金属基高热剂干法制粒技术

贾栓柱，杜仕国，甄建伟，鲁彦玲

(陆军工程大学石家庄校区， 石家庄 050003)

铝热剂因其反应产生的高温及熔融态金属而被广泛应用在金属切割领域[1-10]，在弹药销毁领域也被广泛应用。采用金属基可燃胶体高温灼烧方式就地销毁未爆弹药。这种销毁技术可实现射击训练场不增加额外爆炸当量条件下的就地销毁，具有可操作性强、作业效率高、安全风险低、场地适应性强等优点，特别适合于手榴弹、枪榴弹、子母弹子弹、单兵火箭弹等壳体较薄、弹体较小、战斗部壳体为低熔点合金材料的弹种。这些弹种正是训练中应用最多、未爆率最高、产生未爆弹药最多的弹种。容易实现机器人远程隔离操作，对操作的精准度要求低等特点，可极大地提高作业效率，保障人员作业安全，减轻排爆人员心理负担，有利于部队实弹训练正常开展。

金属基可燃胶体制备时，为提高铝热剂含量，将铝热剂制成圆粒，再用胶体进行粘结，达到增加铝热剂实际含量从而增加热能的目的。为保证实际应用中颗粒不松散，具有一定的强度，且保证粘结剂的质量比小，本试验采用干法制粒。干法制粒所用粘结剂主要为纤维素衍生物等其分子为长链的物质，粘结剂在与高热剂混合后，在混合物间的空隙中形成许多类似于勾状的结构，把粘结剂与高热剂连接在一起。本试验选取低取代羟丙基纤维素(HPC)、甲基纤维素(MC)、预胶化淀粉(PS)、聚四氟乙烯粉末(PTFE)四种粘结剂。探究在高热剂干法制粒中的表现。

1 材料与仪器

769YP-15A手动粉末压片机(天津市科器高新技术公司)，模具(自制)，低取代羟丙基纤维素[HPC，生工生物工程(上海)股份有限公司，批号：B326BA1924]，甲基纤维素(MC，天津市大茂化学试剂厂，批号：20170701)；预胶化淀粉(PS，天津市大茂化学试剂厂，批号：20160801)；聚四氟乙烯粉末(PTFE，天津市大茂化学试剂厂，批号：20160801)；煤油(Kerosene，天津市大茂化学试剂厂，20170901)；无水乙醇(Ethanol alcohol，天津市大茂化学试剂厂，批号：20160107)；铝粉(Al，天津市恒兴化学试剂制造有限公司，批号：20160622)；三氧化二铁粉(Fe2O3，天津市恒兴化学试剂制造有限公司，批号：20161201)。

2 试验过程

由于金属基可燃胶体主要利用高热剂产生的热能，要求高热剂含量越多越好。本研究高热剂制粒所选的粘结剂质量占总质量比控制在10%以下，因此，粘结剂都选定为占药粒总质量的10%。

将铝粉、氧化铁按照1∶3的质量比混合均匀，然后分别与低取代羟丙基纤维素、甲基纤维素、预胶化淀粉、聚四氟乙烯粉末混合，铝热剂与粘结剂质量比为9∶1，然后每组每次称量2 g，用模具在20 MPa压力下压制成型成直径10 mm，高度10 mm左右的药柱，每组制10个药片。

为测试胶体中乙醇和煤油对药柱的影响，将每组的两个药柱分别放在盛有无水乙醇、煤油的烧杯中，密封处理进行相容性测试。每组两个药柱放在空烧杯中密封处理。在常温下放置7天。打开烧杯，进行观察测试。

药粒在运输与运用过程中，会因为各个药粒间、药粒与容器间的碰撞和挤压发生破碎，这不仅会影响产品性能，甚至会使未爆弹药的销毁产生灾难性后果。根据实际生产、运输、储存、使用情况，颗粒主要承受震动、摩擦等物理因素。

试验主要测试两个指标：硬度和脆碎度。

颗粒硬度由TBH 300MD片剂硬度测定仪测定。脆碎度由Tar200脆碎度测定仪测定。

为了确保药粒不在液体中浸泡，将每组两个未经任何处理的药粒在常温干燥环境中长时间存放，存放时间大约2个月，然后进行观察测试。

燃烧速度与压制密度成正比，而在金属基可燃胶体销毁未爆弹药时，要求燃烧速度平缓。为进一步探究密度对燃烧速度的影响，要求药粒在一定的压制压力下仍有好的成粒效果。

3 结果与讨论

3.1 相容性测试分析

通过直接观察可以明显观察到煤油浸泡的含甲基纤维素药粒有明显的膨胀现象。对每组药粒进行称量，并计算吸收液体增重，如表1所示。增重百分比如图1所示。

表1 药粒增重(g)

注：表中数值为两粒药柱增重平均值

图1 药粒增重百分比

从图1可以明显看出，以甲基纤维素为粘结剂的药粒在经过无水乙醇和煤油浸泡后，都吸收了较多的液体。这说明甲基纤维素对高热剂粉粒间的联接性不好，液体浸泡时会因为毛细原理进入药粒内部。在液体的浸湿作用下，药粒的内部应力快速释放，导致药粒膨胀。而其他三组中的药粒均未发生明显膨胀，证明甲基纤维素在煤油和无乙醇的液体中做药粒粘结剂的性能不佳。

3.2 硬度与脆碎度测试分析

不同粘结剂的颗粒硬度如图2所示。由图2可以看出，以甲基纤维素和预胶化淀粉为粘结剂的药粒在没有浸泡时，均能达到要求。但是经过无水乙醇和煤油浸泡后，硬度均明显下降，而低取代羟丙基纤维素浸泡后强度下降幅度较低，聚四氟乙烯粉末浸泡前后并没有较大变化，但其硬度均不如低取代羟丙基纤维素。

图2 药粒硬度

不同粘结剂的颗粒脆碎度如图3所示。由图3可以看出，甲基纤维素的脆碎度变化最大，低取代羟丙基纤维素脆碎度变化最小。聚四氟乙烯粉末制粒的脆碎度无论浸泡前后与其他粘结剂所制药粒的脆碎度均有较大差距。

图3 药粒脆碎度

乙醇在中药制粒中，对于具有较强粘结力的药物不易制粒时，常用无水乙醇作为润湿剂。乙醇浓度越高，粉料被润湿后粘性越小。乙醇具有较大挥发性。干法制粒粘结剂间存在应力，乙醇挥发对应力释放产生较大影响。因此，乙醇对于制粒性能的影响很大。

以聚四氟乙烯粉末为粘结剂的药粒，浸泡前后并没有太大的差别，但其整体性能较其他粘结剂没有优势，根据文献[11]得知，聚四氟乙烯粉末制粒含量在40%以上并在350 ℃左右加热才会硬化，而含量40%以上不符合本实验的需求。因此羟丙基纤维素在本试验四种粘结剂中为较理想粘结剂。

3.3 长时间存放结果分析

经过2月的存放后发现，含预胶化淀粉的粘结剂出现裂缝，如图4所示。其他药粒均未出现裂缝。在制粒过程中出现裂片的原因有三种：

1) 粘结剂的粘结力不足；

2) 颗粒含水较少，干燥导致的裂片；

3) 压力过大。

分析认为，在实际过程中，为了确保燃烧的可持续与提高燃烧热，应尽量减少水分，但缺失水分导致的裂片也是不允许的。在药粒刚刚压制成型后，没有产生裂片，所以压力过大导致裂片情况可排除。而压制成型后，由于药粒存在内部应力较大，如果粘结剂的粘结性能达不到要求，内部应力慢慢释放，会导致药粒破裂，产生裂片或碎片。

图4 含预胶化淀粉的药粒

3.4 压制压力范围测试

上述测试结果说明，低取代羟丙基纤维素做粘结剂的药粒性能最佳。为探究低取代羟丙基纤维素做粘结剂可压制药粒的压力范围，选取采用5 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa五种不同的压力制作药粒。同样每组二粒进行跌落试验，试验数据如表2所示。

表2 采用不同压力制作的药粒2 m跌落次数

注：1.表中数值为两粒药柱跌落试验平均值

2. 25次为本跌落试验最大次数

试验过程中，采用5 MPa压力压制的药粒在一次摔落后就破碎，说明压力过小，成粒效果差；采用25 MPa压力压制的药粒压制后就发现裂缝，如图5所示。

又精确选取了6，7，8，9，21，22，23，24 MPa作精准确定压力范围的试验，并每组两个药粒，最终确定最佳压力为8～22 MPa。

图5 采用25 MPa压力压制的药粒

4 结论

通过与无水乙醇、煤油相容性测试、硬度与脆碎度测试、长时间存放测试发现，低取代羟丙基纤维素做粘结剂的高热剂制粒性能比甲基纤维素、预胶化淀粉、聚四氟乙烯粉末四种粘结剂都好，最佳压制压力范围在8～22 MPa，可为进一步探究压力与燃速的关系作参考。