无土木黑火药配方优化研究.docx

无土木黑火药配方优化研究 1 热点属性的重现性 普通黑火药是硝酸钾、木炭和硫酸的混合物。其中，木炭由高品质的天然木材在高温下干燥和精制而成。木炭的性能随着木材产地、品种、炭化条件的变化而变化,在工业生产中经常发生不同批次、不同原料制成的黑火药输出特性波动较大的现象。高新武器装备如航天发动机点火升空、精密弹药的延期点火、火箭子母弹的定点抛射等等都要求点、传火元器件具有高可靠性、在规定的作用时间范围内保证动作的完成,要求点火药的输出参数具有高度的重现性。黑火药目前被广泛应用作火工产品的点火药,国外非常注重黑火药的改性研究,并已取得一些研究成果。本研究用酚酞和氢氧化钾的混合物取代木炭,论述了无木炭黑火药的配方设计及制备技术,将这种新型点火药与普通黑火药的感度、热分解性能及输出特性进行了对比。 2 试验部分 2.1 化学试剂的配制 硫磺: 一级品,GB2449-81; 硝酸钾: 二级品,GB1918-86; 酚酞: 化学纯,上海化学试剂公司; 氢氧化钾: 化学纯,北京化学试剂公司。 2.2 木马黑火药制造工艺的优化 无木炭黑火药的制造工艺流程如图1所示。在无木炭黑火药的制造工艺流程中,酚酞与氢氧化钾的反应产物与硝酸钾/硫磺体系的混合是关键工序,压药之后的工序沿用普通黑火药加工工艺。 2.3 热法燃烧分析 为增强对比效果,制造无木炭黑火药所用的硫磺、硝酸钾与普通黑火药相同,本对比实验中两种点火药的粒径范围均控制在0.30~0.85 mm之间。药剂感度、爆发点的测试均遵照国军标中有关规定执行。 热分析: 采用日本SHIMADZU公司产的 DTG-60H型热分析仪,铂坩锅,氮气气氛,流量为30 mL·min-1,升温范围为室温~600 ℃,升温速率为10 ℃·min-1,粉末样品,样品质量为(5±0.1) mg。 燃烧速度: 将(0.45±0.05) g样品压入内径为7.0 mm的钢管内,压药密度为1.8 g·cm-3,测量药柱燃尽所需的时间。 p-t曲线测试: 将(1.0±0.1)g样品放入100 cm3的密闭爆发器中,用电阻丝点燃样品,通过传感器及p-t曲线测试仪记录样品燃烧过程的输出特性曲线。 抛射高度: 将(5.0±0.1)g样品装入抛射弹,弹丸重30 g,垂直地面发射100发,测量弹丸飞行高度。 3 结果与讨论 3.1 无木马黑火药临床研究 理论上分析,木炭的替代物应具有与木炭相似的结构或性能。木炭的主要成分是多苯环类化合物(化学简式为: C12H4O2,活性碳含量: 74%~76%),酚酞属稠环类化合物(结构式: C20H14O4,碳含量: 75.5%),二者具有相似的活性碳含量。由于酚酞中含有羟基,用其制得的点火药火焰感度与普通黑火药相差甚远,且长贮性能不稳定,因此在酚酞与硫磺、硝酸钾预混之前在酚酞中先加入少量氢氧化钾得到酚酞钾盐,实验结果证实酚酞钾盐与木炭有着相似的燃烧性能,可以替代木炭作为点火药中的可燃剂。 本文基于最小自由能原理对酚酞、氢氧化钾的理论加入量进行了计算。比照普通黑火药的成份比例,在无木炭黑火药配方设计时,将硝酸钾∶硫磺∶酚酞钾盐=75∶10∶15(质量比)作为初始值代入程序进行计算,以输出特性参数为目标函数,通过多次迭代,最终得到无木炭黑火药的理论配比为: 硝酸钾: 74%~75%; 硫磺: 9%~10%; 酚酞: 16%~17%; 氢氧化钾(外加): 2.0%~2.8%。据此选取若干配方,测试不同组分点火药的火焰感度及输出特性,结果列于表1。从表1中可以看出,成份配比变化时,点火药火焰感度、输出压力及压力成长时间变化不大,其中7#、8#药剂的性能测试数据与普通黑火药测试结果最为接近。因此在以下对比实验中选用8#配方,即: 硝酸钾74.8%、硫磺9.0%、酚酞16.2%、氢氧化钾(外加)1.9%。 3.2 测试结果测试 参照国军标的有关试验方法,对普通黑火药和8#配方火药的机械感度、静电火花感度及爆发点进行了测试,结果见表2。 从表2可见,无木炭黑火药的火焰感度、爆发点接近普通黑火药,而摩擦感度、撞击感度和静电火花感度都明显低于普通黑火药,总体评价无木炭黑火药较为钝感,在保证其正常触发的前提下,将酚酞钾盐代替木炭之后,能有效提高点火药在装配、运输、制造中的安全性。 3.3 无木马黑火药热分析 图2是黑火药与无木炭黑火药的TG-DTG曲线。 由图2(a)可见,在匀速温升过程中,黑火药主要有三个放热过程,分解反应的峰温度分别为216.67,321.10,395.87 ℃,且峰温面积依次增大,说明放热量逐渐增大。参照文献,笔者认为: 216.67 ℃附近较小的热分解是木炭中低熔点成分气化造成的; 321.10 ℃附近的反应是木炭气化后的活性基团与硝酸钾、硫磺进行的预反应,从DTG曲线可以看出这个反应发生较快,峰