显微方法在发射药燃烧残渣溶解性研究中的应用

张开闩，吴斌，余旭华，邹志强

(陆军军官学院 四系，安徽 合肥230031)

0 引言

枪炮等身管武器射击后，内膛会留有附着力极强的残渣，其组成主要是发射药燃烧残渣和挂铜(或挂塑)，会在一定程度上影响武器的战术技术性能，甚至导致膛炸等事故，有必要对其进行擦拭。研究表明，身管内壁附着性残渣的主要成分是未完全燃烧的有机中间产物或残药、弹带(或闭气环)的残留物及燃烧过程中无法完全气化的降蚀剂、安定剂、消焰剂、原材料中混杂的无机盐杂质等［1］。目前，常用炮刷机械摩擦与擦拭剂相配合的方式进行身管擦拭［2］，擦拭剂的组成直接决定了身管擦拭的效果。北约国家均使用美国的CLP-ME 系列擦拭剂，其成分未见报道。部队常用方法是用大量汽油、肥皂水或碱性液等反复清洗擦拭，擦干后再涂防护油或润滑脂。这种方法不仅除残渣效果较差，且对内膛有腐蚀，费时费力［3］。

目前，对残渣溶解性的研究往往局限于擦拭效果，对溶解过程中溶剂体系的渗透性、润湿性和分散性并无实时观察手段。本文以步枪发射药常温常压下燃烧残渣为研究对象，采用显微手段观察溶解过程，通过比较其在不同溶剂中的溶解能力，为研制新型枪炮内膛擦拭剂开展了探索。

1 实验

1.1 原料和试剂

95 式5.8 mm 自动步枪发射药，制式。

原料:松油醇、煤油、45#变压器油，合肥学乐试剂仪器有限公司产，工业级。

试剂:二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇乙醚、三乙醇胺、乙酸异戊酯、脂肪醇聚氧乙烯醚(仲醇AEO-9)、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(OP-10)，上海国药集团化学试剂有限公司产，分析纯。

1.2 实验仪器和方法

显微测试:采用湖北潜江市教学仪器厂5 000 倍数码显微镜，使用电子目镜、可调电光源。

燃烧实验方法:参考GJB 2378—1995 武器清洁润滑防护三用油规范规定的方法。常温、常压下，将5 g±0.5 g 弹头火药粉置于直径10 cm 瓷蒸发皿中点燃，燃烧后冷却，吹去表面非附着性残渣后，刮取粉末状残渣。

溶解率测定:将粉末状残渣于设定温度下用擦拭剂浸泡后，置于载玻片上观察。使用ImageJ 软件1.46 版，对显微图像进行黑白二值化色彩分析后，统计黑色区域面积减小率作为溶解率。

正交实验:为了选定正交实验各溶剂质量分数的取值范围，先考察发射药燃烧残渣在不同溶剂中的溶解率，随后按照L16(45)正交表进行实验。指标项目为发射药燃烧残渣溶解率。

2 结果与讨论

2.1 发射药燃烧残渣在不同溶剂中的溶解过程

20 ℃时，发射药燃烧残渣溶解于DMSO 的完整过程如图1所示。对图1各相应图像使用ImageJ 软件进行色彩分析，并计算溶解率，结果如图2所示。

由图1(a)可知，发射药燃烧残渣中存在大量溶于DMSO 的半透明物质，推测其成分为有机物。随着可溶性有机物的不断溶解和分散到溶剂中，不溶于DMSO 的无机物逐步显现。24 h 后，半透明区域完全消失，仅余下黑色残留物如图1(d)所示，不溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、浓硫酸、甲酸、丙酮等溶剂，结合相关文献对发射药燃烧残渣的红外光谱及电子能谱分析［4-5］，推测其为发射药不完全燃烧形成的积碳。

图1 发射药燃烧残渣在DMSO 中的溶解过程(电子目镜图像，放大100 倍)Fig.1 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(electronic eyepiece image，×100)

通过分析发射药燃烧残渣在DMSO 中的微观溶解过程，可知随着可溶性残渣的不断溶解，夹杂在其内部的无机物也逐步得以去除。为了更好地分散挂铜、积碳等无机物，发射药燃烧残渣擦拭剂必须考虑加入清净分散剂和除积碳性能良好的组分。

2.2 发射药燃烧残渣的溶解性

20 ℃条件下，考察发射药燃烧残渣在不同溶剂中的溶解率，结果如图3所示。

图2 发射药燃烧残渣在DMSO 中的溶解过程(使用ImageJ 软件分析，放大100 倍)Fig.2 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(analysis via software ImageJ，×100)

由图3可知，极性较强的溶剂对发射药燃烧残渣溶解性也较好。根据高分子溶解的一般规律，由于发射药燃烧残渣为非晶态，其与溶剂的相互作用主要取决于二者的极性和溶解度参数相近程度。考虑到枪药的主要成分为极性较强的硝化纤维，据此可判断残渣中含有较多发射药残留。对溶解过程的显微观察表明，极性溶剂对残渣的渗透能力较高。因此极性溶剂对其有较好的溶解能力，在优化擦拭剂配方的研究中应当保证有足够的极性溶剂比例。

图3 不同溶剂对发射药燃烧残渣的溶解率(放大100 倍)Fig.3 Dissolution ratioes of residue in different solvents (×100)

2.3 发射药燃烧残渣的溶剂组成优化设计

采用45#变压器油为基础油，以发射药燃烧残渣的溶解率为标准优化擦拭剂配方，10 ℃下充分浸泡2 h. 正交实验结果如表1所示。

表1 正交实验方案及发射药燃烧残渣溶解率测定结果Tab.1 Factors in the table and the dissolution ratio of residue

极差分析可见，乙二醇乙醚对火药燃烧残渣的影响最大，这可能是由于其极性较高、渗透能力较强［6］(偶极距6.94)。DMSO 的极性虽强(偶极距13.34)，但是极差却最小，可能与其在低温下的渗透力较低有关。三乙醇胺可起到乳化剂和螯合剂作用，AEO-9 主要起到润湿作用，同时这两种溶剂在溶解过程均会形成氢键，有利于残渣的溶解和分散。显微观察表明，由于溶剂中含有质量百分比为4%的清净分散剂(AEO-9)，溶剂向残渣深层渗透速率加快0.5 ～1.0 倍，这应当与不溶组分顺利从已润湿的残渣表面移除有关。

2.4 发射药燃烧残渣的擦拭效果

采用表1正交实验中实验13 的溶剂配方，10 ℃条件下，对不锈钢片上的发射药燃烧残渣浸泡5 min，用玻璃棒缠绕擦镜布进行擦拭，用力不大于1 N，擦拭前后对比效果如图4所示。

图4 钢片表面擦拭效果比较Fig.4 Cleaning result of steel surface

称量擦拭前后样品，可知清除了99.6% 的残渣，多次重复实验均在99%以上，优于美军武器装备清洁、润滑、防护剂标准MIL-PRF-63460E(2006)规定的80%清除率。通过显微观察，发现该溶剂能迅速渗透并润湿残渣。

3 结论

1)发射药燃烧残渣由大量有机物和少量无机物共同组成，难溶的积碳等物质会随着有机物的不断溶解易于去除。

2)发射药燃烧残渣易溶于极性较强的溶剂，在设计溶剂配方过程中还要综合考虑各助剂的渗透、润湿和分散作用。

3)显微方法能全面、直观地研究溶剂对发射药燃烧残渣的渗透性、润湿性和分散性。

此外，本文所述枪药燃烧残渣为常温、常压下获得，与高温、高压下获得的残渣在组成、结构上均有较大差异，在相关研究中应予考虑。

References)

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［4］乔丽洁，刘志涛，王泽山. 炮用模块装药燃烧残渣分析［J］. 火炸药学报，2010，33(6):80 -82.QIAO Li-jie，LIU Zhi-tao，WANG Ze-shan. Analytical study on combustion residue of modular charges［J］. Chinese Journal of Explosives ＆ Propellants，2010，33(6):80 -82. (in Chinese)

［5］Steffen S，Otto M，Niewoehner L，et al. Chemometric classification of gunshot residues based on energy dispersive X-ray microanalysis and inductively coupled plasma analysis with mass-spectrometric detection［J］. Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy，2007，62(9):1028 -1036.

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