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硝酸胍在瞬时成烟发烟剂中的应用

发布时间:2014年10月4日 来源:http://www.xiaosuangua.com 点击:4393

以往的发烟弹大多在陆地使用,由弹丸分散的发烟剂撒落在地面上,缓慢地燃烧生成大面积遮蔽烟幕。随着军事光电对抗技术的发展,海军舰艇同样需要烟幕遮蔽防护。因而必须研究具有瞬时成烟特性的海上发烟材料。赤磷基发烟剂是目前有条件研制成瞬时成烟、并且便于装填弹丸的发烟材料,但必须根据赤磷的特点,解决其燃烧速度慢和增大燃烧面积的问题,才能实现在水面之上瞬时形成大面积烟幕的要求。本文对此作一研究。

1海面成烟对赤磷发烟剂的要求

海军发烟弹从舰艇上发射到一定距离外的海面上空,弹丸爆开后,将发烟剂抛撒开。这样首先要求弹丸爆开瞬间就必须生成浓密的烟雾,随着发烟剂的散落能够自上而下地拉出一道均匀浓密的烟幕。第二,形成的烟幕必须紧贴海面随风飘移,若烟幕很快离开水面向上升腾,它将失去遮蔽水面舰艇的效能。第三、弹丸炸开时不应该生成蘑菇状烟云,同样也不允许弹丸炸开后,有较多的发烟剂没有燃尽而落入水中。要满足这些要求,就必须使赤磷发烟剂具备燃烧速度快、迅速成烟、燃烧热的释放速率适中、发烟剂能够大面积均匀分散等特点,而这些性能之间一般存在着相互制约的矛盾,只有从赤磷燃烧成烟机理入手,解决关键问题,才会较全面地实现上述要求。

2增加赤磷的燃烧速度和生烟活性

赤磷的燃点为260℃,极易点燃。它若借助空气中的氧缓慢燃烧,生成的磷氧化物,具有很强的吸水性,在空气中很快潮解便形成白色浓密的磷酸液滴,即磷烟,可用简单的化学反应式表达:4P+502一2P2O5,P2O5+3H2O一2H3PO4,H3PO4+n·H2O一H3PO4·nH2O。由于利用的是空气中的氧,反应只能在赤磷表面进行,若再层层往里传播,则表面层不能充分与空气接触的赤磷只能生成磷的三价氧化物P4O6。它是易吸潮的腊状物质,熔点23.SC,它或者继续被氧化生成PZOS,或者就附着在赤磷表面成粘糊状,阻碍了内层的赤磷与空气接触。当赤磷中加入高分子粘接剂后,这种状况更为严重,因此赤磷发烟剂的燃速一般较为缓慢。赤磷中加入高能氧化剂可以大幅度提高其燃烧速度,但此类混合物均具有易燃易爆性,失去作为发烟剂的可能性。美国专利曾提到在赤磷中加入硝酸胍,目的是利用硝酸胍分解出的氨气减少赤磷成烟过程中的毒性。本文深入研究了赤磷与硝酸胍之间发生的反应,发现硝酸胍能够提高赤磷的成烟活性,但又不像其它高能氧化剂那样促使赤磷发生猛烈的化学反应。

硝酸胍是一种颇弱的炸药,缺乏爆轰能力、不易吸潮。单组份硝酸胍的差热分析DTA图谱(图l)显示,在190℃开始出现吸热峰,其峰顶温度为215℃,与硝酸胍的分解温度214~216℃相符合。图2是赤磷与硝酸肛按1:1混合所得的DTA图谱,它同样在190℃出现放热峰,而峰顶温度只有205℃,说明赤磷中加入硝酸弧后使赤磷的燃点从260℃明显地提前到硝酸胍开始分解的温度。显然硝酸胍促进了赤磷的氧化活性。

为了模拟实际情况下硝酸胍对赤磷燃烧性能的影响,在含有少量粘接剂的赤磷中加入不同量的硝酸胍,制做成密度相同的药柱,在相同条件下测量火焰沿药柱表面的传播速度及火焰高度。发现随硝酸胍含量增加,火焰的传播速度加快,如表1所示。表中,m表示硝酸胍含量,h为火焰高度,v为表面火焰传播速度。

由表1见,显然空气中的氧和硝酸胍释放的氧同时与赤磷发生反应时,赤磷表面的火焰传播速度增加。火焰高度说明化学反应进行的完全程度,火焰高度愈小,反应进行的愈彻底。

硝酸胍的加入一方面增加了赤磷的反应速度和成烟活性,另一方面又为长期贮存带来不利影响。解决的办法是在赤磷发烟剂配方中加入少量安定剂。这类物质多为碱性氧化物或碱性盐,它们可以抑制赤磷与硝酸胍在贮存期间酸性的增长。图3是赤磷、硝酸胍、安定剂按1:1:1质量比组成的发烟剂混合物(含少量粘接剂)的热分析DTA图谱。其放热峰的峰顶温度为208℃,比不加安定剂的混合物的峰顶温度向后移了3℃。说明安定剂的加入对赤磷、硝酸肛的反应活性起到较好抑制作用。加入安定剂后对药剂的机械感度有了明显的改善,如表2所示,表中A。为撞击感度,A.为摩擦感度。

3瞬时成烟发烟剂成型工艺


赤磷中加入硝酸胍和其它组份形成的发烟剂配方燃烧速度快、生烟量大,但药剂装入弹丸爆开时能否瞬间点燃、并且大面积均匀抛撤开,这些与药剂的形态及装药结构密切相关。

常规药剂的成型工艺是将混合均匀的药料压制成片状。这种高密度药片装填弹丸爆开时,药片被粉碎成大小不等的药块,试验观察这些药块不能全部点然,大的药块即使被点燃,在它燃尽之前就已落入海水中。因此这种装药成烟量少、成烟面积小且浓度不均匀。

为了解决大幅度增加药剂的瞬间点燃面积,以及在空间大范围内均匀分散的间题,首先将药剂制成体积形状均一的小颗粒,再将小颗粒压制成疏松的药片,药片内具有一定的空隙率。这种药片装填弹丸能保证有较高的装填量,同时弹丸爆开前,点火药的炽热气体可瞬间充满药粒间的空隙。它不仅能点燃药粒又能把粘连在一起的药粒相互分开。这样当弹丸爆开时,由于弹体破碎产生的冲击,就能够把所有药粒均匀分散到空间一定范围内。燃烧着的药粒在空中降落过程中缕缕成烟、落水前药粒燃尽,无数个药粒便组成了均匀的烟幕。

疏松药片的制作经过药料配制、捏合、造粒、滚光、过筛、压制等多种工序完成,比常规工艺复杂。瞬时成烟发烟剂药片与常规发烟剂药片相比,在弹丸装填量相同情况下,前者只需2一35即可全部成烟,而后者持续生烟时间超过2min。因此,瞬时成烟发烟剂配方及其制备工艺满足了海上瞬时成烟技术的需要。当然也可用于陆上需要瞬时成烟的场合。

此外瞬时成烟发烟剂制做的疏松药片,在弹丸爆开时不易形成蘑菇状烟云。因为所有药粒在弹丸爆开时都获得一定的初速,均匀向四周飞散;不像密实药片,在弹丸爆开时部分药剂粉碎过细、急速成烟,使得烟弹扩爆区域内局部热气流迅速升腾,形成蘑菇状烟云。同样,由于瞬时成烟发烟剂的药粒在弹丸爆开时能够大面积均匀分散,药剂燃烧释放出的热量可以很快消散,烟雾区域与环境的温差迅速减小,加之海面上多为逆温条件,所以形成的烟幕可以沿海面长时间飘移、而不会脱离海面。当多发弹丸齐射时,可以在海上形成十分壮观的有效遮蔽烟幕。