一种刺激型混合炸药的制备及性能研究

王红英，梁德建，郭潇迪，赵守田，曹晓峰



一种刺激型混合炸药的制备及性能研究

王红英1，梁德建1，郭潇迪1，赵守田1，曹晓峰2

（1．防化研究院，北京，102205；2．福建海峡科化股份有限公司，福建永安，365201）

采用新型控暴剂合成辣椒素（PAVA），制备了一种刺激型混合炸药，采用溶液吸收法、差示扫描量热法、压力传感器法、热加速老化法等手段研究了混合炸药的有效利用率、相容性、自发火温度及安定性、长期贮存稳定性、感度、挥发分、吸湿性等参数。结果表明该混合炸药成型性好、活性组分有效利用率高、烟云刺激效应强、质量稳定性好、使用安全，是未来控暴弹药的主装药剂之一。

PAVA混合炸药；配方；制备；有效利用率；相容性；贮存

合成辣椒素（PAVA）作为一种新型控暴剂[1-3]，具有刺激效应强、症状出现和消失快、安全比高等特点，世界许多国家的司法和警察部门已将其作为一种有效、安全的反恐防暴剂使用[4-5]。为实现控暴剂的快速有效分散，通常将控暴剂与高能材料及辅助材料进行复配，压制成型后装填使用[6]。该使用方式具有分散结构简单、作用迅速、分散快、防反投、威慑力大的特点。目前为止，刺激型混合炸药仅装填于少量几型枪榴弹、手榴弹中。PAVA作为一种新型控暴剂，采用爆炸形式分散目前处于基础研究阶段，有关装备还未见报道。本文研制的PAVA混合炸药采用高能材料奥克托今（HMX）作为分散物质，复配降温剂、粘结剂等，作用后可产生大面积刺激剂烟云，使暴乱分子立即出现剧烈咳嗽、连续喷嚏、流泪闭眼等症状，随即失去抵抗能力。本文介绍了该型混合炸药的基本组成及制备工艺，对其相关参数进行了详细研究。

1 试验

1.1 配方设计及样品制备

配方中采用能量高、相容性好的高能材料HMX作为PAVA的分散物质，保证了爆炸完全性及良好的分散效果，同时确保混合炸药能够长期贮存；为降低PAVA在高温分散过程中的分解率，在配方中加入了吸热分解的降温剂；为保证药剂具有较好的成型性，提高混合炸药的机械强度及加工能力，在配方中加入了粘结剂。

采用半干法制备工艺。该方法可以有效减少粉尘污染，工艺简单，减少了操作人员与刺激剂的接触时间，质量一致性好。首先将原材料进行过筛粉碎，通过混合制粒机搅拌将药剂混合均匀，然后自动加入胶液，制粒完成后将药剂出料过筛，烘干、包装即可。其工艺流程为：原材料粉碎→物料混合→加胶捏合→过筛造粒→恒温烘干→密封包装。使用时采用压力成型法将混合炸药压制成一定形状的药柱即可。

1.2 有效利用率试验

将PAVA混合炸药压制成药柱，在体积为1.5m3的爆炸罐内预装入30L三氯甲烷吸收液，将装有药柱的模弹固定在罐体内上方，用火雷管引爆模弹，爆炸结束后，调整爆炸罐以60转/min的速度转动2h，吸收液吸收全部气溶胶烟雾，收集吸收液，采用气相色谱法进行PAVA含量分析。

1.3 相容性试验

采用差示扫描量热法（DSC）和压力传感器法（VST）进行相容性测试。

称取试样（混合组分按照质量比1∶1称取）置于坩埚内，在10K/min的加热速率、静态空气条件下试验，扫描范围为30~600℃。首先测定混合炸药中各单组分的DSC——曲线；然后将各组分两两组合进行测定，得出混合样品的DSC——曲线，以第1放热峰温的改变量ΔT来评价组分间的相容性。

试样在定容、恒温和一定真空条件下受热，用压力传感器测量其在一定时间内放出气体的压力，再换算成标准状态下的气体体积，以此评价试样的相容性。

1.4 自发火温度及安定性试验

将少量试样和参比分别置于坩埚中，加盖卷边密封。在氮气流量为40mL/min，升温速率分别为5K/ min、10K/min、20K/min条件下，得不同升温速率下的3条DSC——曲线。用加热速率为零时的DSC曲线的峰温T0评价样品的安定性。将求得的表观活化能和加热速率为零时的DSC曲线的外推起始峰温，代入自发火温度计算公式得到试样的自发火温度。

1.5 长期贮存稳定性试验

将PAVA混合炸药按密度为1.5g/cm3压制成Ф10mm×10mm的小药柱48个，称重记录后分别放入称量瓶中，置于已调试的隔水式培养箱贮存，根据PAVA混合炸药性质选择35℃、45℃、50℃共3个试验温度，试验过程中定时取样，对样品中活性成分PAVA含量进行测定。根据化学反应速率方程及Arrhenius方程，用热加速老化法预估药剂的长期贮存稳定性。

1.6 感度试验

按照GJB 5383-2005 第2部分：撞击感度试验落锤法和GJB 5383-2005 第3部分：摩擦感度试验单一落角摆锤法对PAVA混合炸药进行了撞击感度和摩擦感度测试。撞击感度试验中：落锤质量2kg，落锤高度250mm，药剂质量50mg；摩擦感度试验中：摆角90°，压力3.90MPa，药剂质量20mg。

1.7 挥发分试验

称取10g左右的试样两份分别于称量瓶中，将称量瓶置于真空烘箱中，打开称量瓶盖，于温度为55℃、绝对压力为9.3kPa下烘4h后，加瓶盖取出置于干燥器内，冷却后称量；将称量过后的称量瓶重新置于真空烘箱中，继续烘4h后，加瓶盖取出置于干燥器内，冷却后称量；重复试验直至试样恒量，停止试验。

1.8 吸湿性试验

采用氯化钾饱和溶液作为湿度控制剂。将内装湿度控制剂溶液的干燥器置于烘箱内，在30℃下恒温30 min，将两份装有试样的称量瓶放入干燥器内，取下称量瓶盖子，盖好干燥器的盖子，恒温放置24 h；盖好盖子，取出称量瓶，将称量瓶移入内装指示型干燥剂的干燥器内，放置30min后称量；按以上步骤重复试验，直至连续两次的称量差不大于0.000 3g为止。

2 结果与讨论

2.1 有效利用率试验

有效利用率是指PAVA混合炸药中PAVA形成气溶胶的比例，有效利用率是评价配方优劣的主要指标，提高有效利用率可以显著提升药剂的作用效能。采用溶液吸收法测定了混合炸药中PAVA的有效利用率。根据吸收液分析结果，得出药柱中PAVA形成气溶胶的总量，从而计算PAVA的有效利用率。试验中将PAVA混合炸药采用不同的压紧系数压制成2种药柱，其测定结果如表1。

表1 PAVA混合炸药有效利用率测试结果

Tab.1 Results of coefficient of utilization of PAVA irritant explosive

PAVA混合炸药爆炸分散过程中，活性组分PAVA的有效利用率均较高，其范围为65.08%~87.46%，高于传统CN、CS刺激剂的有效利用率（约40%～60%），显著提升了装备的能效比。同时通过数据可以看出，随着药柱压紧系数的增加，PAVA的有效利用率会降低，由于增加装药密度提高了爆速，气体产物压力增加，对外做功能力加大，同时增加了体系的爆热，爆温随之越高，活性组分PAVA受高温及冲击波影响，爆炸瞬间分解率增加。

2.2 相容性试验

DSC法测试结果为HMX/PAVA，HMX/粘结剂两组物质不相容，其余组分间两两相容。推测原因为PAVA结构中存在酰胺键、羟基等易发生反应的基团，而HMX和粘结剂的分解产物均具有氧化性。采用VST补充试验，VST是在100℃下考察两种接触物质之间的反应放气量，此条件更加接近实际使用状态，更适用于评价火炸药的相容性，VST试验结果见表2，在100℃真空条件下，HMX与PAVA、粘结剂混合时，放气量很少，说明体系相容性好。

表2 HMX/PAVA与HMX/粘结剂的VST试验结果

Tab.2 VST results of HMX/PAVA and HMX/binder

2.3 自发火温度及安定性试验

将不同升温速率下的3条DSC——曲线上的外推起始峰温代入Kissinger 公式，得出表观活化能，计算得到PAVA混合炸药加热速率为零时DSC曲线的外推起始峰温，即PAVA混合炸药的安定性温度为456.37K，用Zhang-Hu-Xie-Li法处理活化能值和峰温值得到的试样的自发火温度为470.1K。自发火温度及安定性试验结果见图1。

图1 不同升温速率下的DSC曲线

2.4 长期贮存稳定性试验

采用热加速老化法对PAVA混合炸药的长贮稳定性进行了研究，以PAVA含量降至30%为药剂失效点。根据反应速度方程拟合出在不同温度下PAVA含量降至30%的贮存时间，数据见表3。当lg与为线性关系时，该降解反应为一级反应，可采用Arrhenius方程推算PAVA分解达某一量值的时间，数据见表4。

表3 PAVA含量lg与贮存时间拟合结果

Tab.3 Fitting results between lgC and storage time

表4 贮存温度与失效时间的对数值lg拟合结果

Tab.4 Fitting results between storage temperature and lgτ

根据拟合曲线，以PAVA混合炸药中的PAVA含量降低至30%为判定失效的依据，得30℃下PAVA混合炸药的失效期为4 699d，约合12.8a。

2.5 感度试验

感度为物质发生爆炸或发火的难易程度，与其应用的可靠性和安全性密切相关，PAVA混合炸药感度测试结果如表5所示。由于PAVA混合炸药中添加了吸能物质，如防暴剂，降温剂、粘结剂等，导致PAVA混合炸药感度很低，其摩擦感度和撞击感度中发火百分数均为零，可以保证在加工、储存、运输、使用等环境下，碰到撞击、摩擦等刺激时的安全性。

表5 PAVA混合炸药感度测试结果

Tab.5 Sensitivity test results of PAVA explosive

2.6 挥发分和吸湿性试验

在挥发分试验中，烘干30h后，试样的质量已基本恒定，因此以烘干30h后的试样质量计算药剂中挥发分含量。计算结果表明，两份试样的挥发分含量分别为0.094%和0.096%，PAVA混合炸药挥发分含量平均为0.095%，挥发分较少。

在吸湿性试验中，相对湿度85%条件下，放置72h后，试样的质量已基本恒定，因此以72h后的试样质量计算药剂的吸湿性。两份试样的吸湿性分别为0.156%和0.188%，PAVA混合炸药吸湿性平均为0.172%，药剂具有一定的吸湿性，生产及使用中要做好环境条件控制。

3 结论

综上所述，本文研制了一种新型刺激型混合炸药PAVA混合炸药，在使用上分散结构简单、作用迅速、分散快、防反投、威慑力大，是未来控暴弹药的主装药剂之一。它具有以下特点：

（1）该混合炸药使用了新型刺激剂PAVA，形成的刺激烟云刺激效果更强、作用迅速、同时可作用于高度亢奋人群，提高了装备的使用效果，扩大了刺激型装备的有效作用范围；

（2）该混合炸药活性组分有效利用率高，其范围为65.08%~87.46%，高于传统CN、CS刺激剂的有效利用率（约40%～60%），显著提升了装备的能效比；

（3）该混合炸药自发火温度及安定性温度均很好，摩擦感度和撞击感度测试中发火百分数均为零，在加工、储存、运输、使用等过程中均有较高的安全性；

（4）该混合炸药组分之间相容性好，稳定贮存时间长，易于成型和装填，可满足常规装备的使用需求。

[1] Ramesh C. G.. Handbook of toxicology of chemical warfare agents[M].USA, Salt Lake City: Academic Press,2009.

[2] Scott E. Miller. OC powder- the future of riot control[R]. ADA 351583,1998.

[3] Hassell, Cecil D., Lawrence A., Sandra D.Riot control agent: US, H1194[P].1993-06.

[4] Pinkney, Barry D.Capsicum lachrymator: US ,6 399 073[P].2002-06.

[5] Diamond. Irritant aerosol spray.US, 4 735 349[P].1988-04.

[6] Kulkarni M. P., Phapale U.G., Swarge N.G., Somayajulu M. R.. Smoke composition to disseminate capsaicinoids in atom- sphere as sensory Irritant[J]. Defence Science Journal, 2006, 56(3) :369-375.

Study on the Preparation and Characterization of PAVA Irritant Explosive

WANG Hong-ying1, LIANG De-jian1, GUO Xiao-di1, ZHAO Shou-tian1, CAO Xiao-feng2

(1. Research Institute of Chemical Defense, Beijing,102205；2. Fujian Haixia Technology Co. Ltd., Yong’an, 365201)

A novel type of irritant explosive with pelargonic acid vanllylamide (PAVA) as irritant component was prepared. The coefficient of utilization, internal compatibility, autoignition temperature, stability, storage characteristics, sensitivity, volatiles and hygroscopicity of the explosive were detailedly researched by solution absorption, DSC, presure sensor method, accelerated aging test. The experiment results show the PAVA explosive has characters, such as easily molding, highly coefficient of utilization, strong irritation, quick effect, low threshold of irritating concentration and high safety-index, which indicate the explosive can satisfy the requirement of riot-control weapons.

PAVA irritant explosive；Formulation；Preparation；Coefficient of utilization；Compatibility；Storage

1003-1480（2017）04-0037-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.04.010

2017-05-27

王红英（1977-），女，副研究员，主要从事烟火药剂及器材应用技术研究。