賈栓柱，杜仕國(guó)，甄建偉，魯彥玲

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

鋁熱劑因其反應(yīng)產(chǎn)生的高溫及熔融態(tài)金屬而被廣泛應(yīng)用在金屬切割領(lǐng)域[1-10]，在彈藥銷毀領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。采用金屬基可燃膠體高溫灼燒方式就地銷毀未爆彈藥。這種銷毀技術(shù)可實(shí)現(xiàn)射擊訓(xùn)練場(chǎng)不增加額外爆炸當(dāng)量條件下的就地銷毀，具有可操作性強(qiáng)、作業(yè)效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)低、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于手榴彈、槍榴彈、子母彈子彈、單兵火箭彈等殼體較薄、彈體較小、戰(zhàn)斗部殼體為低熔點(diǎn)合金材料的彈種。這些彈種正是訓(xùn)練中應(yīng)用最多、未爆率最高、產(chǎn)生未爆彈藥最多的彈種。容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程隔離操作，對(duì)操作的精準(zhǔn)度要求低等特點(diǎn)，可極大地提高作業(yè)效率，保障人員作業(yè)安全，減輕排爆人員心理負(fù)擔(dān)，有利于部隊(duì)實(shí)彈訓(xùn)練正常開展。

金屬基可燃膠體制備時(shí)，為提高鋁熱劑含量，將鋁熱劑制成圓粒，再用膠體進(jìn)行粘結(jié)，達(dá)到增加鋁熱劑實(shí)際含量從而增加熱能的目的。為保證實(shí)際應(yīng)用中顆粒不松散，具有一定的強(qiáng)度，且保證粘結(jié)劑的質(zhì)量比小，本試驗(yàn)采用干法制粒。干法制粒所用粘結(jié)劑主要為纖維素衍生物等其分子為長(zhǎng)鏈的物質(zhì)，粘結(jié)劑在與高熱劑混合后，在混合物間的空隙中形成許多類似于勾狀的結(jié)構(gòu)，把粘結(jié)劑與高熱劑連接在一起。本試驗(yàn)選取低取代羥丙基纖維素(HPC)、甲基纖維素(MC)、預(yù)膠化淀粉(PS)、聚四氟乙烯粉末(PTFE)四種粘結(jié)劑。探究在高熱劑干法制粒中的表現(xiàn)。

1 材料與儀器

769YP-15A手動(dòng)粉末壓片機(jī)(天津市科器高新技術(shù)公司)，模具(自制)，低取代羥丙基纖維素[HPC，生工生物工程(上海)股份有限公司，批號(hào)：B326BA1924]，甲基纖維素(MC，天津市大茂化學(xué)試劑廠，批號(hào)：20170701)；預(yù)膠化淀粉(PS，天津市大茂化學(xué)試劑廠，批號(hào)：20160801)；聚四氟乙烯粉末(PTFE，天津市大茂化學(xué)試劑廠，批號(hào)：20160801)；煤油(Kerosene，天津市大茂化學(xué)試劑廠，20170901)；無(wú)水乙醇(Ethanol alcohol，天津市大茂化學(xué)試劑廠，批號(hào)：20160107)；鋁粉(Al，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司，批號(hào)：20160622)；三氧化二鐵粉(Fe2O3，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司，批號(hào)：20161201)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

由于金屬基可燃膠體主要利用高熱劑產(chǎn)生的熱能，要求高熱劑含量越多越好。本研究高熱劑制粒所選的粘結(jié)劑質(zhì)量占總質(zhì)量比控制在10%以下，因此，粘結(jié)劑都選定為占藥?？傎|(zhì)量的10%。

將鋁粉、氧化鐵按照1∶3的質(zhì)量比混合均勻，然后分別與低取代羥丙基纖維素、甲基纖維素、預(yù)膠化淀粉、聚四氟乙烯粉末混合，鋁熱劑與粘結(jié)劑質(zhì)量比為9∶1，然后每組每次稱量2 g，用模具在20 MPa壓力下壓制成型成直徑10 mm，高度10 mm左右的藥柱，每組制10個(gè)藥片。

為測(cè)試膠體中乙醇和煤油對(duì)藥柱的影響，將每組的兩個(gè)藥柱分別放在盛有無(wú)水乙醇、煤油的燒杯中，密封處理進(jìn)行相容性測(cè)試。每組兩個(gè)藥柱放在空燒杯中密封處理。在常溫下放置7天。打開燒杯，進(jìn)行觀察測(cè)試。

藥粒在運(yùn)輸與運(yùn)用過(guò)程中，會(huì)因?yàn)楦鱾€(gè)藥粒間、藥粒與容器間的碰撞和擠壓發(fā)生破碎，這不僅會(huì)影響產(chǎn)品性能，甚至?xí)刮幢瑥椝幍匿N毀產(chǎn)生災(zāi)難性后果。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用情況，顆粒主要承受震動(dòng)、摩擦等物理因素。

試驗(yàn)主要測(cè)試兩個(gè)指標(biāo)：硬度和脆碎度。

顆粒硬度由TBH 300MD片劑硬度測(cè)定儀測(cè)定。脆碎度由Tar200脆碎度測(cè)定儀測(cè)定。

為了確保藥粒不在液體中浸泡，將每組兩個(gè)未經(jīng)任何處理的藥粒在常溫干燥環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間存放，存放時(shí)間大約2個(gè)月，然后進(jìn)行觀察測(cè)試。

燃燒速度與壓制密度成正比，而在金屬基可燃膠體銷毀未爆彈藥時(shí)，要求燃燒速度平緩。為進(jìn)一步探究密度對(duì)燃燒速度的影響，要求藥粒在一定的壓制壓力下仍有好的成粒效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 相容性測(cè)試分析

通過(guò)直接觀察可以明顯觀察到煤油浸泡的含甲基纖維素藥粒有明顯的膨脹現(xiàn)象。對(duì)每組藥粒進(jìn)行稱量，并計(jì)算吸收液體增重，如表1所示。增重百分比如圖1所示。

表1 藥粒增重(g)

注：表中數(shù)值為兩粒藥柱增重平均值

圖1 藥粒增重百分比

從圖1可以明顯看出，以甲基纖維素為粘結(jié)劑的藥粒在經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇和煤油浸泡后，都吸收了較多的液體。這說(shuō)明甲基纖維素對(duì)高熱劑粉粒間的聯(lián)接性不好，液體浸泡時(shí)會(huì)因?yàn)槊?xì)原理進(jìn)入藥粒內(nèi)部。在液體的浸濕作用下，藥粒的內(nèi)部應(yīng)力快速釋放，導(dǎo)致藥粒膨脹。而其他三組中的藥粒均未發(fā)生明顯膨脹，證明甲基纖維素在煤油和無(wú)乙醇的液體中做藥粒粘結(jié)劑的性能不佳。

3.2 硬度與脆碎度測(cè)試分析

不同粘結(jié)劑的顆粒硬度如圖2所示。由圖2可以看出，以甲基纖維素和預(yù)膠化淀粉為粘結(jié)劑的藥粒在沒有浸泡時(shí)，均能達(dá)到要求。但是經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇和煤油浸泡后，硬度均明顯下降，而低取代羥丙基纖維素浸泡后強(qiáng)度下降幅度較低，聚四氟乙烯粉末浸泡前后并沒有較大變化，但其硬度均不如低取代羥丙基纖維素。

圖2 藥粒硬度

不同粘結(jié)劑的顆粒脆碎度如圖3所示。由圖3可以看出，甲基纖維素的脆碎度變化最大，低取代羥丙基纖維素脆碎度變化最小。聚四氟乙烯粉末制粒的脆碎度無(wú)論浸泡前后與其他粘結(jié)劑所制藥粒的脆碎度均有較大差距。

圖3 藥粒脆碎度

乙醇在中藥制粒中，對(duì)于具有較強(qiáng)粘結(jié)力的藥物不易制粒時(shí)，常用無(wú)水乙醇作為潤(rùn)濕劑。乙醇濃度越高，粉料被潤(rùn)濕后粘性越小。乙醇具有較大揮發(fā)性。干法制粒粘結(jié)劑間存在應(yīng)力，乙醇揮發(fā)對(duì)應(yīng)力釋放產(chǎn)生較大影響。因此，乙醇對(duì)于制粒性能的影響很大。

以聚四氟乙烯粉末為粘結(jié)劑的藥粒，浸泡前后并沒有太大的差別，但其整體性能較其他粘結(jié)劑沒有優(yōu)勢(shì)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]得知，聚四氟乙烯粉末制粒含量在40%以上并在350 ℃左右加熱才會(huì)硬化，而含量40%以上不符合本實(shí)驗(yàn)的需求。因此羥丙基纖維素在本試驗(yàn)四種粘結(jié)劑中為較理想粘結(jié)劑。

3.3 長(zhǎng)時(shí)間存放結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)2月的存放后發(fā)現(xiàn)，含預(yù)膠化淀粉的粘結(jié)劑出現(xiàn)裂縫，如圖4所示。其他藥粒均未出現(xiàn)裂縫。在制粒過(guò)程中出現(xiàn)裂片的原因有三種：

1) 粘結(jié)劑的粘結(jié)力不足；

2) 顆粒含水較少，干燥導(dǎo)致的裂片；

3) 壓力過(guò)大。

分析認(rèn)為，在實(shí)際過(guò)程中，為了確保燃燒的可持續(xù)與提高燃燒熱，應(yīng)盡量減少水分，但缺失水分導(dǎo)致的裂片也是不允許的。在藥粒剛剛壓制成型后，沒有產(chǎn)生裂片，所以壓力過(guò)大導(dǎo)致裂片情況可排除。而壓制成型后，由于藥粒存在內(nèi)部應(yīng)力較大，如果粘結(jié)劑的粘結(jié)性能達(dá)不到要求，內(nèi)部應(yīng)力慢慢釋放，會(huì)導(dǎo)致藥粒破裂，產(chǎn)生裂片或碎片。

圖4 含預(yù)膠化淀粉的藥粒

3.4 壓制壓力范圍測(cè)試

上述測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，低取代羥丙基纖維素做粘結(jié)劑的藥粒性能最佳。為探究低取代羥丙基纖維素做粘結(jié)劑可壓制藥粒的壓力范圍，選取采用5 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa五種不同的壓力制作藥粒。同樣每組二粒進(jìn)行跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 采用不同壓力制作的藥粒2 m跌落次數(shù)

注：1.表中數(shù)值為兩粒藥柱跌落試驗(yàn)平均值

2. 25次為本跌落試驗(yàn)最大次數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中，采用5 MPa壓力壓制的藥粒在一次摔落后就破碎，說(shuō)明壓力過(guò)小，成粒效果差；采用25 MPa壓力壓制的藥粒壓制后就發(fā)現(xiàn)裂縫，如圖5所示。

又精確選取了6，7，8，9，21，22，23，24 MPa作精準(zhǔn)確定壓力范圍的試驗(yàn)，并每組兩個(gè)藥粒，最終確定最佳壓力為8～22 MPa。

圖5 采用25 MPa壓力壓制的藥粒

4 結(jié)論

通過(guò)與無(wú)水乙醇、煤油相容性測(cè)試、硬度與脆碎度測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)間存放測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低取代羥丙基纖維素做粘結(jié)劑的高熱劑制粒性能比甲基纖維素、預(yù)膠化淀粉、聚四氟乙烯粉末四種粘結(jié)劑都好，最佳壓制壓力范圍在8～22 MPa，可為進(jìn)一步探究壓力與燃速的關(guān)系作參考。