颗粒型Mg/PTFE/NC药剂的红外辐射特性研究

王 磊，关 华，雎 健

颗粒型Mg/PTFE/NC药剂的红外辐射特性研究

王 磊，关 华，雎 健

（南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

为提高Mg-PTFE红外诱饵剂的燃烧辐射面积、降低辐射强度，采用溶剂挥发法制备Mg/PTFE/NC颗粒型药剂，研究颗粒药剂的红外辐射性能。结果表明：对比等质量粉状药剂，颗粒药剂的辐射面积平均增大60%，平均辐射强度减小了80%。药剂粒度由690.6μm增大到1 048.3μm，平均辐射面积由139.51cm2增大到172.83cm2，平均辐射强度由2.89 W•Sr-1增大到4.56 W•Sr-1；随着Mg-PTFE在颗粒药中的质量分数增加，辐射强度增大，而辐射面积变化不大。

烟火药；红外诱饵；颗粒药；辐射面积；辐射强度

以Mg-PTFE（镁-聚四氟乙烯）为主的MTV红外诱饵主要以粉状诱饵药剂压制成药柱，燃烧产生红外辐射，与被保护目标相比，其主要特点是辐射温度高、辐射强度大、辐射面积小等。然而目前红外制导方式已由点源发展到成像制导，其抗干扰技术大幅度提高，红外诱饵与目标辐射性能的显著差异能被红外成像制导分辨出诱饵和目标[1-2]。因此，将Mg-PTFE制成颗粒，试图增大药剂的辐射面积，适当降低辐射强度是MTV红外诱饵的研究方向。

近年来，除了发射药制备颗粒的传统方法内溶法和外溶法[3-5]，研究人员还尝试许多其他方法。如王江等[6]利用喷雾干燥法，成功制备出了球形RDX颗粒；刘换敏[7]利用微流控技术成功制备出了单基和双基球形发射药颗粒；石旭东等[8]采用溶剂挥发法制备聚乳酸微孔颗粒，颗粒形状均一性好，但实验的驱溶过程长达4h，效率较低；王萍等[9]采用水溶液常温浸析的方式，制备出了硝化棉微孔颗粒，这种方法大大缩小了制备时间，但所得颗粒质地较软。基于上述制备方法，笔者提出采用溶剂挥发法制备烟火药剂Mg/ PTFE/NC颗粒，利用NC优良的粘合性，将Mg和PTFE包裹成球形或近球形颗粒，并研究颗粒的不同配比、不同粒度对粒子燃烧后的辐射面积及辐射强度的影响。

1 实验部分

1.1 Mg/PTFE/NC颗粒的制备

1.1.1 试剂与仪器

试剂：镁粉，分析纯，150目筛下物，国药集团有限公司；硝化棉；聚四氟乙烯(PTFE)，100目筛下物，江苏鹏程实验器材有限公司；乙酸乙酯，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

仪器：HH-2恒温水浴锅，上海红星仪器有限公司；JJ-1定时电动搅拌棒，江苏金坛市中大仪器厂；SHZ-D(Ш)型循环水真空泵，上海瑞兹仪器设备有限公司。

1.1.2 颗粒制备

称取定量的硝化棉、镁粉、聚四氟乙烯于三口烧瓶中，加入一定量的乙酸乙酯，并在64℃下搅拌，待形成粘稠状高分子溶胶后，加入乳化剂和分散剂，一边加快搅拌一边升温，直到将溶剂乙酸乙酯完全蒸出后静置，抽滤，烘干，得到Mg/PTFE/NC颗粒。

1.2 试验样品预处理

对原料质量配比不同的颗粒，筛分出粒度在600~800μm的颗粒，称取2g样品，用5kN的外力压制成药柱，并装入高度33mm、内径20mm的圆柱形壳体，制成样品1~5。对原料质量配比相同的颗粒，利用激光粒度仪测量不同颗粒的粒度分布，再分别称取2g样品，用5kN外力压制成药柱，装入相同尺寸的壳体，制成样品6~9。另准备2g粉状Mg-PTFE药剂，利用同样的外力压制，装入壳体，将其作为0号对比样品。图1为处理好的样品。

1.3 颗粒粒度测试

本文采用英国马尔文公司Mastersizer 2000干式激光粒度分析仪对颗粒进行测试，仪器分析粒径范围为0.02~10 000μm，经过分析可得到样品颗粒的粒度以及粒度分布的相关值。测试得到的样品6~9的粒度分布情况如图2所示。

图1 样品示意图

图2 样品6~ 9的粒度分布示意图

1.4 红外测试仪器及测试方法

测试仪器：美国Flir公司SC7000型远红外热像仪，光谱响应波段7.7~9.3μm；分辨率320×240像素；温度分辨率<20mK；测试镜头25mm，背景、大气温度20℃，室温25℃，辐射率设为1。

测试方法：测试时，将试验样品置于仪器镜头前方试验台，确定样品燃烧充满在视场内，经测量得出距离为3.4m。样品燃烧面正对仪器，点燃样品表面点火药后，样品迅速燃烧，测试样品燃烧过程。利用远红外热像仪测试得到样品燃烧时间、辐射温度以及辐射亮度。

辐射面积的计算：选择一个已知长度的物体，测量它在热像仪中所占像素点数量确立标尺，以此来计算不同时刻样品的辐射面积大小。

辐射强度的计算：根据公式[10]：

式（1）中：为辐射强度，W·Sr-1；为辐射亮度，W·Sr-1·m-2；为辐射面积，m2；为与非点源的法线角度，测试时设为0。辐射亮度为由热像仪自带软件ResearchIR计算得出，辐射面积的计算方法如上，按照式（1）计算得到样品的辐射强度。

2 结果与讨论

2.1 不同配比Mg/PTFE/NC颗粒的辐射性能研究

2.1.1 不同配比Mg/PTFE/NC颗粒的辐射性能测试结果

首先研究不同配比药剂对辐射性能的影响。表1为不同样品的原料配比。样品1~5中的硝化棉质量分数依次递增，镁粉和聚四氟乙烯的质量分数则依次递减。采用红外热像仪测试不同配比药剂燃烧后不同时刻热像，结果如图3 所示。其中0号为粉状药剂。

图3 不同配比Mg/PTFE/NC颗粒及燃烧随时间变化的热图

由图3可知，1~5号样品燃烧时的辐射面积比0号样品明显增大，持续时间也更长。样品1~5号之间的辐射面积差异不大，持续时间整体有上升的趋势。从左侧的温度表可知从1号样品到5号样品燃烧时整体辐射温度有逐渐降低的趋势，并且都低于0号样品。

表1 不同配比样品的组成 (%)

Tab.1 Composition of different proportions of samples

2.1.2 Mg/PTFE/NC样品配比对辐射面积的影响

利用热像软件计算得到各样品燃烧下平均辐射面积，如表2所示。

表2 各样品稳定燃烧的辐射面积

Tab.2 Radiation area for stable combustion of each sample

由表2可知，样品1~5之间辐射面积相差不大，这说明原料配比不是影响辐射面积大小的主要因素。而对比粉状Mg-PTFE药剂（0号样品），辐射面积分别增大了24.3%、29.9%、27.1%、35.1%、21.6%，平均增大27.6%。这表明Mg/PTFE/NC颗粒可以提升药剂的辐射面积。

2.1.3 Mg/PTFE/NC样品配比对辐射强度的影响

计算得到样品0~5的辐射强度变化，见图4。各样品燃烧时平均辐射强度见表3。

表3 各样品燃烧的辐射强度

Tab.3 Radiation intensity of combustion of each sample

图4 不同配比样品与0号样品的辐射强度变化图

结合图4、表3可知，不同配比Mg/PTFE/NC颗粒燃烧的平均辐射强度分别为5.62W·Sr-1、4.15 W·Sr-1、3.45W·Sr-1、3.16W·Sr-1、2.64W·Sr-1，比粉状Mg-PTFE药剂分别减少69.8%、77.7%、81.5%、83.0%和85.8%，平均降幅高达79.6%。对比不同配比Mg/PTFE/NC颗粒的平均辐射强度可以看出，Mg/ PTFE/NC颗粒所产生的辐射强度随着Mg-PTFE质量分数的降低而逐渐减小，当Mg-PTFE的质量分数由30%增大到70%时，平均辐射强度由2.64 W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1，升幅53.2%。

已知Mg/PTFE/NC药剂燃烧时的反应方程式如下：

C6H8N2O9(s) + 7/2O2(g) =4H2O(g) +6CO2(g)+ N2(g)

5Mg(s)+(C2F4)(s)+1/2O2(g)=2MgF2(g) +2C(s)+MgO (s)

由于Mg与PTFE反应产生MgF2、MgO等物质的特征辐射集中在中、远红外波段，但NC燃烧产物H2O、CO2的特征辐射集中在近、中红外波段，因此随着药剂中Mg-PTFE质量分数的增大，颗粒的平均辐射强度逐渐增大。同时，根据斯蒂芬-玻尔兹曼公式[11]：

可知，辐射能量与温度的4次方成正比。由于Mg与PTFE反应过程中会产生大量的热，粉状Mg-PTFE药剂中Mg、PTFE的质量分数比Mg/PTFE/NC药剂至少多15%，所以对比粉状Mg-PTFE药剂，Mg/PTFE/NC药剂辐射强度平均降幅达到79.6%。

2.2 不同粒度Mg/PTFE/NC颗粒的辐射性能研究

2.2.1 不同粒度Mg/PTFE/NC颗粒的辐射性能测试结果

不同粒度Mg/PTFE/NC颗粒的原料配比及颗粒粒度情况，如表4所示。

表4 不同粒度样品的组成及粒度情况

Tab.4 Composition and particle size of different samples

样品中的硝化棉、镁粉和聚四氟乙烯的质量分数统一为50%、25%和25%，区别是颗粒粒度（此处取值50）由样品6的1 048.3μm逐渐减小到样品9的690.6μm。采用红外热像仪测试样品药剂燃烧后不同时刻热像，结果如图5 所示。其中0号为粉状药剂。

由图5可知，样品6~9的稳定燃烧的辐射面积比0号样品也有明显增大，燃烧时间也更长。样品6~9的辐射面积有下降的趋势，燃烧时间整体有上升的趋势。从左侧温度表可知样品6~9燃烧整体辐射温度也都低于0号样品。

2.2.2 Mg/PTFE/NC样品粒度对辐射面积影响规律

利用热像软件计算得到各样品燃烧下平均辐射面积，如表5所示。

图5 不同粒度Mg/PTFE/NC颗粒燃烧随时间变化的热图

表5 不同粒度样品燃烧的辐射面积

Tab.5 Radiation area for combustion of samples with different particle size

由表5可知，相比粉状Mg-PTFE辐射面积，样品6~9燃烧时平均辐射面积分别增大77.1%、63.1%、56.9%、42.9%，平均增大60%，说明粒度大小是影响辐射面积大小的重要因素。另外，随着粒度的增大，Mg/PTFE/NC颗粒的辐射面积呈现逐渐增大的趋势。当粒度从690.6μm增大到1 048.3μm时，辐射面积增大了33.32cm2，增大幅度19.3%。这是因为样品颗粒的粒度越大，单个颗粒的燃烧持续时间就越长，借助于推力所达到的高度就越高，辐射面积就越大。

2.2.3 Mg/PTFE/NC样品粒度对辐射强度影响规律

计算得到的不同粒度Mg/PTFE/NC样品及0号样品的辐射强度随时间变化图，见图6。

图6 不同粒度样品与0号样品辐射强度变化图

表6为不同粒度样品燃烧时的辐射强度。

表6 不同粒度样品燃烧的辐射强度

Tab.6 Radiation intensity of combustion of samples with different particle size

结合图6和表6可知，相比粉状Mg-PTFE药剂燃烧的平均辐射强度18.60 W•Sr-1，样品6~9的平均辐射强度分别下降了75.5%、80.4%、80.6%、84.5%，整体的平均降幅高达80%。而当颗粒的粒度逐渐增大时，平均辐射强度整体呈现上升的趋势，持续时间呈现逐渐减小的趋势：粒度从690.6μm增大到1 048.3μm，平均辐射强度上升1.67 W•Sr-1，升幅37%，同时辐射持续时间从6.4s 缩短到3.2s。这是由于当颗粒粒度增大，颗粒之间的孔隙增大，颗粒间的堆积密度减小，致使颗粒在燃烧时的燃速增大，单位时间释放的热量更多，造成的热辐射更大，辐射面积就越大。又由于样品之间仅为粒度的不同而原料的配比一致，不存在特征辐射的差异，热辐射更大的颗粒辐射强度更大。因此当配方一致时，颗粒粒度的增大会导致颗粒辐射温度和辐射强度的整体增大。

又因为样品为药柱燃烧，满足傅里叶方程：

式（3）中：为热扩散率或热扩散系数，m2·s-1；为导热系数，W·m-1·K-1；为密度，kg·m-3；为比热容，J·kg-1·K-1。在、不变的情况下，随着的增大而减小，因此药柱燃烧的热扩散率降低。而药柱燃烧过程中影响燃烧时间的最主要因素就是热扩散系数，因此样品的燃烧时间会随着粒度的减小而呈现增大的趋势。

3 结论

（1）相比粉状Mg-PTFE药剂，采用溶剂挥发法制备的Mg/PTFE/NC颗粒辐射面积增大幅度达60%，平均辐射强度减小幅度达80%。（2）Mg/PTFE/NC颗粒燃烧后的辐射面积随着颗粒粒度的增大而增大，当粒度由690.6μm增大到1 048.3μm时，平均辐射面积增大幅度19.3%。但颗粒的辐射面积受其中Mg-PTFE质量分数变化的影响不大。（3）Mg/PTFE/NC颗粒燃烧后的辐射强度与颗粒中Mg-PTFE的质量分数以及颗粒粒度都有关。当Mg-PTFE的质量分数由30%增大到70%，辐射强度由2.64W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1；当粒度由690.6μm增大到1 048.3μm时，平均辐射强度由2.89 W·Sr-1增大到4.56 W·Sr-1。

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Study on Infrared Radiation Characteristics of Granular Mg/PTFE/NC Agents

WANG Lei，GUAN Hua，JU Jian

(Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094)

In order to improve the radiation area of Mg-PTFE infrared bait agent and reduce the radiation intensity, the Mg/PTFE/NC particle type agent was prepared by solvent evaporation method, to study the infrared radiation performance of the particle agent. The results showed that the radiation area of the granular agent increased by 60% on average and the radiation intensity decreased by 80% compared with the equal-quality powdery agent. When the particle size of granular agent increases from 690.6μm to 1 048.3μm, the average radiation area increases from 139.51cm2to 172.83cm2, and the average radiation intensity is 2.89 W• Sr-1increased to 4.56 W•Sr-1. While the mass fraction of Mg-PTFE in the granules increased, the effect on the radiation area is small, the radiation intensity shows the increase tendency.

Pyrotechnics; Infrared bait; Granules; Radiation area; Radiation intensity

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.010

1003-1480（2020）01-0038-05

2019-11-04

王磊（1995 -），男，在读硕士研究生，主要从事含能材料制备与应用研究。