大颗粒球形发射药的制备及性能测试

王召青，刘 勋，董朝阳，张华君，史 雨，裴重华

(1. 西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川 绵阳 621010； 2. 泸州北方化学工业有限公司，四川 泸州 646003)

大颗粒球形发射药的制备及性能测试

王召青1，刘 勋1，董朝阳2，张华君2，史 雨1，裴重华1

(1. 西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川 绵阳 621010； 2. 泸州北方化学工业有限公司，四川 泸州 646003)

为了解决现有球形发射药制备中存在的溶剂用量大、粒径不均一的问题，以双基吸收药为原料，采用剪切搓圆法制备大颗粒球形发射药。研究了溶棉质量比、搓丸刀间距、丸条直径对球形药质量的影响，采用密闭爆发器试验对成型、干燥后的样品进行了定容燃烧性能测试。结果表明,当溶棉质量比为0.4∶1.0、搓刀间距为0.4mm、丸条直径为3.8mm时，可得到粒径均一的球形颗粒，烘干后球形颗粒伸长度为1.033，颗粒密度可达1.680g/cm3，堆积密度可达0.945g/cm3，与内溶法制备的球形药的密度相当，密闭爆发器实验所得曲线表明制备的球形颗粒燃烧过程稳定，呈减面性。

球形发射药；球形颗粒；剪切搓圆；密闭爆发器试验；定容燃烧性能

引 言

球形发射药因具有良好的流散性、便于装填且有较高的装填密度，是轻武器及小口径武器的主要装药药型[1],也在大中口径身管武器方面得到初步应用。Olin公司1987年发展了直径超过4.0mm的球形药，制备大颗粒球形发射药成为一种发展趋势[2]。制备球形药的方法可分为内溶法和外溶法，内溶法工艺[3-5]制备的颗粒粒径小于2mm，水和溶剂用量大，一般为固体原料药质量的5～20倍，这种方法通过搅拌成球，粒径不易控制且不均匀；外溶法成型工艺分为预溶法成球工艺和挤出法成球工艺，预溶法成球工艺过程与内溶法相似，但制备的颗粒粒径分布较宽，挤出法成球工艺[6-7]制备的颗粒最大可达8mm，水和溶剂量一般为固体原料质量的2～5倍，这种方法制备的球形药可以应用于大口径的身管武器，但是物料经过挤出、造粒后需要继续在成球反应器中进行球形化处理，工艺复杂、操作繁琐。近年来，国内球形药制备工艺的研究也主要集中于搅拌成型工艺。郭长平等[8]通过改进传统球扁药内溶法工艺和微胶囊技术制备球扁药方法，采用改进的“一步法” (溶剂蒸馏法)工艺制备了闭孔结构微气孔球扁药。张欣等[9]用简单的溶剂蒸发法制备了亚微米的硝化棉(NC)球形药。王萍等[10]通过改进溶剂蒸馏法，即溶剂浸析法，制备了硝化棉基微孔球形药。这些方法制备的球形药仍然存在粒径不均一不可控的问题。

剪切搓圆法由于原理简单、操作容易，制备的丸剂粒径均一可控且溶剂用量少，在药学上是一种应用广泛的丸剂制备方法。剪切搓圆法实验过程为物理成球过程，适合含能高分子球形化。因此本实验采用剪切搓圆法制备大颗粒球形发射药，并测试烘干后球形颗粒的密度及定容燃烧性能，以期为发射药的制备提供参考。

1 实 验

1.1 原料与设备

溶剂A(工业级)、溶剂B(工业级)、双基吸收药(硝化棉含氮量12.76%)，泸州北方化学工业有限公司。

10 L胶化机、Y41-25A型单柱液压机、水浴烘箱，泸州北方化学工业有限公司；剪切搓圆机，自行设计加工。

1.2 样品制备

将双基吸收药与溶剂(溶剂A与溶剂B的混合溶液)按照溶棉质量比0.3∶1.0～0.6∶1.0进行胶化，1h后出料；液压机将胶化物料进行过滤、成条；之后将丸条轴向放入剪切搓圆机，搓丸刀将药条切断、搓圆后成球，搓丸刀旋转速率调节在40～80r/min之间；将剪切搓圆后得到的球形颗粒在55℃下干燥48h。溶棉比分别为0.3∶1.0、0.4∶1.0、0.6∶10，丸条直径为3.6mm时，得到样品1～3；溶棉比为0.4∶1.0、丸条直径为3.8mm时，得到样品4。

1.3 性能测试

根据GJB772A-97国家军用标准炸药试验方法，对颗粒的伸长度、颗粒密度和堆积密度进行测试，其中伸长度=长径/短径(n=l/b)，颗粒密度和堆积密度分别采用密度瓶法和标准容器法进行测试；采用密闭爆发器对成型、干燥后的球形颗粒进行定容燃烧性能测试[12]，其中密闭爆发器体积100mL，装填密度(Δ)为0.2g/cm3,测试温度为常温(20℃)。

2 结果与讨论

2.1 搓丸刀间距对成球质量的影响

搓圆机搓丸刀间距(s)不同时，制备的球形颗粒如图1所示。

由图1可见，当搓丸刀间距为0.8和0.6mm时颗粒成串未被切断，当间距调节为0.4mm时，颗粒被切断且可顺利出料，当间距进一步减小为0.3mm时，制备的颗粒断开，但是样品中出现碎屑和搓刀卡料的现象，这说明0.3mm间距过小，颗粒在通过搓丸刀时表面被搓丸刀刮蹭，出现碎屑，且其中一部分颗粒不能通过搓丸刀。由此可知，合适的搓丸刀间距为0.4mm。

2.2 溶棉比对成球质量的影响

表1为不同溶棉比制备的球形药的物理性能。

表1 溶棉比对成球质量的影响Table 1 The influence of mass ratio of solvent and absorbent powder on ball-formation quality

注：n为伸长度；ρP为颗粒密度；ρB为堆积密度。

由表1可见，当溶棉比为0.3∶1.0和0.6∶1.0时，伸长度较大，溶棉比为0.4∶1.0时伸长度最小。溶棉比为0.3∶1.0时，药条过硬，不易在搓圆过程中变形，当搓丸刀将其切断后，圆弧部分不易被挤压膨胀，成型的颗粒伸长度大；当溶棉比为0.6∶1.0时，圆弧收缩率增大，在烘干时，圆弧收缩，最后成型的粗品呈长圆柱状，伸长度也较大。由此可知，合适的溶棉质量比为0.4∶1.0，此时颗粒密度为1.635g/cm3,堆积密度为0.936g/cm3。

2.3 丸条直径对成球质量的影响

丸条直径(D)分别为3.6和3.8mm时，通过剪切搓圆法制备的球形颗粒烘干前后的外观如图2所示。

从图2中可以看出，烘干前后颗粒粒径都较为均一；球形颗粒的粒径是由丸条直径与搓丸刀刀槽直径等决定的，因此，可通过控制丸条直径与搓丸刀刀槽直径来调控球形颗粒粒径。从图2可以看出，剪切搓圆法制备球形药可实现粒径的均一、可控。

将成型干燥后的球形药粗品进行物理性能分析，结果如表2所示。

表2 丸条直径对成球质量的影响Table 2 The influence of diameter of sticks on ball-formation quality

注：D为丸条直径；d为烘干后颗粒的平均粒径；n为伸长度；ρP为颗粒密度；ρB为堆积密度。

从表2可以看出，当丸条直径为3.8mm时，烘干后所得平均粒径为3.46mm,伸长度为1.033，颗粒密度为1.680g/cm3，堆积密度为0.945g/cm3。球形颗粒烘干后会出现收缩，弧形部分收缩率最大，当丸条直径增大时，烘干后短径部分增大，因此伸长度减小。从表2中样品2、样品4在未烘干与烘干后的颗粒粒径可以看出，粒径大的颗粒收缩率大，所得颗粒会更加密实，颗粒密度增大，堆积密度增大。

2.4 定容燃烧性能

采用密闭爆发器实验对样品4进行定容燃烧性能测试。图3(a)为实验测得的p-t曲线，进一步计算可得到动态活度参数随相对压力的变化曲线对(L-p/pm)和燃速-压力曲线(u-p)分别见图3(b)和图3(c)。由图3(b)可见，在燃烧的中后期，随着p/pm的增加，动态活度参数L下降，为减面性燃烧；由图3(c)可见，燃烧曲线无转折，因此燃烧过程稳定。由此可知，剪切搓圆法制备的球形颗粒燃烧过程稳定，呈减面性。

2.5 两种方法制备的球形药密度的比较

将剪切搓圆法制备的球形药与内溶法[13]改性双芳型发射药制备的球形药密度进行比较，如表3所示。由表3可见，剪切搓圆法制备的球形药与内溶法制备的球形药密度相当。

表3 不同工艺制备的球形药密度Table 3 The density of spherical gun propellant prepared by different process

3 结 论

(1)剪切搓圆法制备的球形药颗粒均一、可控；当溶棉比为0.4∶1.0，搓丸刀间距为0.4mm，丸条直径为3.8mm时，制备的样品经烘干后伸长度为1.033、颗粒密度为1.680g/cm3、堆积密度为0.945g/cm3，与内溶法制备的球形药密度相当。

(2)密闭爆发器试验表明，剪切搓圆法制备的球形颗粒燃烧过程稳定，呈减面性。

致 谢：本研究得到新型结构含能材料四川省高校创新团队(15TD0014)以及四川省新型含能材料军民融合协同创新中心的资助，并得到泸州北方化学工业有限公司分析和测试中心的支持，在此一并表示感谢。

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Preparation and Properties Test of Spherical Gun Propellant with Large Diameter

WANG Zhao-qing1, LIU Xun1, DONG Chao-yang2, ZHANG Hua-jun2, SHI Yu1, PEI Chong-hua1

(1. Sate Key Laboratory Cultivation Base for Composites and Functional Materials, Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010, China; 2. Luzhou North Chemical Industries Co.,Ltd,Luzhou Sichuan 646003, China)

To solve the problem of large solvent wastage and non-uniform particle size in the preparation of spherical propellant grain, the spherical gun propellant with large diameter was prepared through the shear-rounder method using double-base absorbent gun powder as raw material. The effect of mass ratio of solvent to cotton, the space between two pill-rolling knifes, and the diameter of the sticks on the quality of spherical gun propellant was studied. The constant-volume combustion performance of formed and dried samples was measured by the closed bomb test. The results show that when the mass ratio of solvent to cotton is 0.4, the space between two pill-rolling knifes is 0.4mm and the diameter of the sticks is 3.8mm, the particle size of spherical particle obtained is uniform, and the elongation, true density, and bulk density of the spherical gun propellant after drying are 1.033, 1.680g/cm3and 0.945g/cm3, respectively, similar to the density of the spherical gun propellant prepared by the internal dissolution method.The curves obtained from the closed bomb test show that the combustion process of spherical particle prepared is stable, revealing a characteristic of regressive burning.

spherical gun propellant; spherical particle; shear-rounder;closed bomb test;constant volume combustion performance

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.019

2017-01-15；

2017-03-28

新型结构含能材料四川省高校创新团队(15TD0014)

王召青(1989-)，女，硕士研究生，从事含能材料的研究工作。E-mail:1521166439@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)03-0098-04