无烟型声光弹烟火药制备方法浅析

摘要：针对减少声光弹在爆炸过程中产生烟雾的要求，对无烟型声光弹烟火药的相关理论研究进行了综述。分析了声光弹在爆炸过程中产生烟雾的原因，介绍了国内无烟烟火药的研究进展情况，论证了通过改变烟火药组分降低声光弹烟火药烟雾的的可行性方法，为声光弹无烟化的发展提供了一定的理论基础。

关键词：声光弹;烟火药;无烟化

引言

中国人民武装警察部队是国家武装力量的重要组成部分，担负着执勤、处置突发社会安全事件、防范和处置恐怖活动、抢险救援、海上维权执法、防卫作战“六位一体”的职能任务，非致命武器在武警部队处置各种突发事件中发挥了重大作用。其中，防暴弹种类之一的声光弹，在爆炸后迅速产生强烈闪光和巨大声响，在短时间内使有生目标丧失听觉、视觉等生理反应，从而威慑驱散闹事群众，达到控制事态的目的。在当前严峻形势下，声光弹因作用效果显著、威力突出而大量列装武警部队，使用于驱散闹事群众、解救人质等场合，尤其在解救人质事件上功不可没。但是，目前所使用的声光弹击发后，在实现终点声光效应的同时，会产生大量的烟雾，这使得武警官兵在执行快速突入或狙击手进行高精度射击等任务过程中因烟雾干扰看不清目标而延误行动时机，进而对战斗效果造成重大影响，甚至付出血的惨痛代价。因此，为了提高声光弹在遂行任務中的作用效能，研发无烟或微烟型声光弹非常重要。

1、烟火药产生烟雾的机理剖析

声光弹烟火药属于含能材料。其原材料组成成分通常是可燃剂、氧化剂、粘合剂和功能添加剂。其中，氧化剂常用的有：高氯酸钾、硝酸钾、硝酸钡或多种氧化剂的混合物等，可燃剂常用的有：铝粉、镁粉以及镁铝合金粉等，粘合剂常用的有：酚醛树脂、聚氯乙烯、虫胶等。

如高氯酸钾与铝粉组成的烟火药燃烧时将发生以下反应，见式1：

8Al + 3KClO4→3KCl + 4Al2O3 式1

如高氯酸钾、硝酸钾、镁铝合金组成的烟火药，燃烧时将发生以下反应，见式2：

KClO4+KNO3+Mg-Al→K2O+MgO+Al2O3+NO2+N2 式2

显然，声光弹中烟火药燃烧即产生出大量的K2O、MgO、Al2O3等金属氧化物微粒，悬浮于大气中即形成烟，当有水分存在时，极易吸附水分形成烟雾。

又如由硫磺、硝酸钾、木炭粉组成的黑火药燃烧时发生的化学反应如下：

74KNO3+30S+96C+16H2O→35N2+56CO2+14CO+3CH4+2H2S+ 4H2+19K2CO3+7K2SO4+8K2S2O3+2K2S+ 2KCNS+（NH4）2CO3+C+S 式3

按此反应式，燃烧生成物中的碳、硫及其氧化物微粒形成的气溶胶夹杂着有没完全燃烧的颗粒物，大量悬浮于空气中，引起较为严重的环境污染。

2、无烟烟火药的研究现状浅析

当今全国各行各业的无烟化研究十分广泛，无烟煤、无烟蚊香、无烟锅炉等研究发展深入。烟花爆竹行业为获得环境友好型的火药，大量研发以退役火药为基础的烟火药，然而声光弹烟火药无烟化的研究几乎没有。烟火药组成部分通常包括可燃剂、氧化剂、粘合剂、功能添加剂。想要降低烟雾的产生量，达到无烟或微烟的效果，就要从烟火药的组成成分入手，降低其组成成分中的大分子元素。因此，可以分别从烟火药氧化剂、可燃剂、粘合剂入手，通过使用更加清洁，能量可靠的材料，去降低其烟雾产生量。

（1）改变声光弹烟火药的氧化剂降低爆炸烟雾的生成

氧化剂是组成烟火药的基础，其组分很多样，既可以含有氧，也可以不含氧，也可以是卤素化合物。声光弹氧化剂最常使用的是高氯酸钾，高氯酸钾的氧化性是非常强的，但由于其在燃烧或爆炸过程中产生大量氯化钾的化合物，是烟雾产生的主要原因。想要降低大分子含量的产生，需要烟火药在燃烧或爆炸过程中尽可能的产生气体，因此需要氧化剂的组成成分应含有大量的C、H、O、N等元素，则可有效控制其烟雾产生。

含有C、H、O、N等元素的氧化剂，首先可以使用的是硝酸铵。硝酸铵的含氮量非常高，广泛应用于火箭推进剂和炸药，硝酸铵在燃烧或爆炸过程中，产生的物质均为CO2、H2O、N2等气体，是其无烟或少烟的根本原因。张海燕[1]等综述了国外研制的低信号特征推进剂氧化剂相稳定硝酸铵，由于相稳定硝酸铵在固体火箭推进剂中产生的顿感、低信号、低污染的良好效应，被认为是高氯酸铵氧化剂的潜在优良替代品;殷海泉[2]在改性硝酸研究进展及其发展方向一文中也认为价格低廉，来源广泛的硝酸铵经过改性之后是可以代替过氯酸氨和奥克托金的环境友好型固体火箭推进剂。但是硝酸铵依然存在很多缺点，它的起爆感度非常低，同时具有较强的吸湿性，使得它不适于作为声光弹的主装药，为研究增加了巨大的难题。

单一使用硝酸铵存在很多问题，但如果研制复合型氧化剂，通过复合的方式，改良硝酸铵的低起爆的特性，将会很好的使用于声光弹。

溶剂与非溶剂法具有广泛的应用。它根据的是溶解度的原理，通过先后加入溶剂和非溶剂，使溶质结晶析出的一种方法。此方法操作便捷可靠，可以改变物质的形态或形状，因此在材料的细化、复合和改性中有十分广泛的应用。陈爱四，李凤生等[3]采用溶剂与非溶剂法制备出了CuO/AP复合粒子，该粒子是以CuO为核，以AP为壳的，经过测试得出，该复合材料中的高氯酸铵分解峰有所下降，较二者的机械搅拌物提前了5.64℃;张汝冰等[4]用同样的方法制备了纳米级亚铬酸铜与高氯酸铵的复合粒子，其中高氯酸铵的热分解温度明显变小;马振叶等[5]该方法制备了铝和高氯酸铵的复合粒子，分析结果表明，经过该方法处理的Al对AP的热分解反应具有催化作用，而机械混合的产物并不会对Al有催化作用;徐厚材[6]等为了解决氯酸钾氧化剂感度高，安全性差的问题，采用溶剂非溶剂法制备了高氯酸钾硝酸铵二元体系烟火药氧化剂，结果表明样品中高氯酸钾分解温度为466℃，比纯高氯酸钾提前了133℃，比氯酸钾分解温度高出106℃，证明了此复合氧化剂比原氧化剂更加安全可靠。通过以上研究可以发现，溶剂非溶剂法在改变试剂性质的方面作用很很大，如果能够将硝酸铵与某种起爆感度高的氧化剂进行重结晶，得到的复合氧化剂敏感度非常低，则能够有效减少反应物中物质的大分子元素，从而降低声光弹烟雾的形成。

（2）改变声光弹烟火药的可燃剂降低爆炸烟雾的生成

可燃剂是烟火药的重要组成部分，制备烟火药应选择极易被氧化，燃烧生成热量大的可燃剂。可燃剂通常可以分为无机可燃剂、有机可燃剂、有机金属可燃剂、氢化物可燃剂等，声光弹最常使用的是铝粉，同时镁粉，镁铝合金等也在声光弹烟火药中使用广泛。可燃剂产生烟雾的原因是在燃烧或爆炸过程中产生大量铝的氧化物，在空气中形成气溶胶。想要通过改变可燃剂降低烟火药烟雾的产生，同无烟氧化剂的改变方法一样，改变其在燃烧爆炸过程中产生的大分子氧化物，尽量使产物都为气体，则可解决这样的问题。有机可燃剂中的碳水化合物，如淀粉、乳糖、甜菜糖、纤维素的等，其组成均为C、H、O、N，燃烧产物均为气体，通过查阅资料发现，含糖的爆炸反应如氯糖反应等，反应非常剧烈，其产生的效能能够满足烟火药的指标。硝化纤维素在含能材料中有着十分广泛的应用。刘士林[7]等研究了军用退役发射药的相关性能，解决了无烟烟火药制备、操作等相关问题，为环保型无烟烟火药提供了实践支撑;贾婷雨[8]同样研究了烟花的无烟化，所采用的的原料为竹浆硝化棉和回收硝化棉，制造的烟火药为微孔结构球型药，燃烧产生的烟雾量明显减少;郑文芳[9]等研究了烟花的无烟化进展，分析了报废火药作为无烟火药的可行性，分别从能量、安全、反应生成物燃烧特性的角度进行了说明，认为利用报废火药作为烟花无烟化药剂是可行的，并且具有较好的发展空间;宋建芳[10]等发明了一种花炮无烟引线药剂的组合物，这种组合物由防潮高氯酸铵、单双基粉、金属粉末、珍珠岩粉、碳粉等组成，单双基粉主要成分是硝化棉，来源于军用低信号发射药单基、双基废弃药，是除尽二氧化氮及残酸，添加了二苯胺进行稳定处理才使用的。王琼慧[11]对糖分粉尘爆炸特性进行了研究，考察了粒径、惰性物质、点火能量对其爆炸特性的影响，为制糖的安全进行提供了理论支撑。

（3）改变声光弹烟火药的粘合剂降低爆炸烟雾的生成

使用粘合剂的作用是能够使烟火药具有一定的感度、燃烧速度等特性。目前，粘合剂已经发展成为一门独立的学科，随着高分子化合物的迅速发展，粘合剂的品种日益增多，应用极为广泛，新型高能粘合剂已出现，但烟火制品中的新型粘合剂的应用尚不多。

固体推进剂发展迅速，趋势朝着高能量、低特征信号、环境环保的方向发展。叠氮基聚乙二醇以ATPEG和多官能度炔烃为原料合成，其热度大、密度大，是含氮量非常高的含能材料，该工艺在室温内就能够固化，优点多样。GAP以缩水甘油叠氮聚醚为粘合剂的一种推进剂，其具有非常高的能量，成气量大，安全稳定，是低特征推进剂的理想对象;张九轩[12]等人以NaN3和端羟基聚环氧氯丙烷为原料制备了GAP，这种方法叠氮转化率很高，具有很好的应用前景;BAMO/AMMO（3-叠氮甲基-3-甲基氧杂环丁烷）是绿色粘合剂的较佳选择，它具有优良的能量特性和加工型而备受关注。张勇[13]等综述了3，3-双叠氮甲基氧杂环丁烷（BAMO），3-叠氮甲基-3-甲基氧杂环丁烷（AMMO）共聚物的合成，该共聚物将广泛应用于未来绿色、高能发射药粘合剂中。

固体推进剂含Cl、Al等元素造成大量环境的破坏和污染，经过不懈的努力，终于在无烟、安全、环保方面有了突破。环保型固体推进剂重点在于研究具有含有巨大能量的粘合剂，这些粘合剂无Cl、Al等元素，同研究声光弹无烟化十分相近;这些粘合剂大多含有叠氮键，叠氮键本就是安全、无烟的保证;增加含能粘合剂占配合组分的百分比，可以降低氧化剂的百分比量，可以利用较少的氧化剂发挥更多的作用，有利于减少烟雾产生;在一些推进剂的研究中，有的甚至不用可燃剂，只用氧化剂和粘合剂就能够达到弹药所需要的能量。因此，通过在组分中加入含能粘合剂在理论上可以有效达到声光弹无烟化，同时具有较好的终点效应。

3、结束语

声光弹烟火药的无烟化在非致命武器装备发展中具有特殊的意义，减少声光弹在爆炸过程中产生的烟雾能够加强我军处置突发事件的能力和效果。通过改变声光弹烟火药组成成分使声光弹烟火药无烟化尚处于理论阶段，需要投入大量的实践才能确保其实现。同时，是否存在声光弹无烟化的更优方法手段，仍有待于进一步探索。

参考文献：

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[12]张九轩;曹一林.聚端羟基叠氮缩水甘油醚的合成研究[J].固体火箭技术，1995，18（3）：62-67

[13]张勇，张爱英.含氧杂环丁烷基叠氮粘合剂的可回收固体推进剂研究进展.固体火箭技术，2002，25（3）：31—33

作者简介：魏子博（1993-）男（汉族），籍贯：黑龙江省佳木斯市，学历：本科，单位：武警工程大学，研究方向：军事装备。