硝酸胍在瞬時成煙發煙劑中的應用

以往的發煙彈大多在陸地使用,由彈丸分散的發煙劑撒落在地面上,緩慢地燃燒生成大面積遮蔽煙幕✘▩₪。隨著軍事光電對抗技術的發展,海軍艦艇同樣需要煙幕遮蔽防護✘▩₪。因而必須研究具有瞬時成煙特性的海上發煙材料✘▩₪。赤磷基發煙劑是目前有條件研製成瞬時成煙▩•、並且便於裝填彈丸的發煙材料,但必須根據赤磷的特點,解決其燃燒速度慢和增大燃燒面積的問題,才能實現在水面之上瞬時形成大面積煙幕的要求✘▩₪。本文對此作一研究✘▩₪。

1海面成煙對赤磷發煙劑的要求

海軍發煙彈從艦艇上發射到一定距離外的海面上空,彈丸爆開後,將發煙劑拋撒開✘▩₪。這樣首先要求彈丸爆開瞬間就必須生成濃密的煙霧,隨著發煙劑的散落能夠自上而下地拉出一道均勻濃密的煙幕✘▩₪。第二,形成的煙幕必須緊貼海面隨風飄移,若煙幕很快離開水面向上升騰,它將失去遮蔽水面艦艇的效能✘▩₪。第三▩•、彈丸炸開時不應該生成蘑菇狀煙雲,同樣也不允許彈丸炸開後,有較多的發煙劑沒有燃盡而落入水中✘▩₪。要滿足這些要求,就必須使赤磷發煙劑具備燃燒速度快▩•、迅速成煙▩•、燃燒熱的釋放速率適中▩•、發煙劑能夠大面積均勻分散等特點,而這些效能之間一般存在著相互制約的矛盾,只有從赤磷燃燒成煙機理入手,解決關鍵問題,才會較全面地實現上述要求✘▩₪。

2增加赤磷的燃燒速度和生煙活性

赤磷的燃點為260℃,極易點燃✘▩₪。它若藉助空氣中的氧緩慢燃燒,生成的磷氧化物,具有很強的吸水性,在空氣中很快潮解便形成白色濃密的磷酸液滴,即磷煙,可用簡單的化學反應式表達:4P+50₂一2P₂O₅☁✘│✘，P₂O₅+3H₂O一2H₃PO₄☁✘│✘，H₃PO₄+n·H₂O一H₃PO₄·nH₂O✘▩₪。由於利用的是空氣中的氧,反應只能在赤磷表面進行,若再層層往裡傳播,則表面層不能充分與空氣接觸的赤磷只能生成磷的三價氧化物P₄O₆✘▩₪。它是易吸潮的臘狀物質,熔點23.SC,它或者繼續被氧化生成PZOS,或者就附著在赤磷表面成粘糊狀,阻礙了內層的赤磷與空氣接觸✘▩₪。當赤磷中加入高分子粘接劑後,這種狀況更為嚴重,因此赤磷發煙劑的燃速一般較為緩慢✘▩₪。赤磷中加入高能氧化劑可以大幅度提高其燃燒速度,但此類混合物均具有易燃易爆性,失去作為發煙劑的可能性✘▩₪。美國專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氣減少赤磷成煙過程中的毒性✘▩₪。本文深入研究了赤磷與硝酸胍之間發生的反應,發現硝酸胍能夠提高赤磷的成煙活性,但又不像其它高能氧化劑那樣促使赤磷發生猛烈的化學反應✘▩₪。

硝酸胍是一種頗弱的炸藥,缺乏爆轟能力▩•、不易吸潮✘▩₪。單組份硝酸胍的差熱分析DTA圖譜(圖l)顯示,在190℃開始出現吸熱峰,其峰頂溫度為215℃,與硝酸胍的分解溫度214~216℃相符合✘▩₪。圖2是赤磷與硝酸肛按1:1混合所得的DTA圖譜,它同樣在190℃出現放熱峰,而峰頂溫度只有205℃☁✘│✘，說明赤磷中加入硝酸弧後使赤磷的燃點從260℃明顯地提前到硝酸胍開始分解的溫度✘▩₪。顯然硝酸胍促進了赤磷的氧化活性✘▩₪。

為了模擬實際情況下硝酸胍對赤磷燃燒效能的影響,在含有少量粘接劑的赤磷中加入不同量的硝酸胍,製做成密度相同的藥柱,在相同條件下測量火焰沿藥柱表面的傳播速度及火焰高度✘▩₪。發現隨硝酸胍含量增加,火焰的傳播速度加快,如表1所示✘▩₪。表中,m表示硝酸胍含量,h為火焰高度,v為表面火焰傳播速度✘▩₪。

由表1見,顯然空氣中的氧和硝酸胍釋放的氧同時與赤磷發生反應時,赤磷表面的火焰傳播速度增加✘▩₪。火焰高度說明化學反應進行的完全程度,火焰高度愈小,反應進行的愈徹底✘▩₪。

硝酸胍的加入一方面增加了赤磷的反應速度和成煙活性,另一方面又為長期貯存帶來不利影響✘▩₪。解決的辦法是在赤磷發煙劑配方中加入少量安定劑✘▩₪。這類物質多為鹼性氧化物或鹼性鹽,它們可以抑制赤磷與硝酸胍在貯存期間酸性的增長✘▩₪。圖3是赤磷▩•、硝酸胍▩•、安定劑按1:1:1質量比組成的發煙劑混合物(含少量粘接劑)的熱分析DTA圖譜✘▩₪。其放熱峰的峰頂溫度為208℃,比不加安定劑的混合物的峰頂溫度向後移了3℃✘▩₪。說明安定劑的加入對赤磷▩•、硝酸肛的反應活性起到較好抑制作用✘▩₪。加入安定劑後對藥劑的機械感度有了明顯的改善,如表2所示,表中A✘▩₪。為撞擊感度,A.為摩擦感度✘▩₪。

3瞬時成煙發煙劑成型工藝


赤磷中加入硝酸胍和其它組份形成的發煙劑配方燃燒速度快▩•、生煙量大,但藥劑裝入彈丸爆開時能否瞬間點燃▩•、並且大面積均勻拋撤開,這些與藥劑的形態及裝藥結構密切相關✘▩₪。

常規藥劑的成型工藝是將混合均勻的藥料壓制成片狀✘▩₪。這種高密度藥片裝填彈丸爆開時,藥片被粉碎成大小不等的藥塊,試驗觀察這些藥塊不能全部點然,大的藥塊即使被點燃,在它燃盡之前就已落入海水中✘▩₪。因此這種裝藥成煙量少▩•、成煙面積小且濃度不均勻✘▩₪。

為了解決大幅度增加藥劑的瞬間點燃面積,以及在空間大範圍內均勻分散的間題,首先將藥劑製成體積形狀均一的小顆粒,再將小顆粒壓制成疏鬆的藥片,藥片內具有一定的空隙率✘▩₪。這種藥片裝填彈丸能保證有較高的裝填量,同時彈丸爆開前,點火藥的熾熱氣體可瞬間充滿藥粒間的空隙✘▩₪。它不僅能點燃藥粒又能把粘連在一起的藥粒相互分開✘▩₪。這樣當彈丸爆開時,由於彈體破碎產生的衝擊,就能夠把所有藥粒均勻分散到空間一定範圍內✘▩₪。燃燒著的藥粒在空中降落過程中縷縷成煙▩•、落水前藥粒燃盡,無數個藥粒便組成了均勻的煙幕✘▩₪。

疏鬆藥片的製作經過藥料配製▩•、捏合▩•、造粒▩•、滾光▩•、過篩▩•、壓制等多種工序完成,比常規工藝複雜✘▩₪。瞬時成煙發煙劑藥片與常規發煙劑藥片相比,在彈丸裝填量相同情況下,前者只需2一35即可全部成煙,而後者持續生煙時間超過2min✘▩₪。因此,瞬時成煙發煙劑配方及其製備工藝滿足了海上瞬時成煙技術的需要✘▩₪。當然也可用於陸上需要瞬時成煙的場合✘▩₪。

此外瞬時成煙發煙劑製做的疏鬆藥片,在彈丸爆開時不易形成蘑菇狀煙雲✘▩₪。因為所有藥粒在彈丸爆開時都獲得一定的初速,均勻向四周飛散;不像密實藥片,在彈丸爆開時部分藥劑粉碎過細▩•、急速成煙,使得煙彈擴爆區域內區域性熱氣流迅速升騰,形成蘑菇狀煙雲✘▩₪。同樣,由於瞬時成煙發煙劑的藥粒在彈丸爆開時能夠大面積均勻分散,藥劑燃燒釋放出的熱量可以很快消散,煙霧區域與環境的溫差迅速減小,加之海面上多為逆溫條件,所以形成的煙幕可以沿海面長時間飄移▩•、而不會脫離海面✘▩₪。當多發彈丸齊射時,可以在海上形成十分壯觀的有效遮蔽煙幕✘▩₪。