超细粉体发烟剂流散性改性

(防化研究院功能材料研究所，北京 102205)

烟幕作为一种高效费比的战场保障和非对称作战手段，在多次战争中发挥了重要的作用[1-3]。在未来高技术战争中，作战双方大量使用雷达、红外、激光等侦察、监视及攻击系统，反雷达、反红外、反激光的烟幕器材必将伴随科学技术的发展以崭新的面貌出现在现代战场上，发挥其独特的作用[4-6]。发烟剂是形成烟幕的化学物质，根据物质形态和使用方式可分为多种类型，固体粉末型发烟剂便是其中很重要的一种类型，广泛应用在各种发烟装备之中。粉末型发烟剂是一种特殊的粉体，粒度一般处于几百纳米至十几微米之间，属于超细粉体范畴[7]。在研究和使用这些微纳粉体发烟材料时我们发现，它们在储存过程中容易结块，流动性明显变差，分散性能下降；将其施放到烟幕箱后，干扰效果也会随着时间的延长快速下降，干扰时间短。产生这些现象的根本原因在于：在超细粉体中，颗粒尺寸小，比表面积大，表面能急剧增加，使其成为一个不稳定的热力学体系，颗粒之间有自发聚集以降低系统自由焓的趋势，逐步变大形成二次颗粒构成软团聚，使粉体的分散性下降[8]；分散到空气中的微纳颗粒，也会在漂浮的过程中相互碰撞发生凝并和团聚，粒径变大，沉降加快，进而影响其干扰性能。鉴于此，针对一种新型的超细粉体发烟剂——纳米复合干扰发烟剂，采用添加流动性辅助剂的方法，对其流散性进行改性研究，提升它的分散性能和干扰性能。

1 实验

1.1 实验仪器

实验采用的主要仪器设备的型号、 规格如表1所示。

表1 仪器设备列表

1.2 发烟剂

实验研究对象为一种新型的发烟剂——纳米复合干扰发烟剂，该发烟剂的主要成分为一种硫化物半导体材料，该材料颗粒呈中空结构，宏观尺度在微米级(约0.5～5 μm)，空壳壁厚在纳米级(几十纳米)，表观密度小(约0.2～0.3 g/cm3)。该发烟剂具有超细粉体的典型特征，质轻、漂浮性好，在存储和使用过程中易发生团聚现象。

1.3 烟箱实验

烟箱实验室中仪器布设示意图如图1所示，基本实验步骤如下：

1)按照图1所示的位置架设好仪器设备，进行光学仪器的设置和调试，激光的初始接收能量设置为500 mW，红外靶标的温度设置为40 ℃，调试完成后进入实验准备状态。

2)称取20 g发烟剂样品，将其放入气流分散装置的储料罐中。

3)一切准备就绪后，激光测试装置和红外热像仪开始进行测试，记录空白背景的数据10 s以上，然后将发烟剂喷撒到烟箱中。

4)将样品喷撒完毕后，打开烟箱内风扇，搅拌20 s，使烟幕分布均匀。

5)测试过程中，红外热像仪和激光测试装置一直处于测试状态，测试数据被实时采集并保存到计算机硬盘上。采样装置有2个采样头进行平行采样，采样次数、采样时间根据需要进行设置。

6)实验结束时，停止红外热像仪和激光测试装置的测试，打开烟箱门，启动抽风系统，清除烟箱中的烟幕材料后准备下一次实验。

图1 烟箱测试仪器布设示意图Fig.1 Instrument layout diagram of smoke box

1.4 野外试验

图2是野外试验场地布设示意图，主要分成几个区域，即仪器架设区1(主要布设黑体、激光发射装置等)，仪器架设区2(主要布设中长波热像仪、激光接收装置、摄像机等)、烟幕施放点、气象测量点(布设温湿度计和风速风向仪)。烟幕施放方向与主导风向一致，尽量使光路与风向垂直。基本试验步骤如下：

1)架设并调试好仪器设备进入准备状态，激光的初始接收能量仍然设置为500 mW，红外靶标的温度设置为40 ℃；

2)热像仪和激光测试装置开始持续记录数据，记录10 s空白数据后开始喷撒发烟剂；

3)发烟剂喷撒完毕后，停止记录数据，结束本次试验。

图2 野外试验场地布设示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of field experiment

1.5 发烟剂流散性测试

发烟剂流散性测试采用卡尔指数法[9-12]，利用粉体综合特性测试仪，测试得到发烟剂的休止角θr、压缩率Cp、抹刀角θs和凝聚度Ch等参数，并将这些参数指数化后利用式(1)得到流动性指数Fw：

Fw=θr+Cp+θs+Ch。

(1)

同样地，利用粉体综合特性测试仪，测试得到发烟剂的崩溃角θf、差角θd、分散度Ds和流动性指数Fw等参数并将其指数化，利用式(2)得到喷流性指数Fd：

Fd=Fw+θf+θd+Ds。

(2)

在计算以上指数过程中需要的粒度参数利用马尔文MS3000型激光粒度仪采用湿法[13]测试得到。

1.6 数据处理

1.6.1 红外干扰数据处理

在烟箱或野外测试得到的红外图像，可按下式处理后得到烟幕对红外辐射的衰减率[14-16]:

(3)

式中，h0、h1分别为施放烟幕前目标和背景的灰度值，h0(t)和h1(t)分别为施放烟幕后目标和背景随时间变化的灰度值。

1.6.2 激光干扰数据处理

激光测试装置的测试结果，可按下式计算得到烟幕对激光的衰减率[17]：

(4)

式中，I0为施放烟幕前激光强度，I为施放烟幕后的激光强度。

2 结果与讨论

2.1 流散剂对发烟剂流散性的影响

为了改善发烟剂的流散性，我们在超细粉体发烟剂中添加了流散剂。流散剂为疏水型的无机纳米粉体，尺寸在几十纳米。将添加流散剂后的发烟剂采用三维混合机混合均匀，利用卡尔指数法测定其安息角、崩溃角、差角、抹刀角等参数，然后按照公式计算得到表征粉体流散性的流动性指数和喷流性指数。表2是添加一定比例的流散剂前后发烟剂流散性参数的对比。从表中可见，加入流散剂后，发烟剂的各项流散性指标均有不同程度的提高。流动性指数的提高，意味着发烟剂的流动性更好，更加有利于粉体的输送操作。喷流性也称飞扬性[18]，是指粉体物料在处理过程中，由于自动充气而流化形成类似流体的性质，添加流散剂后，发烟剂的喷流指数明显提高，达到了83，说明该发烟剂非常有利于在大气中喷撒形成有效气溶胶烟幕。

表2 添加流散剂前后发烟剂流散性参数的对比

同时，我们还研究了不同含量的流散剂对发烟剂流动性的影响规律，测试结果如表3所示。从表中可以看到，随着流散剂含量的增加，发烟剂的流动指数越来越大，说明发烟剂的流动性随着流散剂的含量增加而不断增强。喷流性指数也遵循同样的规律，其数值随着流散剂含量的增加而变大。

在实际应用中，流散剂的含量通常要根据储存、 运输、 分散和干扰的要求来确定。 流散剂太少，会使发烟剂的流动性和喷流性达不到使用要求，并且容易在储存、 运输和使用过程中发生结块现象。 流散剂太多，会使发烟剂的松装密度大幅下降，同样的包装桶装填的发烟剂质量会减少，使用包装桶的数量增加，加大了运输量； 另外，过大的喷流性指数意味着发烟剂的飞扬性很强，在发烟剂的封装、 装填过程中容易飞扬，增加了对环境的粉尘污染； 流散剂过多，还会导致有效干扰组分减少，使得发烟剂的干扰性能下降。 一般而言，通过调整流散剂的用量，使发烟剂的流动性指数达到60以上，喷流性指数达到75以上，就能够完全满足实际的使用要求。

表3 不同含量流散剂对发烟剂流动性和喷流性的影响

2.2 改性发烟剂的烟箱干扰性能

为了研究添加流散剂对发烟剂干扰性能的影响，在烟箱中测试了添加流散剂前后发烟剂对8～14 μm红外热像仪的干扰效果，测试结果如图3所示。 从图中可以看出，添加流散剂前，发烟剂对8～14 μm红外波完全干扰(衰减率达到100%)的持续时间不到200 s，添加流散剂后，达到了700 s以上。显然，添加流散剂后，发烟剂的干扰性能有了明显的提升，衰减率更高，持续干扰时间更长。另外，从添加流散剂前后对10.6 μm激光的干扰效果(如图4所示)来看，添加流散剂后，发烟剂对激光的衰减效果也明显增强，持续干扰时间也更长。

图3 发烟剂在烟箱中对8～14 μm红外热像仪的干扰效果Fig.3 Jamming effect of smoke agent on 8～14 μm infrared thermal imager

图4 发烟剂在烟箱中对10.6 μm激光的干扰效果Fig.4 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light

添加流散剂之所以能够增强了发烟剂的干扰性能，在于两方面的原因。一方面，添加流散剂并经过充分的机械混合之后，发烟材料粒子表面覆盖了一层不与水结合形成氢键的疏水纳米材料，起到了一定的空间位阻作用，阻止了临近粒子因范德华力而相互靠近，发烟剂的凝并行为得到了一定程度的抑制，具备较好的流动性和喷流性，在储存过程中不易团聚，在施放过程中也能很好地分散到空中；另一方面，由于表面性质的改变，发烟剂干扰粒子分散到空中后，相互之间碰撞结团的现象也有所减弱，因此干扰材料在空中的漂浮时间变长，能够对电磁波形成持续干扰效果，持续干扰时间明显延长。

2.3 改性发烟剂的野外干扰效果

通过添加流散剂，显著地改善了纳米复合发烟剂的流散性，我们用改性后的发烟剂进行了野外气流分散试验，并利用仪器测试了干扰效果。

2.3.1 对可见光的干扰效果

在野外试验时，利用摄像机来测试发烟剂的可见光干扰效果，目标为一面粉色红旗，如图5a所示。 测试时的风速为2～3 m/s，发烟剂的施放速度为20 g/s。从图5可见，分散到空中的发烟材料能够形成稳定的烟幕气溶胶，说明发烟剂的分散性和漂浮性良好；当烟幕经过光路时，原本清晰可见的红旗被烟幕完全遮蔽，已经无法从摄像机上看见，如图5b所示，说明纳米复合干扰发烟剂在野外具有良好的可见光遮蔽效果。

a 遮蔽目标前

b 遮蔽目标后图5 野外试验中发烟剂的可见光遮蔽效果Fig.5 Camouflage effect of smoke agent on visible light in field experiment

2.3.2 对激光的干扰效果

图6为野外试验中，纳米复合干扰发烟剂形成的烟幕对10.6 μm激光的干扰效果。 测试时风速为0～1 m/s，发烟剂的施放速率为12 g/s。 试验时的气象条件不太理想，风向不太稳定，有相当一部分烟幕偏出了光路，但仍然能够产生90%以上的衰减，说明烟幕对10.6 μm激光有很强的衰减能力。

图6 野外试验中发烟剂对10.6 μm激光的干扰效果Fig.6 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light in field experiment

2.3.3 对红外的干扰效果

图7是野外试验中发烟剂对3～5 μm红外热像仪的干扰效果。 测试时的风速为2～4 m/s，发烟剂的总施放量为1.8 kg。 从图中可以看到，在初始1 min内，烟幕对3～5 μm红外波的干扰效果十分出色，衰减率大都在95%以上，在随后的施放过程中，由于气流施放装置的储气瓶气压下降，导致单位时间发烟量下降，成烟稀薄，使得干扰效果有所下降。

图7 野外试验中发烟剂对3～5 μm红外的干扰效果Fig.7 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

本次试验中，发烟剂对8～14 μm红外热像仪的干扰效果如图8所示。 与3～5 μm波段的干扰效果相类似，这说明发烟剂对长波热像仪的干扰效果也很出色。

图8 野外试验中发烟剂对8～14 μm红外的干扰效果Fig.8 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

3 结论

针对超细粉体发烟剂易团聚的特性，通过添加流散剂的方法对其流动性和喷流性进行了改性，并测试了改性后的发烟剂在烟箱和野外对激光和红外的干扰性能。研究结果表明：

1)流散剂对纳米复合干扰发烟剂流散性的改善非常明显，并且流动性指数和喷流性指数均随着流散剂含量的增加而变大，实际应用中可以根据需求调整流散剂的含量。

2)烟箱试验中，经过流散性改性后的发烟剂对红外和激光的干扰效果都显著增强，衰减率更大，持续干扰时间更长；

3)野外试验中，经过流散性改性后的发烟剂表现出良好的分散性和漂浮性，在野外能够形成稳定的气溶胶烟幕，对可见光、激光和中远红外都具有良好的干扰效果。