金屬基高熱劑干法制粒技術

賈栓柱，杜仕國，甄建偉，魯彥玲

(陸軍工程大學石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

鋁熱劑因其反應產生的高溫及熔融態(tài)金屬而被廣泛應用在金屬切割領域[1-10]，在彈藥銷毀領域也被廣泛應用。采用金屬基可燃膠體高溫灼燒方式就地銷毀未爆彈藥。這種銷毀技術可實現(xiàn)射擊訓練場不增加額外爆炸當量條件下的就地銷毀，具有可操作性強、作業(yè)效率高、安全風險低、場地適應性強等優(yōu)點，特別適合于手榴彈、槍榴彈、子母彈子彈、單兵火箭彈等殼體較薄、彈體較小、戰(zhàn)斗部殼體為低熔點合金材料的彈種。這些彈種正是訓練中應用最多、未爆率最高、產生未爆彈藥最多的彈種。容易實現(xiàn)機器人遠程隔離操作，對操作的精準度要求低等特點，可極大地提高作業(yè)效率，保障人員作業(yè)安全，減輕排爆人員心理負擔，有利于部隊實彈訓練正常開展。

金屬基可燃膠體制備時，為提高鋁熱劑含量，將鋁熱劑制成圓粒，再用膠體進行粘結，達到增加鋁熱劑實際含量從而增加熱能的目的。為保證實際應用中顆粒不松散，具有一定的強度，且保證粘結劑的質量比小，本試驗采用干法制粒。干法制粒所用粘結劑主要為纖維素衍生物等其分子為長鏈的物質，粘結劑在與高熱劑混合后，在混合物間的空隙中形成許多類似于勾狀的結構，把粘結劑與高熱劑連接在一起。本試驗選取低取代羥丙基纖維素(HPC)、甲基纖維素(MC)、預膠化淀粉(PS)、聚四氟乙烯粉末(PTFE)四種粘結劑。探究在高熱劑干法制粒中的表現(xiàn)。

1 材料與儀器

769YP-15A手動粉末壓片機(天津市科器高新技術公司)，模具(自制)，低取代羥丙基纖維素[HPC，生工生物工程(上海)股份有限公司，批號：B326BA1924]，甲基纖維素(MC，天津市大茂化學試劑廠，批號：20170701)；預膠化淀粉(PS，天津市大茂化學試劑廠，批號：20160801)；聚四氟乙烯粉末(PTFE，天津市大茂化學試劑廠，批號：20160801)；煤油(Kerosene，天津市大茂化學試劑廠，20170901)；無水乙醇(Ethanol alcohol，天津市大茂化學試劑廠，批號：20160107)；鋁粉(Al，天津市恒興化學試劑制造有限公司，批號：20160622)；三氧化二鐵粉(Fe2O3，天津市恒興化學試劑制造有限公司，批號：20161201)。

2 試驗過程

由于金屬基可燃膠體主要利用高熱劑產生的熱能，要求高熱劑含量越多越好。本研究高熱劑制粒所選的粘結劑質量占總質量比控制在10%以下，因此，粘結劑都選定為占藥?？傎|量的10%。

將鋁粉、氧化鐵按照1∶3的質量比混合均勻，然后分別與低取代羥丙基纖維素、甲基纖維素、預膠化淀粉、聚四氟乙烯粉末混合，鋁熱劑與粘結劑質量比為9∶1，然后每組每次稱量2 g，用模具在20 MPa壓力下壓制成型成直徑10 mm，高度10 mm左右的藥柱，每組制10個藥片。

為測試膠體中乙醇和煤油對藥柱的影響，將每組的兩個藥柱分別放在盛有無水乙醇、煤油的燒杯中，密封處理進行相容性測試。每組兩個藥柱放在空燒杯中密封處理。在常溫下放置7天。打開燒杯，進行觀察測試。

藥粒在運輸與運用過程中，會因為各個藥粒間、藥粒與容器間的碰撞和擠壓發(fā)生破碎，這不僅會影響產品性能，甚至會使未爆彈藥的銷毀產生災難性后果。根據(jù)實際生產、運輸、儲存、使用情況，顆粒主要承受震動、摩擦等物理因素。

試驗主要測試兩個指標：硬度和脆碎度。

顆粒硬度由TBH 300MD片劑硬度測定儀測定。脆碎度由Tar200脆碎度測定儀測定。

為了確保藥粒不在液體中浸泡，將每組兩個未經任何處理的藥粒在常溫干燥環(huán)境中長時間存放，存放時間大約2個月，然后進行觀察測試。

燃燒速度與壓制密度成正比，而在金屬基可燃膠體銷毀未爆彈藥時，要求燃燒速度平緩。為進一步探究密度對燃燒速度的影響，要求藥粒在一定的壓制壓力下仍有好的成粒效果。

3 結果與討論

3.1 相容性測試分析

通過直接觀察可以明顯觀察到煤油浸泡的含甲基纖維素藥粒有明顯的膨脹現(xiàn)象。對每組藥粒進行稱量，并計算吸收液體增重，如表1所示。增重百分比如圖1所示。

表1 藥粒增重(g)

注：表中數(shù)值為兩粒藥柱增重平均值

圖1 藥粒增重百分比

從圖1可以明顯看出，以甲基纖維素為粘結劑的藥粒在經過無水乙醇和煤油浸泡后，都吸收了較多的液體。這說明甲基纖維素對高熱劑粉粒間的聯(lián)接性不好，液體浸泡時會因為毛細原理進入藥粒內部。在液體的浸濕作用下，藥粒的內部應力快速釋放，導致藥粒膨脹。而其他三組中的藥粒均未發(fā)生明顯膨脹，證明甲基纖維素在煤油和無乙醇的液體中做藥粒粘結劑的性能不佳。

3.2 硬度與脆碎度測試分析

不同粘結劑的顆粒硬度如圖2所示。由圖2可以看出，以甲基纖維素和預膠化淀粉為粘結劑的藥粒在沒有浸泡時，均能達到要求。但是經過無水乙醇和煤油浸泡后，硬度均明顯下降，而低取代羥丙基纖維素浸泡后強度下降幅度較低，聚四氟乙烯粉末浸泡前后并沒有較大變化，但其硬度均不如低取代羥丙基纖維素。

圖2 藥粒硬度

不同粘結劑的顆粒脆碎度如圖3所示。由圖3可以看出，甲基纖維素的脆碎度變化最大，低取代羥丙基纖維素脆碎度變化最小。聚四氟乙烯粉末制粒的脆碎度無論浸泡前后與其他粘結劑所制藥粒的脆碎度均有較大差距。

圖3 藥粒脆碎度

乙醇在中藥制粒中，對于具有較強粘結力的藥物不易制粒時，常用無水乙醇作為潤濕劑。乙醇濃度越高，粉料被潤濕后粘性越小。乙醇具有較大揮發(fā)性。干法制粒粘結劑間存在應力，乙醇揮發(fā)對應力釋放產生較大影響。因此，乙醇對于制粒性能的影響很大。

以聚四氟乙烯粉末為粘結劑的藥粒，浸泡前后并沒有太大的差別，但其整體性能較其他粘結劑沒有優(yōu)勢，根據(jù)文獻[11]得知，聚四氟乙烯粉末制粒含量在40%以上并在350 ℃左右加熱才會硬化，而含量40%以上不符合本實驗的需求。因此羥丙基纖維素在本試驗四種粘結劑中為較理想粘結劑。

3.3 長時間存放結果分析

經過2月的存放后發(fā)現(xiàn)，含預膠化淀粉的粘結劑出現(xiàn)裂縫，如圖4所示。其他藥粒均未出現(xiàn)裂縫。在制粒過程中出現(xiàn)裂片的原因有三種：

1) 粘結劑的粘結力不足；

2) 顆粒含水較少，干燥導致的裂片；

3) 壓力過大。

分析認為，在實際過程中，為了確保燃燒的可持續(xù)與提高燃燒熱，應盡量減少水分，但缺失水分導致的裂片也是不允許的。在藥粒剛剛壓制成型后，沒有產生裂片，所以壓力過大導致裂片情況可排除。而壓制成型后，由于藥粒存在內部應力較大，如果粘結劑的粘結性能達不到要求，內部應力慢慢釋放，會導致藥粒破裂，產生裂片或碎片。

圖4 含預膠化淀粉的藥粒

3.4 壓制壓力范圍測試

上述測試結果說明，低取代羥丙基纖維素做粘結劑的藥粒性能最佳。為探究低取代羥丙基纖維素做粘結劑可壓制藥粒的壓力范圍，選取采用5 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa五種不同的壓力制作藥粒。同樣每組二粒進行跌落試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采用不同壓力制作的藥粒2 m跌落次數(shù)

注：1.表中數(shù)值為兩粒藥柱跌落試驗平均值

2. 25次為本跌落試驗最大次數(shù)

試驗過程中，采用5 MPa壓力壓制的藥粒在一次摔落后就破碎，說明壓力過小，成粒效果差；采用25 MPa壓力壓制的藥粒壓制后就發(fā)現(xiàn)裂縫，如圖5所示。

又精確選取了6，7，8，9，21，22，23，24 MPa作精準確定壓力范圍的試驗，并每組兩個藥粒，最終確定最佳壓力為8～22 MPa。

圖5 采用25 MPa壓力壓制的藥粒

4 結論

通過與無水乙醇、煤油相容性測試、硬度與脆碎度測試、長時間存放測試發(fā)現(xiàn)，低取代羥丙基纖維素做粘結劑的高熱劑制粒性能比甲基纖維素、預膠化淀粉、聚四氟乙烯粉末四種粘結劑都好，最佳壓制壓力范圍在8～22 MPa，可為進一步探究壓力與燃速的關系作參考。