一种高能点火药制备与性能测试

李昊杰，王保国，王 智

(1. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原，030012)



一种高能点火药制备与性能测试

李昊杰1，王保国1，王 智2

(1. 中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原，030012)

为解决高热燃烧剂难点燃的难题，本文以KNO3，MnO2为氧化剂； Mg，Al为可燃剂； 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛树脂(PF)为粘结剂，设计了一种双层包覆结构高能点火药，采用溶剂蒸发-重结晶包覆工艺制备出了该高能点火药，并对其主要性能进行了测试和点燃性的初步验证. 结果表明： 该点火药的5 s延滞期的爆发点为303 ℃，残渣率为93.28%，摩擦感度为40%，撞击感度为16%，静电火花感度为0%，能可靠点燃试验中的高热燃烧剂.

高能点火药； 火药制备； 火药点燃性

0 引 言

研究表明，燃烧弹已成为战场上对敌进行杀伤的有效手段[1]，但由于装填燃烧弹的高热燃烧剂是很难点燃的烟火药剂，因此，需要数种传火药[2]实现其点火功能，导致点火结构复杂、 尺寸大，不能满足现代战争对武器弹药小型化和高可靠性的要求. 因此，需要研制一种用于直接点燃高热燃烧剂的高能点火药，实现其方便、 可靠的引燃.

黑火药由于其燃烧时能产生大量气体，易于建立起点火压力，且火焰长度长等优点，作为点火药，在弹药上广泛应用，但它的主要缺点是吸湿，低压下燃烧性能不好[3]. 田春雷[4]以KNO3，Mg，Al，S作为点火药的组分, 采用干混法制备点火药，能可靠点燃试验中的铝热剂. 但其存在以下问题： ① KNO3分解产生的N2会使部分热量散失，导致其残渣率和热量降低，从而影响其点火能力； ② S的粘结性差，导致药柱的力学性能降低，且燃烧产生SO2气体，既降低了残渣率和热量，又对环境造成一定程度的污染； ③ 干混法存在操作安全性低、 易产生粉尘、 组分间密度的差异导致其混合不均匀等缺点.

本文结合XX燃烧弹的特殊要求，在研究高热燃烧剂和点火药技术要求的基础上，以文献[4]的配方为基础配方，以KNO3, MnO2为氧化剂，以Mg, Al为可燃剂，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛树脂(PF)为粘结剂，采用溶剂蒸发-重结晶包覆工艺制备出了该高能点火药，并对其主要性能进行了测试和点燃性的初步验证.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂： 硝酸钾，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司出品； 二氧化锰，分析纯，天津博迪化工股份有限公司出品； 镁粉，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司出品； 铝粉，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司出品； PF，分析纯，山西新联友化学工业有限公司出品； PVP，分析纯，山西新联友化学工业有限公司出品； 无水乙醇，符合GBT 678-2002的技术要求，天津市天大化学试验厂出品； 5类黑火药，符合《黑火药规范》(GJB1056A-2004)技术要求，山西北方晋东化工有限公司出品.

仪器： 电子天平，0～600 g，分度值0.01 g，浙江省凯丰集团有限公司出品； 电子分析天平，精度值0.000 1 g，北京光学仪器厂出品； AHX-871安全型烘箱，南京理工大学出品； 恒温搅拌装置，杭州瑞佳精密仪器有限公司出品； 125 mL蒸馏烧瓶，带蒸馏装置，天津市玻璃仪器有限公司出品.

1.2 制备过程

本实验采用溶剂蒸发-重结晶包覆工艺，即随着溶剂的挥发，氧化剂首先从悬浮液中重结晶析出并包覆在可燃剂的表面，然后粘结剂相变析出并包覆在药剂的表面[5]，得到高能点火药. 其制备工艺流程如图 1 所示.

图 1 高能点火药制备工艺流程Fig.1 Preparation flow of High-energy ignition compositionhigh-heat

① 量取适量蒸馏水倒入烧杯中，称量0.2 g PVP和5.2 g KNO3倒入烧杯中，搅拌使其完全溶解； ② 称量2.0 g Al粉并倒入PVP, KNO3的水溶液中，待其搅拌均匀后，设定加热温度和搅拌速度，使水以一定的速度蒸发，KNO3从溶液中重结晶析出并包覆在Al粉的表面，PVP随后相变析出并包覆在铝粉和KNO3的表面，得到固体混合物； ③ 量取无水乙醇倒入烧杯中，将称量好的0.2 g PF倒入烧杯，搅拌，使PF完全溶于酒精； ④ 称量0.6 g MnO2固体和1.8 g Mg粉并混合均匀，将其和第二步得到的混合物加入到PF的酒精溶液中并搅拌均匀； ⑤ 设定加热温度和搅拌速度，无水乙醇以一定的速度蒸发，PF从溶液中相变析出，包覆在它们的表面，得到具有双包覆层的高能点火药. 乙醇蒸气通过冷凝装置进行回收. 当无水乙醇基本蒸干时，停止加热，并收集在蒸发皿中.

1.3 性能测试

1.3.1 爆发点

按照 GJB 770B-2005 火药试验方法606.1 爆发点5 s延滞期法，对高能点火药进行试验[6]，试验条件： 药量(10±2) mg，取10 ℃为步长.

1.3.2 撞击感度

按照GJB 770B-2005 火药试验方法601.1撞击感度爆炸概率法，对高能点火药进行试验[6]，试验条件： 落锤质量为(5.000±0.005) kg，药量为(30±1) mg，落高： (25±1) cm； 试验温度为室温(20±2) ℃，相对湿度不大于80%.

1.3.3 摩擦感度

按照GJB 770B-2005 火药试验方法602.1摩擦感度爆炸概率法，对高能点火药进行试验[6]，试验条件： 表压为3.92 MPa，摆角为(90±1)°，药量为(20±1) mg，试验温度为室温(20±2) ℃，相对湿度不大于80%.

1.3.4 静电感度

按照 GJB 2178.7A-2005 传爆药安全性试验方法，静电感度爆炸概率法，对高能点火药进行静电感度试验[7]，试验条件： 药量为(20±1) mg，连续试验20发，试验温度为室温(20±2) ℃，相对湿度不大于80%.

1.4 固体残渣率测试

取一定质量(10.00±0.01) g高能点火药进行点燃，然后称量燃烧后的固体残渣质量，将点燃前后质量进行比较，以2次试验结果的算术平均值作为其固体残渣率.

图 2 点火试验结构示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of ignition test

1.5 高热燃烧剂的点燃性试验

根据燃烧弹中点火药、 高热燃烧剂的装药结构，按照高能点火药粉、 高能点火药药柱和高热燃烧剂药柱的点火结构,进行2组点燃性试验. 结构如图 2 所示.

2 结果与讨论

2.1 原材料选择

点火能力是一个综合的考核指标，研究表明[2]： 产生大量热熔渣的点火药，因其热量大而反映出其点火能力强； 少气体的点火药因产生大量灼热熔渣留在被点燃的主装药表面上，使得主装药获得较多的热量而引燃. 因此，选择生成更多固体残渣和燃烧热大的氧化剂和可燃剂以及粘结效果更好的粘结剂，以提高其能量、 残渣率和点火能力.

1) 氧化剂： 点火药常用的氧化剂主要有KNO3，PTFE，KClO4等[2]. KNO3具有熔点低、 相对分子质量小，放出氧气多，分解热小等优点，常用作点火药的氧化剂，但KNO3分解会生成N2，使热量散失，降低点火性能； MnO2分解温度为535 ℃，与点火药发火点要求相当，但它分解时只产生氧气且MnO2燃烧热比KNO3高，所以本实验选用MnO2替代部分文献[4]中的KNO3作为高能点火药的氧化剂.

2) 可燃剂： 为了提高点火能量，高能点火药的可燃剂一般选用Mg粉、 Al粉或B粉等燃烧热较大的高能粉末 . Al粉燃烧会释放出大量的热，并生成Al2O3固体残渣； 与Al粉相比，Mg粉燃烧热较小、 与水发生化学反应，但它在空气中的发火点较低，易点燃. 用Mg和Al作为复合可燃剂，不仅可以降低点火药的发火点，而且燃烧反应会放出大量的热，同时生成大量的固体残渣附着在高热燃烧剂表面，使能量得以提升. 所以本实验选用Mg粉和Al粉作为可燃剂.

3) 粘结剂： 粘结剂分为天然粘结剂和人工合成粘结剂[2]. PF和PVP是烟火药剂中常用的粘结剂,PF易溶于无水乙醇，PVP易溶于水. 它们的粘结能力强，能使可燃剂与氧化剂混合更加均匀，同时抗腐蚀性能好，含氧量高，具有较高的燃烧热，不产生有毒有害气体. 所以本实验选用PF和PVP作为复合粘结剂取代文献[4]中的S.

2.2 溶剂和悬浮剂的选择

根据重结晶溶剂选择原则[8]，选择水和无水乙醇作为溶剂. 水价格低廉，原料易得，且无污染，所以，以水作为KNO3，PVP的溶剂和铝粉的悬浮剂； 无水乙醇表面张力小于水，对粒子润湿性更强，可以加大分散性，沸点为78.3 ℃，易于挥发，所以，选择无水乙醇作为PF的溶剂和Mg的悬浮剂.

2.3 性能测试

2.3.1 爆发点

表 1 为高能点火药与黑火药的爆发点测试结果.

表 1 爆发点测试结果

从表1中可以看出，高能点火药比黑火药的5 s爆发点降低了7 ℃. 分析认为： 高能点火药粒度较细，受热均匀，单位质量物质的接触面积变大，而且包覆在外层的Mg着火点低，易点燃，使爆发点降低； 同时高能点火药中的金属组分都是热的良导体，导热性能高于碳(Al的导热系数为237 W/mK； Mg的导热系数为148 W/mK； 碳的导热系数129 W/mK)，使得其爆发点降低； 粘结剂PF和PVP受热后软化要吸收一定热量,使得其爆发点升高. 以上的综合作用使高能点火药5 s爆发点比黑火药有所降低.

2.3.2 撞击感度

表 2 为高能点火药与黑火药撞击感度测试结果.

表 2 撞击感度测试结果

从表2中可以看出，高能点火药比黑火药的撞击感度降低4%. 分析认为： 高能点火药在受到撞击时，作用力可使药剂发生形变，而Mg, Al, MnO2硬度较大(Al的莫氏硬度为2.75； Mg的莫氏硬度为2.5； MnO2的莫氏硬度5)，撞击时形变较小，容易形成热点，使其撞击感度升高； PF具有脆性，受到冲击时，它的破裂和PVP的弹性变形吸收一定的能量，同时它们的加入提高了高能点火药的流散性，使颗粒间摩擦减小，不易形成热点. 它们的综合作用使高能点火药的撞击感度比黑火药有所下降.

2.3.3 摩擦感度

表 3 为高能点火药与黑火药摩擦感度测试结果.

表 3 摩擦感度测试结果

从表3中可以看出，高能点火药比黑火药的摩擦感度增加12%. 分析认为： Mg, Al, MnO2硬度较大，增加了高能点火药的摩擦力，有利于热点的形成，使得高能点火药的摩擦感度升高； 由于Mg发火点低，受到摩擦力作用时Mg首先发火，然后引发高能点火药燃烧，使得高能点火药的摩擦感度升高； PF和PVP使高能点火药流散性提高，降低了高能点火药颗粒间摩擦阻力，使其摩擦感度降低. 在上述因素的共同作用下，造成该高能点火药的摩擦感度较高.

2.3.4 静电感度

表 4 为高能点火药与黑火药静电感度测试结果.

表 4 静电感度测试结果

从表4中可以看出，高能点火药与黑火药的静电感度相同. 分析认为： Mg和Al均为静电的良导体，导电能力强，使得高能点火药不易发生静电累计，不易发火，使高能点火药的静电感度降低； PF和PVP是静电的不良导体，使静电不易导出，使高能点火药静电感度升高. 两者的综合作用使高能点火药静电感度与黑火药相同.

2.4 固体残渣率测试

表 5 为高能点火药固体残渣率测试结果与文献[4]点火药和黑火药的固体残渣率的比较.

表 5 固体残渣率测试结果

从表5中可以看出，高能点火药的固体残渣率要高于文献[4]的点火药和黑火药. 分析认为： KNO3受热分解的产物为K2O, N2和O2，固体分解产物占46.5%, MnO2分解产物为固体金属Mn和O2，固体占63.2%，用6%的MnO2替代KNO3可使高能点火药残渣率有一定程度的提高； 但PVP, PF和S燃烧产物均为气体，且高能点火药中粘结剂(PVP, PF)的质量百分含量比相似点火药粘结剂(S)的高1%，粘结剂含量的增加使得高能点火药的产气量有所增加，导致高能点火药残渣量有所降低. 两者的综合作用使高能点火药的固体残渣率高于文献[4]的点火药.

2.5 点燃性试验

试验现象如图 3 所示. 燃烧时发出耀眼亮光，燃烧反应很剧烈，当燃烧完毕后，观察到砖块上只有铁渣，没有燃烧剂的残留物，说明该点火药有很强的点火能力，能直接点燃高热燃烧剂. 高能点火药的最终配方为52% KNO3, 6% MnO2, 18% Mg, 20% Al, 2%酚醛树脂(PF)和2%聚乙烯吡咯烷酮(PVP).

图 3 燃烧现象Fig.3 The appearace of burning

3 结 论

1) 以KNO3, MnO2为氧化剂，Mg，Al为可燃剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛树脂(PF)为粘结剂，采用溶剂蒸发-重结晶包覆工艺制备出了该高能点火药.

2) 高能点火药的主要性能测试和高热燃烧剂的点燃性初步试验结果表明： 该点火药的5 s爆发点比黑火药降低7 ℃，撞击感度比黑火药降低4%，摩擦感度比黑火药提高12%，静电感度与黑火药的一致，残渣率为94.3%； 该高能点火药可直接点燃高热燃烧剂.

3) 在工艺条件和粘结剂的选择上还有待进一步完善和优化.

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[2] 潘功配. 高等烟火学[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社，2005.

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[6] GJB770B-2005. 火药试验方法[S]. 国防科工委军标出版发行部，2005.

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[8] 程能林. 溶剂手册[M]. 北京： 化学工业出版社，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，硕士生，主要从事超细含能材料制备和改性技术的研究.

TQ565

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.014