煙火藥劑用鋁粉鈍化實驗及性能研究

王 輝

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

煙火藥是一種特殊的含能材料。為了達到所要求的性能，煙火藥中經常加入鋁粉等金屬粉。鋁粉的粒度、形狀和粘合劑的含量對煙火藥劑的感度有重大影響。本文通過研究超細鋁粉的鈍化方法和工藝流程的設計、鈍化劑硬脂酸的選擇以及對其鈍化后的性能(抗氧化性)進行測試，結合加入鈍化鋁粉后發光信號劑的實驗數據，得出硬脂酸合適比例達到鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

1 制備鈍化鋁粉實驗

1.1 試驗方法

采用固相包覆方法中的濕混法，即用硬脂酸將鋁粉進行有機包覆。根據鈍化效果的要求，由經驗、理論計算和實驗調整得出鈍化效果，最后對鈍化的效果進行測試。

1.2 實驗原理

本次實驗是通過異相成核來實現的，鋁粉作為結晶中心，硬脂酸作為客體吸附在鋁粉的表面。借助某些固相基質表面促進晶核形成稱為異相成核，異相成核是分子鏈依附于殘留在熔體中的各種雜質粗糙表面上的有序排列，在雜質與熔體分子間產生某些化學結合力(如氫鍵)的情況下所生成的有序排列就更為快速穩定，它們在較高的溫度下即能成核結晶。

硬脂酸是一種廣泛應用于炸藥與煙火藥中的鈍感劑，其熔點為69～70℃。將其加入裝有100 mL蒸餾水的廣口瓶中進行水浴加熱，將水浴溫度設定為75℃，當達到設定溫度后，硬脂酸將溶解，然后將鋁粉倒入廣口瓶中攪拌，將水浴溫度設定為25℃，持續攪拌，當溫度降到69℃以下后，硬脂酸將凝固。通過異相成核，硬脂酸凝固時將選擇鋁粉表面進行粘附，當溫度達到常溫時便得到鈍化了的鋁粉。

得率的計算公式為:

1.3 工藝流程

用硬脂酸鈍化鋁粉的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 濕混法硬脂酸包覆鋁粉的工藝流程Fig.1 Technical flow of using stearic acid to coat aluminum powder by wet mixing

1.4 實驗結果與討論

1.4.1 實驗現象

1)硬脂酸剛開始不溶于水并浮在水面上。

2)水浴溫度達到75℃時攪拌30 min后，廣口瓶中溶液變為白色混濁溶液。

3)鋁粉加入到廣口瓶后得到灰色混濁溶液，廣口瓶內壁粘有一些鋁粉。

1.4.2 實驗結果

鈍化鋁粉質量與得率數據如表1所示。

由于硬脂酸的熔點是69.6℃，當水浴溫度達到75℃時硬脂酸處于熔融狀態，繼續攪拌30 min后硬脂酸才完全溶解，得到白色混濁溶液。

2 抗氧化性實驗

2.1 實驗原理

鋁粉是一種極易氧化的金屬粉，特別是在南方和海上自然環境下，濕度比較大，溫度比較高，如果不經過鈍化處理則極易氧化。本實驗將模擬高溫高濕的自然環境，通過比較鈍化前后鋁粉的質量變化，來檢測用硬脂酸鈍化鋁粉的效果。

將定量試樣置于規定的溫度和濕度下，當試樣中養分達到平衡時測試試樣質量變化，計算出試樣的氧化性。試樣氧化性計算公式如下:

在配制飽和溶液時，在溶液中應該有多余的固體鹽，以確保其飽和度。當使用飽和鹽溶液時，凡能產生對試樣有害的腐蝕性氣體的鹽類不應使用。硝酸鉀飽和溶液的相對濕度如表2所示。

2.2 實驗過程

1)將恒溫烘箱溫度設定為50℃±2℃。

2)稱量瓶在裝有濕度控制劑溶液的干燥器Ⅰ內恒量后，蓋上蓋子再置于內裝有指示性干燥劑的干燥器Ⅱ內放置30 min后稱量，用分析天平稱量得 ① 號瓶重18.9746 g(不含蓋子)，② 號瓶重19.2789 g(不含蓋子)，蓋上蓋子妥善放置以備用。

3)用分析天平從試樣中稱取1 g鋁粉，將稱量好的鋁粉倒入稱量瓶中，標好標簽，打開蓋子后放在培養皿上，然后將培養皿放入烘箱中烘10 h。

4)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入內裝指示劑的干燥器Ⅱ中，放置30 min后，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數據。

5)將稱量瓶放在托盤上，打開蓋子，然后放入恒溫烘箱中烘1 h。

6)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數據。如此循環，直至連續2次的稱量差不大于0.000 3 g為止。

7)將裝有試樣的稱量瓶置于恒溫烘箱中的內盛濕度控制劑溶液的干燥器Ⅰ中，打開稱量瓶蓋子，蓋好干燥器Ⅰ的蓋子，恒溫放置24 h。

8)取出稱量瓶，蓋好蓋子，將稱量瓶放入內裝指示劑的干燥器Ⅱ中，放置30 min后，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數據。

9)將稱量瓶放在托盤上，打開蓋子，然后放入恒溫烘箱中再烘1 h。

10)將烘箱中的稱量瓶取出，蓋好蓋子，將稱量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下稱量瓶蓋子，稱取稱量瓶的重量，記錄數據。如此循環，直至連續2次的稱量差不大于0.0003 g為止。

2.3 實驗結果

1)經過了鈍化處理的鋁粉氧化前后沒有明顯變化，未經過鈍化處理的鋁粉氧化后表面有發黑現象。

2)不同組分的鈍化鋁粉質量及其氧化性數據如表3所示。

鋁粉在保證煙火藥的某些性能時起到相當重要的作用。由于鋁粉在自然條件下防潮性差和極易氧化，

所以未經過鈍化處理的鋁粉氧化后表面有一層黑色的薄層。

由實驗數據可以得出硬脂酸含量與鋁粉氧化性曲線如圖2所示。

圖2 硬脂酸含量與鋁粉氧化性關系圖Fig.2 Oxidability of aluminum powder as a function of the content of stearic acid

由圖2可清晰地看到，隨著硬脂酸含量的增加，鋁粉的氧化性變得更小，鈍化效果將更好。其原因是鈍化處理的鋁粉表面有一層硬脂酸薄膜，大大降低了鋁粉與空氣中水蒸氣和氧氣的接觸機會，所以其鈍化前后的質量變化很小。由于不同硬脂酸含量的鈍化鋁粉與空氣接觸的機會不同，其含量越高，鋁粉與空氣接觸的機會就越少，所以氧化的更少，氧化性越低。由圖2可還可以看出，硬脂酸含量在0% ～4%之間的曲線很陡峭，鋁粉氧化性變化很大，硬脂酸含量在4% ～8%之間的曲線很平滑，鋁粉的氧化性變化不是很大，而在實際生產中，8%的硬脂酸含量的鈍化鋁粉生產成本要比5%的硬脂酸含量的鈍化鋁粉生產成本要多得多。

各鋁粉加入到發光信號劑中所得的光照強度數據如表4所示。

硬脂酸含量與發光信號劑發光強度關系如圖3所示。

由圖3可知，硬脂酸含量在0% ～4%之間的曲線相對于4%～8%的曲線要平緩一點。由此可見，過量的硬脂酸含量會嚴重影響發光信號劑的發光強度。而且藥劑中鋁粉被硬脂酸包覆后，引燃藥劑中鋁粉，必須先把鋁粉外的硬脂酸融化，融化硬脂酸需消耗點火藥的一部分熱量，因此點火難度增大。硬脂酸含量越多，點火難度越大。

圖3 硬脂酸含量與發光型號劑發光強度關系曲線圖Fig.3 Luminance intensity as a function of the content of stearic acid

3 結語

本文通過對煙火藥劑使用鋁粉的實際過程中存在的氧化問題，研究了超細鋁粉的鈍化方法和工藝流程的設計、鈍化劑硬脂酸的選擇以及對其鈍化后的性能(抗氧化性)進行了測試，結合加入鈍化鋁粉后發光信號劑的實驗數據，得出硬脂酸合適比例達到鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

1)以硬脂酸為鈍化劑，采用固相物理包覆法，成功實現了鋁粉的鈍化。

2)性能測試結果表明，隨著硬脂酸含量的增加，鈍化鋁粉的抗氧化性呈增強的趨勢。

3)5%的硬脂酸含量能達到較好的鈍化效果和較低的生產成本，結合在發光信號劑性能應用情況，鋁粉鈍化處理中硬脂酸的含量為5%時達到最理想的包覆效果，過多硬脂酸的使用并不能達到更好地包覆效果。

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