含能材料包裝技術(shù)

崔衛(wèi)鑫 王克儉

（北京化工大學機電工程學院成型制造研究中心）

1. 前言

含能材料，是指能迅速釋放大量能量并對外做功的物質(zhì)。其表征為該類物質(zhì)多具有爆炸性、爆燃性或其他經(jīng)過特定激發(fā)條件會高速率高輸出釋放大量能量的物質(zhì)。一般含能材料包含了火口藥，炸口藥，燃氣發(fā)生劑煙火藥劑，火工品等。同時，它具有高密度、良好的力學性能、一定的安定性、較好的相容性等特點。因此，在對其進行包裝時需要考慮這些性能。此外，也需要特別注意它的易燃易爆的性能，防止在包裝時出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)象，發(fā)生事故。

隨著含能材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，它發(fā)揮的作用也越來越大，因此我們需要對含能材料的包裝更加了解。本文將從含能材料的種類，加工工藝，包裝技術(shù)以及發(fā)展趨勢等方面來進行闡述。

2. 含能材料種類

2.1 高氮量含能材料

高氮含能化合物是近年來一種新型含能材料，具有良好應(yīng)用前景，它具有高正生成熱、高熱穩(wěn)定性等特點，作為新型含能材料，此化合物主要應(yīng)用于高能鈍感炸藥、小型推進系統(tǒng)固體燃料、無煙煙火劑、氣體發(fā)生劑、無焰低溫滅火劑。高氮化合物是高性能高密度綠色含能材料之一，分子中高的含氮量能增大密度使燃料燃燒產(chǎn)生大量的氣體。

目前合成的高氮含能化合物主要是氮雜環(huán)有機化合物，具有密度高、熱穩(wěn)定性和鈍感好的特點。與TNT 相比，有較高的爆轟性能、理想的氧平衡且鈍感性好，可作為高能組分應(yīng)用于推進劑、發(fā)射藥和鈍感彈藥，能減少氣體排放中產(chǎn)生的火焰和煙霧，使配方更環(huán)保。此外，咪唑類化合物是一種潛在含能材料，對咪唑類含能化合物進行研究和開發(fā)，使其早日應(yīng)用到含能材料的領(lǐng)域中。

2.2 含能氧化劑

為了提高火藥中的能量，常加入一定比例的氧化劑和炸藥。對氧化劑的重要要求是化學相容性好和氧平衡值要高，世界各國研究者為了提高火藥的能量合成了許多高能氧化劑。CL-20 是高能炸藥，具有密度高，化學和熱穩(wěn)定性好，能夠與大多數(shù)的增塑劑和粘結(jié)相容等優(yōu)點，因此可作為配方來使用的不含鹵素無污染，感度低，特征信號低的新型氧化劑且化學安定性較好。

2.3 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑是含能材料的重要組成部分，用含能聚合物作粘結(jié)劑是目前含能材料發(fā)展的趨勢，受到了世界各國的廣泛重視。國內(nèi)外對高能量、高密度粘結(jié)劑進行了不斷的探索研究，研制出了疊氮基和硝酸酯增塑聚醚類的各種含能粘結(jié)劑。含能熱塑性彈性體作粘結(jié)劑具有成本低、安全、容易回收等優(yōu)點，且可以采用溶劑加工方法，不必對現(xiàn)有設(shè)備進行改進，對于發(fā)展高能低易損火藥起著重要的作用。

2.4 增塑劑

硝酸酯類增塑劑一直是發(fā)射藥配方和固體推進劑中含能增塑劑的主要應(yīng)用對象，其中最常用的是高能高密度增塑劑硝化甘油（NG），目前在研制高能推進劑、硝胺發(fā)射藥和無煙推進劑中硝化甘油仍然占有一定的地位。由于增塑劑的發(fā)展常與粘結(jié)劑的發(fā)展相伴隨，近年來隨著含能疊氮粘結(jié)劑的發(fā)展，與之相匹配的新型疊氮增塑劑也相繼發(fā)展起來，極大豐富了含能增塑劑。到目前為止，含能增塑劑的品種和數(shù)量很多，從合成各種含能增塑劑類別和典型品種來看，這些化合物大多是帶有硝基、疊氮基、硝酸酯及偕二硝基的酯類、醚類、縮醛類、硝胺基烴類和低聚物等。為了使含能材料配方具有較高的能量特征，一般要求增塑劑具有低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低黏度、低遷移、高氧平衡值、高熱穩(wěn)定性和低撞擊感度。

總之，國外對含能材料研究較多，國內(nèi)對這方面的研究則比較欠缺，故應(yīng)加強新型含能材料的合成，表征和應(yīng)用研究，彌補國內(nèi)的不足。

3. 含能材料的加工

隨著軍用技術(shù)裝備需求的日益加快，傳統(tǒng)的含能材料工藝已經(jīng)不能適應(yīng)多品種的要求。無論是發(fā)達國家，還是發(fā)展中國家都非常重視含能材料制造工藝，這是未來世界各國競相重點發(fā)展的國防科學關(guān)鍵技術(shù)之一。

① 發(fā)射藥制造工藝

在發(fā)射藥的制造工藝方面，研發(fā)出了自動化噴射吸收、剪切壓延、雙螺桿擠出成型等新工藝。在剪切壓延工藝中實現(xiàn)了混合、預(yù)塑化以及顆粒造型工藝的自動化和連續(xù)化；在傳統(tǒng)溶法工藝的基礎(chǔ)上，研制出了基于包容水和溶解水的成孔原理和超臨界流體發(fā)泡原理的高燃速發(fā)射藥成型新工藝，利用該工藝制備的發(fā)射藥，其表觀燃速大幅提高。在研發(fā)上，突破了驅(qū)溶、非均和弧厚等關(guān)鍵工藝技術(shù)的難題設(shè)計并成功地研制出了具有高增面性的發(fā)射藥，提高了配合混合裝藥技術(shù)，顯著的提高了大口徑火炮彈道效率和炮口的動能。相比于同材質(zhì)的組合裝藥，具有優(yōu)異的低溫感效應(yīng)，應(yīng)用于大口徑的火炮，實現(xiàn)了在不增加工況的情況下明顯增加炮口動能，提高射程和威力。最近開發(fā)的裝藥技術(shù)，解決了一些世界技術(shù)性難題。依托這種裝藥技術(shù)，實現(xiàn)了與國外先進技術(shù)相同的彈道效果；由其組成的遠程裝藥，在不使用加長身管的手段下，提高了火炮射程，并且性能優(yōu)于國外最先進的遠程火炮。

② 推進劑裝藥工藝

在推進劑裝藥工藝方面，發(fā)展了加壓插管澆筑與真空澆筑相結(jié)合的技術(shù)，初步解決了藥槳澆筑困難的問題，有效提高了裝藥密度。成功研制出了連續(xù)壓延造粒的雙螺旋剪切壓延機，解決了高固含量改性雙基推進劑生產(chǎn)過程中壓延塑化困難，易著火燃爆等諸多難題。采用點擊的化學方法進行了固體推進劑的制備研究，得到了力學性能較好的推進劑藥柱，證實了點擊化學在復(fù)合固體推進劑中的應(yīng)用可行性。在研發(fā)上，我國已經(jīng)掌握了單室多推力裝藥技術(shù)，實現(xiàn)了單室雙推力，單室三推力和單室四推力裝藥設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)。單室多推力技術(shù)的應(yīng)用，可在發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的條件下總沖提高15%以上。

③ 混合炸藥裝藥工藝

在混合炸藥裝藥工藝上，我們十分重視高能炸藥，特別是炸藥的低成本制造技術(shù)，并且取得了不少成果。在研發(fā)上，成功開發(fā)了幾十種造型粉的制備方法，并對相關(guān)的工藝流程和裝備進行了相應(yīng)的技術(shù)升級。在混合炸藥裝藥壓制工藝中，新開發(fā)的等靜壓工藝技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜形狀炸藥件的靜成型，從而減少了原材料的損耗。成功研發(fā)的精密壓裝裝藥技術(shù)和爆炸網(wǎng)絡(luò)裝藥的澆筑工藝等新方法，滿足了新型武器對傳統(tǒng)炸藥的裝藥要求。此外，為適應(yīng)微小型火工器件的結(jié)構(gòu)要求，在一些基礎(chǔ)上，開發(fā)了含能薄膜，多孔含能基材和內(nèi)嵌復(fù)合物等火工藥劑裝藥新技術(shù)，其性能明顯優(yōu)于常規(guī)裝藥。

此外，含能材料綠色，安全生產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)也相當?shù)幕钴S，在節(jié)能減排、回收利用、污染控制與治理技術(shù)、工藝與裝備等方面取得了不少成果。

4. 含能材料的包裝

4.1 包裝的要求

含能材料是國防科技工業(yè)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)品，是衡量國家裝備水平、軍事實力的重要標志。含能材料由于其易燃易爆的特性，對生產(chǎn)、貯存、運輸與使用過程中的安全性、穩(wěn)定性要求很高，因此，含能材料包裝需具有以下基本功能。

1）需具有較高強度、良好減震性，以減小含能材料包裝物在貯存、運輸過程中受外界沖擊等破損而影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至影響安全。

2）需具有良好的導靜電性，以減小含能材料在貯存、運輸過程中摩擦產(chǎn)生靜電積累，造成含能材料發(fā)生燃燒爆炸事故的風險。

3）需具有較好的密閉性，以保證包裝物內(nèi)的含能材料產(chǎn)品在長期貯存過程中，不受外界環(huán)境影響，性能穩(wěn)定，保證產(chǎn)品使用性能。

4）需與含能材料產(chǎn)品具有良好的相容性，保證在含能材料產(chǎn)品長期儲存過程中，包裝物與含能材料不發(fā)生化學反應(yīng)，使產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生變化甚至影響安全。

5）較長的使用壽命和較高的回收利用率，以節(jié)約資源，降低成本。

6）標識易識別和防拆封，保證含能材料產(chǎn)品能夠快速識別，防止含能材料產(chǎn)品未經(jīng)授權(quán)擅自打開。

目前國內(nèi)含能材料包裝雖能夠滿足含能產(chǎn)品貯存、運輸?shù)囊?，保證產(chǎn)品質(zhì)量在長期貯存過程不發(fā)生改變，但是由于包裝材料、結(jié)構(gòu)等已不適應(yīng)當前快速發(fā)展的時代需求，更難以滿足含能材料的自動化、智能化的制造工藝需求，因此，開展含能材料包裝的升級換代工作迫在眉睫。

4.2 包裝技術(shù)

我國含能材料包裝從20 世紀50 年代發(fā)展至今，大致可以分為3 類。第1 類是以蘇式箱（木箱內(nèi)套金屬箱）為代表，以發(fā)射藥包裝為例；第2 類是以木箱包裝為代表，以炸藥包裝為例；第3類為紙筒包裝，以TNT 包裝為例。

1）蘇式箱包裝

圖1 發(fā)射藥木套箱、金屬箱實物

自20 世紀50 年代從蘇聯(lián)引進含能材料包裝技術(shù)以來，我國發(fā)射藥包裝基本上一直沿用蘇式包裝模式。發(fā)射藥包裝物主要采用木箱內(nèi)套金屬箱的結(jié)構(gòu)。包裝箱按照尺寸不同分為1 號、2 號和3 號箱。如圖1 所示。

2）木箱包裝

自1964 年我國第一條黑索今生產(chǎn)線投產(chǎn)后，便使用木箱包裝黑索今產(chǎn)品，后續(xù)隨太安、奧克托今及多種混合炸藥產(chǎn)品的投產(chǎn)成功，太安、奧克托今及混合炸藥也使用木箱包裝。木箱包裝內(nèi)包裝采用塑料袋、牛皮紙袋作為包裝材料，外包裝為木箱。木箱實物見圖2。

圖2 炸藥木箱實物

3）紙筒包裝

20 世紀90 年代，原兵總和總后軍械部組織開展含能材料包裝箱的研究工作，由國營第二五五廠（代表西南地區(qū)）和國營第四七五廠（代表東北地區(qū)）分別進行了發(fā)射藥復(fù)合紙桶外包及防靜電塑料薄膜袋、鋁252 塑薄膜袋、聚乙烯薄膜袋、中性牛皮紙內(nèi)包試驗研究。試驗表明，上述內(nèi)包裝袋與發(fā)射藥性能相容，并用于外貿(mào)產(chǎn)品包裝，20 世紀80 年代，伴隨著外貿(mào)產(chǎn)品使用紙桶包裝，混合炸藥上也陸續(xù)開始采用紙桶包裝。紙桶包裝物見圖3。

圖3 紙筒包裝物

4.3 包裝存在的問題

長期以來的使用情況表明，現(xiàn)有含能材料包裝物雖能夠滿足產(chǎn)品貯存、運輸?shù)囊?，保證產(chǎn)品質(zhì)量在長期貯存過程不發(fā)生改變，但目前含能材料所用包裝物的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、質(zhì)量、自身加工工藝以及人工現(xiàn)場操作的包裝工藝落后現(xiàn)狀，與含能材料行業(yè)實現(xiàn)自動化、連續(xù)化、無人化、綠色安全的目標存在巨大差距，主要表現(xiàn)以下方面：

1）含能材料用包裝結(jié)構(gòu)不利于實現(xiàn)包裝工藝自動化、連續(xù)化和無人化。現(xiàn)有發(fā)射藥包裝采用木箱內(nèi)套金屬箱的雙層結(jié)構(gòu)，外形為正方形，擰緊金屬箱蓋、鉛封等細節(jié)性操作難以實現(xiàn)自動化和連續(xù)化。

2）包裝物大量采用優(yōu)質(zhì)木材，不符和當前國家環(huán)保形式要求。目前含能材料包裝仍以木箱為主，包裝用木材不僅對品種有要求，且對板材的裂紋、疤痕等也有規(guī)定。一般木材的二次利用率只能達到30%到40%，我國發(fā)射藥的年產(chǎn)量達到了上萬噸，需要大量木材，造成大量浪費，不符合國家環(huán)保要求。

3）包裝物自身質(zhì)量大，操作人員勞動強度大，操作方便性差。目前生產(chǎn)和使用過程的搬運大多采用人工，極其不便。同時，現(xiàn)用的包裝箱由于其內(nèi)層金屬箱的方形結(jié)構(gòu)形式，使得操作人員在倒藥過程中不易倒完（尤其是粒度小的發(fā)射藥），造成藥料的浪費和安全隱患。

4）包裝物生產(chǎn)工藝落后、流程長，生產(chǎn)效率低。現(xiàn)用包裝物生產(chǎn)過程基本采取操作人員手工作業(yè)，作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，難以滿足產(chǎn)品包裝需要。

5）包裝物回收利用率低，返修復(fù)雜，綜合效益低?，F(xiàn)在的含能材料包裝物，回收利用率非常低。內(nèi)襯鐵箱采用鍍鋅鋼板錫焊工藝制成，二次回收或返修時必須對鐵箱進行清潔，并檢查焊接部位，極易造成鍍鋅鋼板破損或者尺寸不滿足規(guī)定要求；紙桶包裝雖然有一系列的優(yōu)點，但是由于紙桶強度和長期儲存性方面較差，基本不能二次回收或返修，成本較高。

5. 未來發(fā)展趨勢

當前，正值新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革興起，為含能材料工業(yè)先進制造技術(shù)研究及工藝技術(shù)提升帶來了機遇。加之隨著目前新材料技術(shù)、基礎(chǔ)制造工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展及民用化廣泛應(yīng)用，為國防工業(yè)的技術(shù)改造提升奠定基礎(chǔ)，也為改善我國含能材料行業(yè)技術(shù)落后的現(xiàn)狀提供技術(shù)支撐。

1）對材質(zhì)進行更新?lián)Q代以降低成本

目前含能材料產(chǎn)品包裝物仍然以木材為主，對現(xiàn)有含能材料包裝技術(shù)進行更新?lián)Q代，采取“節(jié)木代木”技術(shù)措施，是滿足國家環(huán)保要求，保證生態(tài)文明健康發(fā)展的大勢所趨。降低了制造成本，保障了產(chǎn)品質(zhì)量安全并且節(jié)約資源。

2）對結(jié)構(gòu)進行改進以滿足自動化、智能化

現(xiàn)在的包裝物結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)包裝過程中多層包裝物翻折、金屬箱封口、掛扣等操作自動化；多層包裝物封裝過程中，內(nèi)、外包裝物之間易產(chǎn)生夾層藥、箱間藥，存在安全隱患。對其結(jié)構(gòu)、尺寸、外觀形式進行改進，便于用戶使用操作，同時又能減小安全風險，適應(yīng)生產(chǎn)自動化的需求，因此，對包裝物結(jié)構(gòu)進行改進，以適應(yīng)自動化、智能化制造的需要，是含能材料包裝物的發(fā)展趨勢之一。

3）采取電子信息技術(shù)

目前含能材料包裝物外包裝標識，采用油漆粉刷的方式，流程復(fù)雜，效率低下；內(nèi)包裝標識采用紙質(zhì)裝箱單的方式，工藝原始，操作不便；鉛封采用人工掛鉛塊，并鉛封的方式，難以實現(xiàn)自動化操作。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，采用直接在包裝物粘貼標識的方式實現(xiàn)包裝物信息標識，并實現(xiàn)電子鉛封，以便實現(xiàn)包裝產(chǎn)品信息化管理，通過電子識別，快速掌握產(chǎn)品相關(guān)信息，系統(tǒng)可自動識別，并對其進行碼垛，完成包裝的包裝箱進行裝車前整理，從而實現(xiàn)整個過程的自動化、連續(xù)化、無人化和智能化。

總之，通過對未來含能材料產(chǎn)品用包裝技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，優(yōu)化包裝物的材料和結(jié)構(gòu)，適應(yīng)自動化、智能化制造的需要是未來含能材料產(chǎn)品包裝技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。