利用溶解度参数分析单兵云爆弹失效原因

吴力力，丁玉奎，甄建伟

（陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

云爆弹是20世纪后期开始发展的新型高能弹药，最初由美军在越南战场上投入使用［1］。云爆弹在起爆原理和起爆方式上与常规弹药不同，依靠内装云爆剂形成的云雾爆轰产生超压造成杀伤，相对于普通凝聚炸药威力要大很多。单兵云爆弹是由单兵发射使用的单兵武器，使用灵活性高且威力巨大。主要由包装发射筒、弹丸、引燃器、弹性爪组件和发动机等几部分组成［2］。单兵云爆弹在库房通常单独存放，经过长期的储存过后，单兵云爆弹容易造成失效［3］。通过分析该弹产生的失效问题，找出失效原因，对于保持该弹的长期可靠性和安全性具有重要的意义。

溶解度参数是表征液体分子间相互作用强度特征的重要参数，而后逐渐作为衡量物质之间相容性的重要参数之一，被广泛应用于高聚物溶解性的预测与研究、高聚物共混物相容剂的研究、多组分体系相平衡计算、乳化体系的稳定性研究、溶剂萃取和气体在液体中的溶解研究及膜渗透等领域［4］。吕涯［5］运用溶解度参数对柴油萃取脱蜡的溶剂进行了筛选；陆向红［6］运用溶解度对脂肪酸甲酯溶解性进行了研究；李跟宝［7］运用溶解度参数理论研究二甲醚与其他燃料、润滑添加剂、聚合物的相容性。

本文根据溶胀原理与溶解度参数相近原则，通过两种不同算法对硝酸异丙酯与密封硅橡胶的溶解度参数进行计算，以此判断两者是否发生溶胀，确定两者的相容性，从而可以找出单兵云爆弹的失效原因。

1 单兵云爆弹储存问题分析

1.1 存在的基本问题

单兵云爆弹在长期储存或者使用过程中，会与周围环境产生相互作用，导致该弹某些部件无法正常作用，进而影响该弹的正常发射使用。单兵云爆弹在长期储存后容易出现的问题有：包装发射筒漏气、击发机构卡壳与射击瞄准镜发霉、引信与底火的瞎火、发动机固药力下降、硝酸异丙酯的挥发。

包装发射筒主要由玻璃钢制作，在长期储存过程中，由于搬运作业等操作原因，容易产生磕碰，导致包装发射筒产生裂缝而破裂。同时，由于长储后橡胶制品的老化，包装筒的前后密封盖密封性能下降［8］。击发机构主要由工程塑料制造，在长期储存过程中容易受到周围温度、氧气和水分的长期影响而老化［9］。同时由于库房温湿度的影响，特别是空气中的水蒸气渗透至包装箱内，容易造成瞄准镜片发霉。发动机内装点火具和发射药，发射药为管状单基发射药，通过固药胶固定在发动机底座上［10］。由于在长期储存过程中，固药胶会出现自然老化的现象，导致发射药会在搬运过程中产生晃动和脱落［11］。引信和底火包含雷管和火帽等大量火工品，其内装的火工品药剂容易受到外界温湿度的影响产生质量变化。周围环境湿度较大时，火工品中的激发药和刺发药容易吸湿受潮，降低作用可靠性［12］。硝酸异丙酯是易燃易爆的含能液体，分子量较小，极易挥发泄露，造成云爆剂质量的损失。

1.2 存在问题分析

分析上述几个常见问题可知，包装发射筒漏气是由于人为操作和外力原因所致，易导致弹药的射程减少，只要人为加强防护就可以避免；击发机构卡壳与射击瞄准镜发霉是由于储存环境所影响造成的自然老化和变质作用，易造成弹药无法正常射击使用，通过加强质量监控、改善储存环境就可很大程度避免；引信与底火的瞎火是由于储存环境作用造成的自然分解作用，易造成弹药的发射瞎火，解决途径为改善储存环境和定期进行检查更换；发动机固药力下降是由于自然老化作用，会影响弹药的内弹道性能，导致射击密集度变差，解决途径为定期检查和更换；硝酸异丙酯的挥发是由于自身性质所决定的，易造成云爆剂的质量损失，影响弹药的威力，由于硝酸异丙酯的特殊性质，其挥发很难避免。通过综合分析，各问题对比如表1所示。

通过表1易知，硝酸异丙酯的挥发发生频次较高，且很难避免，对弹药威力的影响最大，无法利用有效措施防止。通过分析，可以确定硝酸异丙酯的挥发是单兵云爆弹最主要的失效环节。找出硝酸异丙酯的挥发原因，即可找出该弹失效原因。

2 溶解度参数的计算

2.1 硝酸异丙酯与硅橡胶

硝酸异丙酯（IPN）分子式为C3H7NO3，液体燃烧剂，无色或淡黄色透明液体，沸点为101.5℃，密度为1.04 g/cm3。不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂中。在空气中极易挥发成气体，且对人体有毒。易燃性类似汽油，闪点为15℃，爆炸极限为2%～100%。常温下比较稳定，随温度升高或加温时间延长分解速度会加快，达到沸点时，分解速度明显加快。与酸碱作用，易被分解，产生大量热，生成异丙醇及亚硝酸，并进一步催化分解。常用发动机的燃气发生器和微型单元组液体发动机上。硝酸异丙酯的分子结构式为：

硅橡胶由硅氧烷与其他有机硅单体共聚而成，是一种分子链兼具有无有机性质高分子弹体。按其硫化机分为三大类：有机过氧化物引发自基交联型（也称热硫化型）、聚反应型（也称温硫化型）和加成反应型三大类。硅橡胶常见的种类及其分子结构式为：

甲基乙烯基苯基硅橡胶（PVMQ）在分子链中引入了乙烯基与苯基，随着苯基含量的不同，PVMQ的性质也不同。当苯基含量（苯基与硅原子比）在5%～10%时，称为低苯基硅橡胶；当苯基含量在15%～25%时，称为中苯基硅橡胶；当苯基含量在30%及以上时，称为高苯基硅橡胶。硅橡胶分子主链由硅原子与氧原子交替组成（—Si—O—Si—），Si—O柔顺性好，分子内、分子间的作用力较弱，硅橡胶属于一种半无机的饱和、杂链、非极性弹性体。硅橡胶具有优异的耐高、低温性能，在所有的橡胶中具有最宽广的工作温度范围（100℃～350℃）；优异的耐热氧老化、耐天候老化及耐臭氧老化性能；极好的疏水性，使之具有优良的电绝缘性能、耐电晕性和耐电弧性。硅橡胶不耐酸碱，遇酸或碱发生解聚。

2.2 溶解度参数计算方法

Small［18］认为溶解度参数是与混合焓有关的热力学量，与物质的化学结构有关，于是提出可以通过物质结构来估算溶解度参数。他将物质的化学结构分割成适当的原子或基团，并定义各基团的摩尔引力常数Fi为各基团的内聚能（Ei）与摩尔体积的（Vi）之积，即：

Fi的单位为（J·cm3）1/2或（cal·cm3）1/2，其中 1 cal=4.187 J。用Small法估算非极性物质的溶解度参数与实际测得值具有较好的一致性，当估算聚合物的溶解度参数时，Fi为重复单元基团的摩尔引力常数。设定ρ为聚合物无定形态的密度，M为重复单元的链节分子量，Small算法其计算公式如下：

通过查阅相关文献可知道各基团的摩尔引力常数值Fi。部分基团的摩尔引力常数值Fi如表2所示。

表2 部分基团的Fi值

Fedors［19］根据 Small基团贡献法进行了进一步的改进，Fedors假定物质基团内聚能Em和摩尔体积Vm既均具有加和性，根据各化学集团对内聚能Em和摩尔体积Vm的贡献值可计算出溶解度参数，Fedors算法其计算公式如下：

通过查阅相关文献可知道各基团的内聚能Em和摩尔体积Vm。部分基团的内聚能Em和摩尔体积Vm如表3所示。

表3 部分基团的E和V贡献值

2.3 Small算法计算溶解度参数

硝酸异丙酯的分子结构式可拆分为4个基团，其中包括2个-CH3，1个-ONO2，1个CH基团。硝酸异丙酯的ρ为1.04 g/cm3，分子量M为105。根据Small算法公式，有如下结果：

二甲基硅橡胶（MQ）的分子结构式可拆分为4个基团，其中包括1个 Si，2个 -CH3，1个 -O-。硅橡胶的密度取1.2 g/cm3，分子量M为74。根据Small算法公式，有如下结果：

甲基乙烯基苯基硅橡胶（PVMQ）中苯基含量为10%、20%、30%、40%、50%时，其密度分别取1.21g/cm3、1.23g/cm3、1.25g/cm3、1.26g/cm3、1.29g/cm3。PVMQ分子结构式的基团单元有Si基、苯基、-CH3、-O-、-CH=、CH2=。以苯基含量10%为例计算，根据Small算法公式，有如下结果：

用相同的计算方法可计算出苯基含量20%、30%、40%、50%时的溶解度参数，分别为8.759、8.899、9.039、9.108、9.325（J·cm3）1/2。

2.4 Fedors算法计算溶解度参数

硝酸异丙酯的分子结构式根据Fedors算法可拆分成 2 个 -CH3，1 个 -O-，1 个 -NO2，1 个 CH 基团。其溶解度参数计算如下：

二甲基硅橡胶（MQ）的分子结构式根据Fedors算法可拆分成1个Si，2个-CH3，1个-O-。其溶解度参数计算如下：

PVMQ以苯基含量10%为例，其溶解度参数计算有如下结果：

用相同的计算方法可计算出苯基含量20%、30%、40%、50%时的溶解度参数，分别为8.291、8.660、8.988、9.281（J·cm3）1/2。

3 结论

根据Small算法与Fedors算法计算的IPN与各种型号硅橡胶的溶解度参数如表4所示：

由上表计算结果可知，可得出如下结论并提出相应建议：

1）利用Small算法计算的溶解度参数值比Fedors算法计算的数值要大，且溶解度参数之差也偏大。

2）随着PVMQ中苯基含量的增加，溶解度参数也随之增大。这是因为苯基含量的增加，增大了硅橡胶的分子量，分子极性也增大，同时提高了硅橡胶分子的交联密度与键能，使得溶解度参数变大。

表4 计算的溶解度参数值

3）IPN可与硅橡胶产生溶胀。利用Small算法与Fedors算法计算的IPN与各型号硅橡胶的溶解度参数之差为0.183～1.247，而根据试验证明溶解度参数之差为1.7～2.0时，体系就难以互溶。IPN与硅橡胶的溶解度参数之差远小于1.7～2.0，从而证明IPN可与硅橡胶产生溶胀，从而造成IPN的挥发泄露。

4）利用Small算法及Fedors算法对硅橡胶与硝酸异丙酯的溶解度参数进行理论计算，为硝酸异丙酯选择合适密封橡胶提供理论依据；根据溶解度参数相近原则，可以选择与硝酸异丙酯溶解度参数差值较大的橡胶对硝酸异丙酯进行密封。

硝酸异丙酯的分子量较小，橡胶大分子的体积庞大且长径比较大。在两者相互接触过程中，硝酸异丙酯分子能够迅速向橡胶大分子间隙中扩散，从而使得橡胶发生膨胀。在溶剂小分子进入橡胶大分子间隙后，溶剂小分子逐渐撑开大分子纠缠网，直至大分子间力降为零，纠缠网彻底解体，即橡胶分子由溶胀到溶解。由于硝酸异丙酯与密封硅橡胶垫圈的溶胀，导致硝酸异丙酯的挥发泄露，引起云爆剂质量的变化，进而影响整个弹药的使用性能。

［1］阚金玲.液固复合云爆剂的爆炸和毁伤特性研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［2］王志军，尹建平.弹药学［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

［3］王阵，李海广，贲旭东.储存条件下云爆火箭弹云爆剂质量变化研究［J］.装备环境工程，2012，9（6）：82-86.

［4］孙志娟，张心亚，黄洪.溶解度参数的发展及应用［J］.橡胶工业，2007，54（1）：54-58.

［5］吕涯，施佳佳，孙磊.应用溶解度参数理论筛选柴油萃取脱蜡的溶剂［J］.燃料化学学报，2008，36（3）：297-301.

［6］陆向红，杨云财，计建炳.溶解度参数在脂肪酸甲酯溶解性研究中的运用［J］.中国粮油学报，2011，26（6）：60-65.

［7］李跟宝，周龙保，刘圣华.运用溶解度参数理论研究二甲醚与其他燃料、润滑添加剂、聚合物的相容性［J］.内燃机学报，2005，23（4）：352-357.

［8］赵然，陈明华，谭继帅，等.贮存条件对单兵火箭使用安全性影响研究［J］.装备环境工程，2012，9（5）：21-23，36.

［9］张龚敏，覃红阳，谢宇芳.塑料及其复合材料老化机理研究进展［J］，合成材料老化与应用，2014，43（1）：74-79.

［10］陈明华，刘海涛，江劲勇，等.贮存条件对毛刷式装药结构火箭发动机固药力的影响［J］.火炸药学报，2006，29（4）：29-32.

［11］WATERMAN C S，CORLEY R C.Solid propellant agingstudies，AD-A030335［R］.Springfield：NTIS，1976.

［12］涂小珍，李敬明，韦兴文，等.某火工品贮存老化效应分析研究［J］.含能材料，2008，16（5）：539-541.

［13］阮孟宁，张力，陈永康，等.仓储某型云爆弹失效分析与实验研究［J］.兵器装备工程学报，2016，37（5）：85-88.

［14］HILDEBRAND J H，SCOTT R L.The solubility of nonelectrolytes（3rd ed）［M］.NewYork：Reinhold，1950.

［15］HANSEN C M.The three dimensional solubility parameter-key to paint component affinities：I.Solvents，plasticizers，polymers，and resins［J］.Journal of Paint Technology，l967，39（505）：104-117.

［16］HANSEN C M.The three dimensional solubility parameter-key to paint component affinities：II.Dyes，emulsifiers，mutual solubility and compatibility，and pigments ［J］.Journal of Paint Technology，1967，39（511）：505-510.

［17］HANSEN C M.The three dimensional solubility parameter-key to paint component affinities：III.Independent calculation of the parameters components ［J］.Journal of Paint Technology，1967，39（511）：511-514.

［18］SMALL P A.Some factors affecting the solubility of polymers［J］.Joumal of Applied Chemistry，1953，3（2）：71-79.

［19］李俊山，孙军.估算橡胶助剂溶解度参数用基团贡献值得研究［J］.橡胶工业，1995，42（7）：394-396.