水性膠黏劑在火工藥劑制備中的應(yīng)用

曹曉峰

(福建海峽科化股份有限公司烽林分公司，福建 三明 350400)

膠黏劑品種繁多，其化學(xué)組成各不相同，性能、形態(tài)及外觀(guān)也不同，黏結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)方式甚至不同膠黏劑的應(yīng)用范圍也不相同。即使常說(shuō)的“萬(wàn)能膠”類(lèi)膠黏劑也只是應(yīng)用范圍較廣一些，并不是真正的萬(wàn)能。目前我國(guó)市面上的膠黏劑品種超過(guò)3000種，分為溶劑型、水基型、固體型、膏狀型等[1]。

所謂水性膠黏劑是那些以水或乳液為溶劑，成膜材料可均勻地溶解或分散于水貨乳液中，干燥或固化后起粘接或連接作用的膠種。由于這類(lèi)膠黏劑以水或乳液為溶劑，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，又稱(chēng)環(huán)保膠黏劑[2]。由于此類(lèi)膠黏劑順應(yīng)了當(dāng)前我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略，其發(fā)展速度很快，再加上高新技術(shù)在水性膠黏劑選材、配方設(shè)計(jì)、乳液與膠黏劑制備中的應(yīng)用，近年來(lái)出現(xiàn)了眾多粘結(jié)性能可以與溶劑型膠黏劑相媲美的膠種，進(jìn)一步拓寬了水性膠黏劑的應(yīng)用領(lǐng)域。

火工藥劑生產(chǎn)從原料到產(chǎn)品都是易燃易爆品，屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，技術(shù)含量相對(duì)不高，設(shè)備落后，絕大部分仍未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，容易發(fā)生爆炸事故。

煙火藥制備過(guò)程是將氧化劑、還原劑、敏化劑、功能藥劑及膠黏劑按照一定比例進(jìn)行工藝處理的過(guò)程?；鸸に巹┲饕墓δ苁屈c(diǎn)火、延期、傳火、起爆、發(fā)煙等，固有的危險(xiǎn)性致使燃燒爆炸的危險(xiǎn)因素遍及煙火藥的整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。由于有工序是需要操作人員直接接觸藥劑(特別是混合后的藥劑)，因此它是火工藥劑生產(chǎn)中最危險(xiǎn)的工序[3]。

火工藥劑生產(chǎn)包括混合、造粒、烘干等工序，其中常用的混藥方式是機(jī)械混合，將原材料放入混藥鼓中，通過(guò)攪拌槳攪拌將物料混合均勻，添加膠黏劑進(jìn)行造粒，然后送入烘干間烘干。目前使用較多的膠黏劑是溶劑型膠黏劑，水性膠黏劑的成本低于等量的溶劑型化合物，即使是便宜的有機(jī)溶劑也比水貴。當(dāng)用水作介質(zhì)時(shí)，同有機(jī)溶劑相關(guān)聯(lián)的易燃性與毒性問(wèn)題被消除。水性膠黏劑較易被配制成極端范圍的黏度與固含量，例如水性膠黏劑比溶劑型膠黏劑更易制得高固含量-低粘度或高粘度-低固含量的組合。在水分散液中的聚合物濃度可以比溶劑型膠黏劑高很多。水性膠黏劑的滲透與潤(rùn)濕可通過(guò)表面活性劑或分散液中膠粒的大小來(lái)控制。配方中可以使用增稠劑使黏度增大到可防止水性膠黏劑滲透到多孔表面內(nèi)的程度。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文以硝酸肼鎳、單基藥為原材料，以水型膠黏劑為粘合劑，制備一種高感度的火工藥劑，通過(guò)藥劑性質(zhì)表征該混藥方式的可行性及優(yōu)越性。

1.1 原材料準(zhǔn)備

(1)硝酸肼鎳：自制、化合后抽濾，不烘干，含水量18%～21%，經(jīng)水份分析確定含水量；

(2)單基藥：自破碎，100目篩下物，含水量25%～30%，經(jīng)水份分析確定含水量；

(3)羥甲基纖維素鈉(10萬(wàn)速溶型)，石家莊創(chuàng)盛建筑材料有限公司；

(4)8%硝化棉丙酮溶液，自制；

(5)丙酮(AR)，上海阿拉丁生化科技有限公司。

1.2 藥劑制備

1.2.1 水型膠黏劑制備方法

藥劑制備工藝流程為：混合、造粒、烘干、收藥，其中混合設(shè)備為全自動(dòng)混合制粒機(jī)，造粒設(shè)備為搖擺式造粒機(jī)30目、烘干設(shè)備為水浴烘箱，收藥設(shè)備為自動(dòng)振篩機(jī)。為保障制備過(guò)程安全，所有設(shè)備放置在抗爆間內(nèi)，制備過(guò)程確保人機(jī)隔離。

分別稱(chēng)量硝酸肼鎳(干量)、單基藥(干量)、羥甲基纖維素鈉，倒入混合制粒機(jī)中，混合15 min，出料后使用30目篩網(wǎng)造粒，烘干至藥劑含水量5%～10%，收集25～60目篩藥劑。

從表1結(jié)果可以看出，干態(tài)水型膠黏劑羥甲基纖維素鈉直接混入物料中，利用物料自帶的水分形成黏性，在混合過(guò)程對(duì)物料進(jìn)行包覆。通過(guò)理化分析對(duì)硝酸肼鎳含量進(jìn)行分析，其含量與添加量相近，證明物料混合均勻，主要原因是物料都為半濕態(tài)固態(tài)，雖然物料密度有差異，但具有一定的含水量，不易沉積，混合均一性更好；使用振動(dòng)篩收集得到的物料得率都達(dá)到85%以上，主要原因是該水型膠黏劑與其他物料混合均勻，吸收水分后可以提供足夠粘性，藥粒強(qiáng)度高，均一性好。

表1 不同配比藥劑性能分析

從表2結(jié)果可以看出，相同配比制備的藥劑單組份硝酸肼鎳含量9.7%～10.3%，與硝酸肼鎳添加量10%相符，證明該工藝配方穩(wěn)定性較高，可以滿(mǎn)足工業(yè)批量化生產(chǎn)要求；該配方得率可以達(dá)到92%以上，證明藥劑粒度、強(qiáng)度穩(wěn)定，較大顆?；蛘叻蹱钗锷?，可以滿(mǎn)足后續(xù)自動(dòng)化裝壓藥工序要求，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

表2 相同配比藥劑性能分析

從表3可以看出，不同型號(hào)的膠黏劑對(duì)藥劑混合均勻性有較大的影響，20萬(wàn)型羥甲基纖維素鈉制備的藥劑硝酸肼鎳含量?jī)H8%，藥劑得率下降嚴(yán)重，主要原因是不同型號(hào)的羥甲基纖維素鈉粘度不一樣，與水結(jié)合的速度以及需要水的量也不一樣，20萬(wàn)型粘度過(guò)大，在物料混合均勻以前已經(jīng)具備一定的粘度，導(dǎo)致物料無(wú)法混合均勻，篩藥時(shí)一些沒(méi)有膠黏劑的物料為粉末狀態(tài)，而膠黏劑含量較多的物料粘度太大，形成較大顆粒，25～60目藥劑偏少。

表3 不同膠黏劑制備的藥劑性能分析

感度指標(biāo)是火工藥劑最重要的安全指標(biāo)，采用GJB 5891.22-2006《火工品藥劑試驗(yàn)方法第22部分：機(jī)械撞擊感度試驗(yàn)》對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中、烘干后不同含水量的藥劑進(jìn)行感度分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 藥劑撞擊感度

從表4可以看出，藥劑含水量越高，藥劑感度越低。制藥過(guò)程中材料在含水在25%以上，藥劑非常鈍感，烘干工序?qū)⑺巹┖拷档椭?%～10%時(shí)，藥劑感度有增加，100%不發(fā)火高度也很高，生產(chǎn)過(guò)程普通操作產(chǎn)生的撞擊不會(huì)造成藥劑燃燒；當(dāng)藥劑烘干至含水量0.5%時(shí)，屬于干態(tài)藥劑，藥劑感度增加明顯。

1.2.2 溶劑型膠黏劑制備方法

藥劑制備工藝流程為：混合、烘干、掐合、造粒、烘干、收藥，其中混合設(shè)備為全自動(dòng)混合制粒機(jī)，造粒設(shè)備為搖擺式造粒機(jī)30目、烘干設(shè)備為水浴烘箱，收藥設(shè)備為自動(dòng)振篩機(jī)。為保障制備過(guò)程安全，所有設(shè)備放置在抗爆間內(nèi)，制備過(guò)程確保人機(jī)隔離。

分別稱(chēng)量硝酸肼鎳(干量)、單基藥(干量)倒入混合制粒機(jī)中，混合15 min，出料使用水浴烘箱烘干至水分含量低于0.5%，導(dǎo)入掐合機(jī)，噴入酒精潤(rùn)濕物料，緩慢噴入硝化棉膠進(jìn)行掐合，完成后使用使用30目篩網(wǎng)造粒，烘干至藥劑含水量低于0.5%，收集25～60目篩藥劑。

從表5中可以看出，不同配比的物料混合制備的藥劑硝酸肼鎳含量分析結(jié)果與投料量相近。物料混合均勻性較好，主要原因是兩種物料在半濕態(tài)混合不會(huì)因密度差異過(guò)大而導(dǎo)致沉降；制備的藥劑得率80%～85%，低于水型膠黏劑得率，主要原因是掐合過(guò)程無(wú)法將硝化棉膠液均勻分布到物料顆粒上，掐合過(guò)程膠液中溶劑容易揮發(fā)，導(dǎo)致膠液團(tuán)聚速度快，易形成大顆粒物，25～60目的合格藥劑偏少，得率降低。

表5 不同配比藥劑性能分析

2 結(jié)果分析

2.1 工序數(shù)量

表6 兩種膠黏劑工序數(shù)量對(duì)比表

溶劑型膠黏劑較水型膠黏劑工序多3個(gè)，相對(duì)應(yīng)的操作人員也增加3人，半成品的周轉(zhuǎn)量較大，人工成本增加較多，生產(chǎn)過(guò)程中的水電氣消耗量也增多，整體成本高，效率低。

2.2 安全性

溶劑型膠黏劑在藥劑制備過(guò)程中有烘干、掐合工序藥劑含水量為0.5%，這兩道工序藥劑感度高，容易產(chǎn)生安全事故。

水型膠黏劑在藥劑制備過(guò)程中，含水量始終保持在5%以上，整體工藝安全性高，不易出現(xiàn)安全事故。

2.3 環(huán)境友好性

水型膠黏劑制備藥劑過(guò)程中，僅有水作為溶劑，整個(gè)過(guò)程職工防護(hù)以防塵、防靜電為主，勞保護(hù)具簡(jiǎn)單、輕便。

溶劑型膠黏劑制備藥劑過(guò)程中，有酒精、丙酮等揮發(fā)性溶劑存在，生產(chǎn)車(chē)間味道大，為保障職業(yè)衛(wèi)生，要求職工穿戴呼吸過(guò)濾器，工房要布置溶劑濃度檢測(cè)系統(tǒng)，投資較大。

3 結(jié) 論

火工藥劑制備是武器裝備生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，但其感度高的特性造成制備工序危險(xiǎn)性高、事故頻發(fā)，急需新的綠色安全的制備工藝。水型膠黏劑是一種技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的膠黏劑，在化工行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是在火工藥劑制備中應(yīng)用較少，本文從多方面對(duì)比水型膠黏劑的應(yīng)用可能，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合比較，水型膠黏劑在火工藥劑制備過(guò)程中較溶劑型膠黏劑安全性高、工序少、成本低、環(huán)境友好，符合國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向，優(yōu)勢(shì)明顯，在火工藥劑制備中是一種值得推廣的膠黏劑。