾燒瓶，帶蒸餾裝置，天津市玻璃儀器有限公司出品.

1.2 制備過程

本實驗采用溶劑蒸發(fā)-重結晶包覆工藝，即隨著溶劑的揮發(fā)，氧化劑首先從懸浮液中重結晶析出并包覆在可燃劑的表面，然后粘結劑相變析出并包覆在藥劑的表面[5]，得到高能點火藥. 其制備工藝流程如圖 1 所示.

圖 1 高能點火藥制備工藝流程Fig.1 Preparation flow of High-energy ignition compositionhigh-heat

① 量取適量蒸餾水倒入燒杯中，稱量0.2 g PVP和5.2 g KNO3倒入燒杯中，攪拌使其完全溶解； ② 稱量2.0 g Al粉并倒入PVP, KNO3的水溶液中，待其攪拌均勻后，設定加熱溫度和攪拌速度，使水以一定的速度蒸發(fā)，KNO3從溶液中重結晶析出并包覆在Al粉的表面，PVP隨后相變析出并包覆在鋁粉和KNO3的表面，得到固體混合物； ③ 量取無水乙醇倒入燒杯中，將稱量好的0.2 g PF倒入燒杯，攪拌，使PF完全溶于酒精； ④ 稱量0.6 g MnO2固體和1.8 g Mg粉并混合均勻，將其和第二步得到的混合物加入到PF的酒精溶液中并攪拌均勻； ⑤ 設定加熱溫度和攪拌速度，無水乙醇以一定的速度蒸發(fā)，PF從溶液中相變析出，包覆在它們的表面，得到具有雙包覆層的高能點火藥. 乙醇蒸氣通過冷凝裝置進行回收. 當無水乙醇基本蒸干時，停止加熱，并收集在蒸發(fā)皿中.

1.3 性能測試

1.3.1 爆發(fā)點

按照 GJB 770B-2005 火藥試驗方法606.1 爆發(fā)點5 s延滯期法，對高能點火藥進行試驗[6]，試驗條件： 藥量(10±2) mg，取10 ℃為步長.

1.3.2 撞擊感度

按照GJB 770B-2005 火藥試驗方法601.1撞擊感度爆炸概率法，對高能點火藥進行試驗[6]，試驗條件： 落錘質量為(5.000±0.005) kg，藥量為(30±1) mg，落高： (25±1) cm； 試驗溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.3.3 摩擦感度

按照GJB 770B-2005 火藥試驗方法602.1摩擦感度爆炸概率法，對高能點火藥進行試驗[6]，試驗條件： 表壓為3.92 MPa，擺角為(90±1)°，藥量為(20±1) mg，試驗溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.3.4 靜電感度

按照 GJB 2178.7A-2005 傳爆藥安全性試驗方法，靜電感度爆炸概率法，對高能點火藥進行靜電感度試驗[7]，試驗條件： 藥量為(20±1) mg，連續(xù)試驗20發(fā)，試驗溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.4 固體殘渣率測試

取一定質量(10.00±0.01) g高能點火藥進行點燃，然后稱量燃燒后的固體殘渣質量，將點燃前后質量進行比較，以2次試驗結果的算術平均值作為其固體殘渣率.

圖 2 點火試驗結構示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of ignition test

1.5 高熱燃燒劑的點燃性試驗

根據(jù)燃燒彈中點火藥、 高熱燃燒劑的裝藥結構，按照高能點火藥粉、 高能點火藥藥柱和高熱燃燒劑藥柱的點火結構,進行2組點燃性試驗. 結構如圖 2 所示.

2 結果與討論

2.1 原材料選擇

點火能力是一個綜合的考核指標，研究表明[2]： 產(chǎn)生大量熱熔渣的點火藥，因其熱量大而反映出其點火能力強； 少氣體的點火藥因產(chǎn)生大量灼熱熔渣留在被點燃的主裝藥表面上，使得主裝藥獲得較多的熱量而引燃. 因此，選擇生成更多固體殘渣和燃燒熱大的氧化劑和可燃劑以及粘結效果更好的粘結劑，以提高其能量、 殘渣率和點火能力.

1) 氧化劑： 點火藥常用的氧化劑主要有KNO3，PTFE，KClO4等[2]. KNO3具有熔點低、 相對分子質量小，放出氧氣多，分解熱小等優(yōu)點，常用作點火藥的氧化劑，但KNO3分解會生成N2，使熱量散失，降低點火性能； MnO2分解溫度為535 ℃，與點火藥發(fā)火點要求相當，但它分解時只產(chǎn)生氧氣且MnO2燃燒熱比KNO3高，所以本實驗選用MnO2替代部分文獻[4]中的KNO3作為高能點火藥的氧化劑.

2) 可燃劑： 為了提高點火能量，高能點火藥的可燃劑一般選用Mg粉、 Al粉或B粉等燃燒熱較大的高能粉末 . Al粉燃燒會釋放出大量的熱，并生成Al2O3固體殘渣； 與Al粉相比，Mg粉燃燒熱較小、 與水發(fā)生化學反應，但它在空氣中的發(fā)火點較低，易點燃. 用Mg和Al作為復合可燃劑，不僅可以降低點火藥的發(fā)火點，而且燃燒反應會放出大量的熱，同時生成大量的固體殘渣附著在高熱燃燒劑表面，使能量得以提升. 所以本實驗選用Mg粉和Al粉作為可燃劑.

3) 粘結劑： 粘結劑分為天然粘結劑和人工合成粘結劑[2]. PF和PVP是煙火藥劑中常用的粘結劑,PF易溶于無水乙醇，PVP易溶于水. 它們的粘結能力強，能使可燃劑與氧化劑混合更加均勻，同時抗腐蝕性能好，含氧量高，具有較高的燃燒熱，不產(chǎn)生有毒有害氣體. 所以本實驗選用PF和PVP作為復合粘結劑取代文獻[4]中的S.

2.2 溶劑和懸浮劑的選擇

根據(jù)重結晶溶劑選擇原則[8]，選擇水和無水乙醇作為溶劑. 水價格低廉，原料易得，且無污染，所以，以水作為KNO3，PVP的溶劑和鋁粉的懸浮劑； 無水乙醇表面張力小于水，對粒子潤濕性更強，可以加大分散性，沸點為78.3 ℃，易于揮發(fā)，所以，選擇無水乙醇作為PF的溶劑和Mg的懸浮劑.

2.3 性能測試

2.3.1 爆發(fā)點

表 1 為高能點火藥與黑火藥的爆發(fā)點測試結果.

表 1 爆發(fā)點測試結果

從表1中可以看出，高能點火藥比黑火藥的5 s爆發(fā)點降低了7 ℃. 分析認為： 高能點火藥粒度較細，受熱均勻，單位質量物質的接觸面積變大，而且包覆在外層的Mg著火點低，易點燃，使爆發(fā)點降低； 同時高能點火藥中的金屬組分都是熱的良導體，導熱性能高于碳(Al的導熱系數(shù)為237 W/mK； Mg的導熱系數(shù)為148 W/mK； 碳的導熱系數(shù)129 W/mK)，使得其爆發(fā)點降低； 粘結劑PF和PVP受熱后軟化要吸收一定熱量,使得其爆發(fā)點升高. 以上的綜合作用使高能點火藥5 s爆發(fā)點比黑火藥有所降低.

2.3.2 撞擊感度

表 2 為高能點火藥與黑火藥撞擊感度測試結果.

表 2 撞擊感度測試結果

從表2中可以看出，高能點火藥比黑火藥的撞擊感度降低4%. 分析認為： 高能點火藥在受到撞擊時，作用力可使藥劑發(fā)生形變，而Mg, Al, MnO2硬度較大(Al的莫氏硬度為2.75； Mg的莫氏硬度為2.5； MnO2的莫氏硬度5)，撞擊時形變較小，容易形成熱點，使其撞擊感度升高； PF具有脆性，受到?jīng)_擊時，它的破裂和PVP的彈性變形吸收一定的能量，同時它們的加入提高了高能點火藥的流散性，使顆粒間摩擦減小，不易形成熱點. 它們的綜合作用使高能點火藥的撞擊感度比黑火藥有所下降.

2.3.3 摩擦感度

表 3 為高能點火藥與黑火藥摩擦感度測試結果.

表 3 摩擦感度測試結果

從表3中可以看出，高能點火藥比黑火藥的摩擦感度增加12%. 分析認為： Mg, Al, MnO2硬度較大，增加了高能點火藥的摩擦力，有利于熱點的形成，使得高能點火藥的摩擦感度升高； 由于Mg發(fā)火點低，受到摩擦力作用時Mg首先發(fā)火，然后引發(fā)高能點火藥燃燒，使得高能點火藥的摩擦感度升高； PF和PVP使高能點火藥流散性提高，降低了高能點火藥顆粒間摩擦阻力，使其摩擦感度降低. 在上述因素的共同作用下，造成該高能點火藥的摩擦感度較高.

2.3.4 靜電感度

表 4 為高能點火藥與黑火藥靜電感度測試結果.

表 4 靜電感度測試結果

從表4中可以看出，高能點火藥與黑火藥的靜電感度相同. 分析認為： Mg和Al均為靜電的良導體，導電能力強，使得高能點火藥不易發(fā)生靜電累計，不易發(fā)火，使高能點火藥的靜電感度降低； PF和PVP是靜電的不良導體，使靜電不易導出，使高能點火藥靜電感度升高. 兩者的綜合作用使高能點火藥靜電感度與黑火藥相同.

2.4 固體殘渣率測試

表 5 為高能點火藥固體殘渣率測試結果與文獻[4]點火藥和黑火藥的固體殘渣率的比較.

表 5 固體殘渣率測試結果

從表5中可以看出，高能點火藥的固體殘渣率要高于文獻[4]的點火藥和黑火藥. 分析認為： KNO3受熱分解的產(chǎn)物為K2O, N2和O2，固體分解產(chǎn)物占46.5%, MnO2分解產(chǎn)物為固體金屬Mn和O2，固體占63.2%，用6%的MnO2替代KNO3可使高能點火藥殘渣率有一定程度的提高； 但PVP, PF和S燃燒產(chǎn)物均為氣體，且高能點火藥中粘結劑(PVP, PF)的質量百分含量比相似點火藥粘結劑(S)的高1%，粘結劑含量的增加使得高能點火藥的產(chǎn)氣量有所增加，導致高能點火藥殘渣量有所降低. 兩者的綜合作用使高能點火藥的固體殘渣率高于文獻[4]的點火藥.

2.5 點燃性試驗

試驗現(xiàn)象如圖 3 所示. 燃燒時發(fā)出耀眼亮光，燃燒反應很劇烈，當燃燒完畢后，觀察到磚塊上只有鐵渣，沒有燃燒劑的殘留物，說明該點火藥有很強的點火能力，能直接點燃高熱燃燒劑. 高能點火藥的最終配方為52% KNO3, 6% MnO2, 18% Mg, 20% Al, 2%酚醛樹脂(PF)和2%聚乙烯吡咯烷酮(PVP).

圖 3 燃燒現(xiàn)象Fig.3 The appearace of burning

3 結 論

1) 以KNO3, MnO2為氧化劑，Mg，Al為可燃劑，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結劑，采用溶劑蒸發(fā)-重結晶包覆工藝制備出了該高能點火藥.

2) 高能點火藥的主要性能測試和高熱燃燒劑的點燃性初步試驗結果表明： 該點火藥的5 s爆發(fā)點比黑火藥降低7 ℃，撞擊感度比黑火藥降低4%，摩擦感度比黑火藥提高12%，靜電感度與黑火藥的一致，殘渣率為94.3%； 該高能點火藥可直接點燃高熱燃燒劑.

3) 在工藝條件和粘結劑的選擇上還有待進一步完善和優(yōu)化.

[1] 唐金友，張從今. 某新型燃燒劑的性能研究[J]. 火工品. 2004(4)： 19-22. Tang Jinyou, Zhang Congjin. Study on the property of a new type combustion agent[J]. Initiators & Yrotechnics, 2004(4): 19-22. (in Chinese)

[2] 潘功配. 高等煙火學[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社，2005.

[3] 謝俊磊，曹宏安，谷智國，等. Mg-Al/黑藥高能點火藥研究[J]. 四川兵工學報. 2013，34(8)： 9-11. Xie Junlei, Cao Hongan, Gu Zhiguo, et al. Mg-Al/black powder high-energy igaition charge research[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(8): 9-11. (in Chinese)

[4] 田春雷，高俊國，杜仕國. 一種新型高能點火藥的配方設計及性能. 火炸藥學報[J]. 2006，29(1)： 75-80. Tian Chunlei, Gao Junguo, Du Shiguo. Formulation design of a new ignition composition and its performances[J]. Journal of Explosives & Propellants, 2006, 29(1): 75-80. (in Chinese)

[5] 葉毓鵬. 炸藥結晶工藝學及其應用[M]. 北京： 兵器工業(yè)出版社，1995.

[6] GJB770B-2005. 火藥試驗方法[S]. 國防科工委軍標出版發(fā)行部，2005.

[7] GJB2178. 1A-2005. 傳爆藥安全性試驗方法 [S]. 國防科工委軍標出版發(fā)行部，2005.

[8] 程能林. 溶劑手冊[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社，2004.

Study on the Preparation Technique of a High-Energy Ignition Composition

LI Haojie1, WANG Baoguo1, WANG Zhi2

(1. National Defense Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. CNNC Xinneng Nuclear Engineering Co. Ltd., Taiyuan 030012, China)

In order to solve the problems of high-heat incendiary agent which is difficult to be ignited. In the paper, KNO3and MnO2were selected as its oxygenant, Mg powder and Al powder were used as its combustible agent and PVP and phenol-formaldehyde resin were used as the binder. In the paper, KNO3and MnO2were selected as its oxygenant. Mg powder and Al powder were used as its combustible agent and PVP and phenol-formaldehyde resin were used as the binder. The process of coating method by the solvent evaporation was choosed to prepare the higher-energy ignition composition with double-coated. Results shows that its friction sensitivity, impact sensitivity, electrostatic sensitivity, and residue ratio are 40%, 16%, 0%, 303 ℃ and 93.28%, respectively. It can ignite high-heat incendiary agent.

high-energy ignition charge; powder preparation; the powder to ignite sex

1671-7449(2016)06-0528-06

2016-04-21

李昊杰(1989-)，男，碩士生，主要從事超細含能材料制備和改性技術的研究.

TQ565

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.014