水基喷火油料模拟剂研究

吴 昱，毕鹏禹，金青君，刘 喆



水基喷火油料模拟剂研究

吴 昱，毕鹏禹，金青君，刘 喆

（军事科学院防化研究院，北京，102205）

针对喷火油料的性状特点，以水基增稠体系（羧甲基纤维素钠、壳聚糖、十二烷基硫酸钠、聚合物钠盐）为基础，系统研究了其表观粘度、非牛顿流体特性和喷射后坐力等技术参数。研究结果表明：聚合物钠盐水溶液具有剪切稀化和弹性恢复效应，呈现出非牛顿流体特性；粘度随聚合物钠盐浓度的增加和温度的降低而增大，该体系在加入适量丙二醇后，可以显著增强抗冻效果，能够满足-10℃的使用要求。此外，该体系的喷射作用模式与现有喷火油料基本吻合，能够较好地模拟喷射状态。

喷火油料；水基；模拟剂；后坐力；非牛顿流体

现役喷火器属于火药式喷火器，后坐力较大，持续时间长，是步枪后坐力持续时间的100倍以上，无依托射击极为困难[1-3]。基于战场瞬息万变的特点，需要进一步加大日常训练的频率和难度，最大限度保障自身的安全。然而在600多牛顿的后坐力下直接喷射出如此猛烈的火柱，会使日常训练的战士，尤其是新兵，产生一定的恐慌心理，存在极大的安全隐患。因此，有必要研制一种不易燃的喷火油料模拟训练剂，用以替代在日常训练中的灌装、喷射操作等过程，最大限度模拟实际操作，使战士更快掌握实战操作要领，增强对喷射后坐力的感知，降低训练使用中的安全风险。

本文设计了两类水基喷火油料模拟剂，并对其表观粘度、非牛顿流体特性和喷射后坐力等性能进行了对比研究，优选聚合物钠盐水溶液体系为最终配方，进一步探讨了影响该体系性能的各种因素。

1 实验部分

喷火油料是将凝油粉在汽油中分散，以分子间氢键相结合，构筑网状结构所形成的一种粘稠状的化学胶体。在喷出枪口时，油料会在高压下剪切变稀；喷出后，分子间氢键会很快恢复，油料会再次粘稠。这种不同压力下展现的不同流变性能充分体现了喷火油料的非牛顿流体的特性。根据喷火油料的特性，兼顾不易燃的要求，确定模拟剂的配方主要由水、增稠剂、助剂等组成。模拟剂溶液属于触变性流体[4-5]，内部分子的物理团聚或静电吸引形成的氢键，使流体内部形成一个网状结构，在外力作用下，微观上网状结构随剪切时间发生改变，宏观上表现出剪切变稀或剪切增稠现象。据此，选择增稠剂主要用于改善和增加流体的粘稠度，保持流体的胶质状态和稳定性，使流体可以承受一定温度范围内的粘度波动。所得到的增稠体系在高剪切速率下，粘度呈下降趋势。

1.1 试剂与仪器设备

主要试剂：羧甲基纤维素钠（试剂纯）；壳聚糖（试剂纯）；乙酸（分析纯）；十二烷基硫酸钠（试剂纯）；椰油酰胺丙基甜菜碱（试剂纯）；聚合物钠盐（试剂纯）；丙二醇（试剂纯）。仪器设备：安东帕尔流变仪MCR102（奥地利）；数显粘度计NDJ-8S（上海方瑞仪器有限公司）；后坐力测试装置。

1.2 实验方法

1.2.1 水基喷火油料模拟剂制备

（1）纤维素类增稠体系：体系1：准确称取一定量的羧甲基纤维素钠，分批次缓慢加入预先加入一定量水的烧杯中，搅拌至完全溶解。体系2：准确称取一定量的壳聚糖，边搅拌边加入到一定质量的水中，使其形成悬浊液，继续搅拌，滴加乙酸使溶液中乙酸含量为10%，继续搅拌至完全溶解。

（2）离子型表面活性剂增稠体系：体系3：准确称取一定量的十二烷基硫酸钠，加入一定量的水，搅拌使其完全溶解，然后再加入椰油酰胺丙基甜菜碱搅拌至完全溶解。体系4：准确称取一定量的聚合物钠盐，加入一定量的丙二醇中，搅拌均匀形成悬浊液，再将准确称取的水快速倒入聚合物钠盐-丙二醇悬浊液中，搅拌至完全溶解。

1.2.2 性能测试

表观粘度测试：在模拟剂中放入3号转子，转速调至0.3r/min，待读数稳定后，记录凝胶表观粘度。

三段式触变性测试：夹具采用20mm的不锈钢平板，样品台与夹具间的测量间距为1mm，第1段低速剪切速率（0.25/s），第2段高速剪切速率（1 000/s），第3段低速剪切速率（0.25/s），记录体系的粘度随时间的变化曲线。

后坐力测试：喷火时喷枪受到向后及侧摆的力，本次试验主要测向后产生的后坐力。采用压电式测力传感器进行测量，试验用喷枪在专用枪架上夹持，与专用枪架一起后坐运动，撞击压电式力传感器，传感器输出的电荷信号经电荷放大器调理后送至数据采集系统，经数据处理后便可获得喷枪运动过程中后坐力随时间的变化规律曲线。后坐力测试装置见图1。

图1 后坐力测试装置图示

2 实验结果与讨论

2.1 纤维素类增稠体系粘度

纤维素类增稠体系在静态或低剪切速度时，纤维素分子链处于无序状态而使体系呈现高粘性；而在高剪切速度时，分子平行于流动方向做有序排列，易于相互滑动，所以体系粘度下降。

图2为体系1、体系2粘度随浓度的变化曲线图。

图2 纤维素类水溶液粘度随浓度的变化曲线

由图2可见，随着纤维素加入量的逐渐增加，两种体系粘度保持上升趋势。体系1浓度在15%时，粘度为146Pa•s，而在浓度为20%时，粘度则迅速上升到699Pa•s，此时体系1的流动性开始变差；体系2浓度在8%时，粘度为169Pa•s，浓度为10%时，粘度也迅速上升至815 Pa•s，此时体系2中已有明显凝聚物吸附在烧杯底部。

图3为不同浓度的体系1、体系2在固定剪切速率（0.3r/min）下的剪切粘度变化结果。数据显示，在一定的剪切速率下，随着时间的延长，同一浓度的水溶液粘度基本不变，说明水溶液内部的网状结构在缠结与解缠结中处于动态平衡。

图3 不同浓度纤维素类水溶液在恒定速率下的剪切粘度

图4是体系1、体系2在不同浓度下的三段式触变性测试结果。

图4 不同浓度纤维素类水溶液的三段式触变性测试结果

稳态剪切实验表明：随着剪切速率的增加，纤维素类水溶液的粘度急剧下降，说明存在剪切稀化现象。这应该是水溶液在高剪切应力的作用下，相互缠绕形成的网状结构被破坏，存在解缠结行为，有拉直倾向；在恢复低速剪切力后，又重新缠结，形成网状结构，具有弹性回复效应。可见，这两种纤维素类水溶液在一定条件下，表现出类似于喷火油料的非线性粘弹性，能够满足模拟训练剂的形态要求。

2.2 离子型表面活性剂增稠体系粘度

离子型表面活性剂多为水溶性直链高分子聚合物，遇水膨胀，吸湿性极强，具有亲水和疏水基团，缓慢溶于水可形成粘稠的透明液体。其增稠特性与纤维素类水溶液不同，是由分子内的阴离子基团使分子链增长，从而使表现粘度增大形成高粘性溶液。

图5为体系3和体系4粘度随浓度的变化曲线。体系3溶液外观为半透明可流动粘稠液体，有明显拉丝及弹性，但粘度值上限在40Pa•s左右，粘度值偏小，不再作考虑；体系4中丙二醇为10%，聚合物钠盐浓度为2%时，粘度成倍增大，达到766Pa•s，同时体系流动性变差。

图6为不同浓度的体系4在固定剪切速率下（0.3r/min）的剪切粘度变化结果，图7为体系4在不同浓度下的三段式触变性测试结果。从图6~7可以看出，体系4也表现出类似于喷火油料的非线性粘弹性。

图5 离子型表面活性剂水溶液粘度随浓度的变化曲线

图6 不同浓度体系4在恒定速率下的剪切粘度

图7 不同浓度体系4三段式触变性测试结果

上述4种体系在20℃时，都具有一定的粘度，水溶液具有明显拉丝及弹性。但在实际应用中，20℃时喷火油料粘度在150~200Pa•s范围内喷射效果更好，并且在一定的使用温度下，粘度均大于使用下限100Pa•s，因此模拟剂的表观粘度也应参考此粘度范围。据此，体系1浓度选择15%左右，体系2浓度选择8%，体系4选择1%。

2.3 后坐力测试结果与分析

喷火油料及体系1、体系2、体系4的后坐力测试曲线见图8。

图8 后坐力测试曲线

由图8可以看出，喷射过程中喷火油料最大后坐力值为871.8N，整个喷射状态持续380ms。而体系1、体系2后坐力持续时间极短，在喷射过程中出现间断喷射现象，不能实现连续喷射，说明这两种体系形成的胶体脆性高、表面张力大，在瞬间容易产生“堵塞”现象，不能较好地模拟喷射状态。此外这两种体系配制时，在水中的溶胀时间较长，水溶液的拉丝效果不好，粘弹效果差。体系4的后坐力测试曲线与喷火油料接近，其后坐力平均值、最大值均略高于喷火油料，因此，最终确定将体系4作为模拟剂，并进行相关的性能研究。

2.4 聚合物钠盐水溶液（体系4）性能研究

2.4.1 丙二醇加入量对低温稳定性及粘度的影响

聚合物钠盐浓度为1%，丙二醇加入量分别为10%、20%、22%、24%、26%、28%、30%、40%。将配制好的聚合物钠盐水溶液在低温贮存4h后测试其粘度，并观察冷贮前后聚合物钠盐的状态变化。

表1 低温下不同丙二醇浓度的聚合物钠盐水溶液粘度及外观变化

Tab.1 Viscosities and appearance changes of polymer sodium salt with different concentrations of propylene glycol under low temperature

表1中冷贮温度分别为0℃、-10℃、-15℃、-25℃。由表1可见，各样品在0℃时均能保持粘稠状，具有流动性；在-10℃、-15℃、-25℃凝固状态对应的丙二醇加入量分别为10%、24%、30%；在-25℃时，丙二醇含量为40%的样品外观保持不变。随着丙二醇浓度的增加，聚合物钠盐水溶液的抗冻效果显著提升，但同时粘度呈下降趋势，拉丝效果逐渐变差。当丙二醇加入量为30%时，聚合物钠盐水溶液粘度在使用下限100Pa•s左右。因此，结合实际训练条件，确定丙二醇的加入量为20%。

2.4.2 温度对粘度的影响

聚合物钠盐浓度为1%，丙二醇加入量为20%，将按此浓度配制的聚合物钠盐水溶液分别在-10℃、0℃、20℃、30℃、40℃、50℃温度下贮存24h后测试其粘度变化，结果如图9所示。

图9 聚合物钠盐水溶液粘度随温度变化的曲线图

由图9可以看出，聚合物钠盐水溶液粘度随着温度的升高呈下降趋势，温度到50℃时，粘度下降50%，说明温度对聚合物钠盐水溶液粘度影响较大。结合实际训练时的温度条件，为保证聚合物钠盐水溶液在一定范围温度波动下的粘度在100Pa•s以上，确定聚合物钠盐水溶液的使用温度最低为-10℃，最高为35℃。

2.4.3 剪切力对粘度的影响

在不同转速下测定聚合物钠盐水溶液的粘度，测定温度20℃。转速分别设为0.3 r/min、0.6 r/min、1.5 r/min、3 r/min、6 r/min、12 r/min、30 r/min、60 r/min，绘制粘度计转速——粘度曲线图，见图10。

图10 聚合物钠盐水溶液粘度随转速的变化

图10中，随着粘度计转速的增加，转子的剪切力增大，当转速从0.3 r/min增大到6 r/min时，聚合物钠盐水溶液粘度快速下降，转速再继续增大后，粘度趋于平缓，接近于0。因此在使用时，应在聚合物钠盐水溶液体系稳定后再进行操作。

2.4.4 贮存时间对粘度的影响

将上述配制的聚合物钠盐水溶液分别在20℃、25℃时贮存1d、3d、7d、15d、21d，测试其粘度变化，结果见图11。

由图11可知，聚合物钠盐水溶液在存放过程中，粘度缓慢下降，15d之后粘度趋于平缓，粘度值大于100Pa•s。为保证使用效果，拟定聚合物钠盐水溶液在配制后15d内可以使用。

图11 聚合物钠盐水溶液粘度随贮存时间的变化

3 结论

本文对水基喷火油料模拟剂的增稠体系进行了分析研究，优选出聚合物钠盐水溶液模拟剂。研究显示：聚合物钠盐水溶液体系具有明显的非牛顿流体特性，粘度随剪切力的增大而减小，并有弹性回复效应；粘度随聚合物钠盐浓度的增大而增大，随丙二醇浓度的增大而减小；丙二醇可以明显增强聚合物钠盐水溶液的抗冻效果；最终确定的聚合物钠盐浓度为1%、丙二醇为20%的模拟剂可以在-10~35℃使用；温度升高会使模拟剂粘度显著下降；模拟剂在15d之内不影响使用。

聚合物钠盐水溶液喷射作用模式基本与现有喷火油料吻合，后坐力略高，能够较好地模拟喷射状态；同喷火油料相比，模拟剂的配制无需加压催熟，无肿胀时间，不易燃，易清洗，可以做到随调随用，具有安全可靠的优点。

[1] 陆明旭,邵向东.中国02式系列轻型喷火器[J].兵器知识，2009(10) : 34-35.

[2] 陈宏达.喷火器的战术运用[J].武器分析与介绍, 2002(7): 19.

[3] 阎治华,张高林.喷火器的战例运用[J].兵器知识，2009(10): 36-37.

[4] 刘海燕, 庞明军, 魏进家. 非牛顿流体研究进展及发展趋势[J]. 应用化工, 2010, 39 (5): 740-742.

[5] 胡圣飞,李慧,胡伟,陈祥星.触变性研究进展与应用综述[J]. 湖北工业大学学报, 2012, 27 (2): 57-60.

Study on the Water-based Simulant of Napalm Gasoline

WU Yu，BI Peng-yu，JIN Qing-jun，LIU Zhe

(Chemical Defense Institute of Academy of Military Science, Beijing , 102205)

A detailed insight into the technical parameters of napalm gasoline was gained, by researching the apparent viscosity, property of non-Newtonian fluid, recoil force, etc. of a water-based thickener system (including sodium carboxymethyl cellulose, chitosan, Sodium dodecyl sulfate) as a simulant. The results demonstrate the effect of both shear thinning and elastic recovery, which corroborates the characteristic of a non-Newtonian fluid of the polymer sodium salt, meanwhile, the apparent viscosity of the simulant was increased by raising the concentration of polymer sodium salt or reducing the temperature. With the addition of propylene glycol, the simulant exhibited obvious freezing resistance effect resulting in satisfying performance under -10°C. Moreover, the analogous ejecting patterns between this water-based simulant and the napalm gasoline present comparable recoil force, which indicate the good simulation effect on injection state.

Napalm gasoline；Water-based；Simulant；Recoil force；Non-Newtonian fluid

1003-1480（2019）02-0006-05

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.002

2019-02-11

吴昱(1978-)，女，副研究员，从事军事化学与烟火技术研究。