降低固體化學氧氣發生器溫度敏感性研究①

周興明，胡 曉，毛勝華，張 毅，向 進，毛 龍

(中國航天科技集團公司四院四十二所，湖北省應急救生與安全防護技術重點實驗室，襄陽 441003)

0 引言

固體化學氧氣發生器(solid chemical oxygen generator)是一種新型化學產氧裝置，原理是含氧氯酸鹽發生化學反應產生氧氣。其產氧藥柱以氯酸鹽為主體，以金屬粉為燃料，并添加少量的催化劑、抑氯劑和粘結劑，混合后經干(濕)壓或澆鑄而成。藥柱燃燒產氧與蠟燭燃燒很相似，因此固體化學氧氣發生器亦稱“氧燭”［1］。固體化學氧氣發生器是一種容易貯存和使用方便的固體氧源，蓄氧量高，類似于液氧的密度，約是同體積壓縮氧的3倍。固體化學氧氣發生器具有體積小、質量輕、壽命長、貯存免維護、使用簡單、供氧迅速等優點，現已廣泛用于航空航天、艦船潛艇、高原缺氧、礦山避險、消防自救、醫療救護等領域［2－9］。

固體化學氧氣發生器的溫度敏感性指初始環境溫度對固體化學氧氣發生器供氧速度的影響［10］。環境溫度影響化學反應，化學反應的這種改變導致燃速的溫度敏感性。固體化學氧氣發生器應用環境存在差異，有高空和地面、冬季和夏季、高原與平原等環境，環境溫度差異較大，對藥柱燃燒速度影響較大，影響固體化學氧氣發生器產品的供氧時間和供氧流量。固體化學氧氣發生器作為一種應急救生氧源，在不同環境溫度的條件下，必須具有相對穩定供氧速度，保證緊急救生所需的供氧時間和供氧流量。這就要求固體化學氧氣發生器具有低的溫度敏感性。國內外較少開展降低固體化學氧氣發生器溫度敏感性的研究，有必要開展降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性研究，提高固體化學氧氣發生器產品的環境適應能力。

1 原理

固體化學氧氣發生器一般由點火機構、殼體、固體化學氧氣發生器藥柱、保溫隔熱層、過濾藥、出氣嘴等組成。固體化學氧氣發生器結構示意見圖1。

圖1 固體化學氧氣發生器示意圖Fig.1 Sketch map of solid chemical oxygen generator structure

固體化學氧氣發生器最常用的產氧物質是氯酸鈉，其分解反應按如下方程式進行:

氯酸鈉的分解產氧反應是放熱化學反應，但其放出的熱量不能維持自身進一步的分解反應，需要添加金屬粉燃料，如鈦粉、鎂粉、鐵粉等，提供熱量，維持連續的產氧化學反應。氯酸鈉在高溫下會發生副反應，產生微量的氯氣和其他雜氣。為了降低分解反應溫度、提高反應速度，通常會向藥柱物料中加入適當的鈷、錳等過渡金屬化合物做催化劑［11］。降低反應溫度雖能抑制部分氯酸鹽分解的副反應發生，但同時還必須加入一定量的抑氯劑和過濾材料，才能確保完全除去副反應所產生的微量氯氣和雜氣［12］。

2 實驗研究

固體化學氧氣發生器藥柱組分包括氯酸鈉、金屬粉、催化劑、抑氯劑、穩定劑等物料，所有材料均為工業級。純凈的氯酸鈉加熱到260℃左右出現熔化，直到460℃左右才開始分解［10］。為了確保未加催化劑的固體化學氧氣發生器在所有試驗條件下均能正常燃燒供氧，本實驗選用低點火能、高熱焓的金屬粉作為能量助劑。

配方設計參見表1，將固體化學氧氣發生器藥柱所需氯酸鈉、金屬粉、催化劑、抑氯劑、穩定劑等物料混合均勻，再加適量的水混合后進行模壓成型、烘干，實驗藥柱直徑38 mm、長度152 mm，裝配成固體化學氧氣發生器，測試固體化學氧氣發生器供氧過程的質量變化，再轉換成供氧流量(L/min)和供氧時間(min)的工作曲線，可觀察出固體化學氧氣發生器燃速和供氧穩定性。本實驗主要探索催化劑、金屬粉和穩定劑對固體化學氧氣發生器溫度敏感性的影響程度。

固體化學氧氣發生器的的初溫改變時，其供氧藥柱燃燒區內的溫度分布和化學反應會隨之相應改變，化學反應的這種改變導致固體化學氧氣發生器的燃速具有溫度敏感性。這里采用固體化學氧氣發生器低溫、高溫燃燒的供氧時間之比k值來表征溫度敏感性。k值越高，表明固體化學氧氣發生器燃燒溫度敏感性越大;k值越低，表明固體化學氧氣發生器溫度敏感性越小。

表1 固體化學氧氣發生器藥柱配方Table 1 Different oxygen candle formula

3 結果與討論

3.1 試驗結果

配方1～3在不同溫度環境條件下的供氧時間和溫度敏感性k值見表2。圖2是配方1～3的在不同環境溫度條件下供氧時間和供氧流量工作曲線。

表2 固體化學氧氣發生器測試結果Table 2 Different oxygen candle test result

3.2 討論

固體化學氧氣發生器是一種利用化學反應產生氧氣的新型供氧裝置。復合固體推進劑依靠燃燒反應產生動力氣體，通常是由無機氧化劑、有機粘合劑、金屬燃料以及其他添加劑組成的一種復雜的非均相混合物［14］。兩者組成相似，工作原理類似。固體化學氧氣發生器的燃燒分解過程類似于復合固體推進劑的凝聚相反應過程。

圖2 配方1～3固體化學氧氣發生器燃燒流量-時間曲線Fig.2 Flow-time curves of formulation No.1 ～ No.3 oxygen candle

Ewing等［15］研究認為推進劑燃速溫度敏感系數隨催化劑含量增加而變大，Cohen Nir E［16］認為在推進劑配方中加入金屬鋁粉以后，由于燃燒時鋁在推進劑燃燒表面的熔化使表面溫度上升，從而導致燃速溫度敏感系數下降。固體化學氧氣發生器只有固相燃燒反應，沒有氣相反應，其固相燃燒反應類似于復合固體推進機的凝聚相反應。兩者固相燃燒相近，燃速溫度敏感研究結果相似。因此，可利用復合固體推進劑降低溫度敏感性的理論，指導降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性的研究工作，固體化學氧氣發生器有關燃速溫度敏感性研制結果也會對推進劑降低溫度敏感性提供借鑒作用。

3.2.1 催化劑對溫度敏感性的影響

配方1固體化學氧氣發生器溫度敏感性高于配方2固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。配方1含有2%的催化劑，配方2不含催化劑。固體化學氧氣發生器產氧實質是氯酸鈉發生分解化學反應，純凈的氯酸鈉加熱到260℃左右出現熔化，直到460℃左右才開始分解，其分解活化能為284.24 kJ/mol。氯酸鈉中加入催化劑，改變了氯酸鈉的分解機理，可降低氯酸鈉的分解反應活化能。加有催化劑的氯酸鈉的分解活化能可降為 119.13 kJ/mol［10］。根據 Arrhenius 公式 k=k0exp(－Ea/RT)，可得出不同溫度條件下的速率常數比值:

催化劑的加入，可有效提高氯酸鈉的分解反應速率。從公式來看，加入催化劑引起活化能的改變值遠大于環境溫度的改變值，催化劑對氯酸鈉化學分解反應速度的影響大于環境溫度對其分解反應速度的影響，可類推催化劑對氯酸鹽藥柱的燃燒影響大于環境溫度變化對其影響。實測配方1的燃速溫度敏感性高于配方2的燃速溫度敏感性，實測結果與理論分析相一致。可見，催化劑的加入，提高了固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。

氯酸鈉的分解溫度在460℃左右，加有催化劑的氯酸鈉的分解溫度可降低到280℃左右，環境溫度從－20℃到60℃，相差80℃，環境高低溫差與純凈的氯酸鈉起始分解溫度和加催化劑的氯酸鈉起始分解溫度的比例分別為17.4%和28.6%。當固體化學氧氣發生器初溫發生改變時，其供氧藥柱燃燒區內的溫度分布和化學反應會隨之相應改變，溫度變化越大，對藥柱燃燒影響越大。環境溫度變化對加催化劑的氯酸鈉分解速度的影響大于純氯酸鹽分解速度影響，導致加有催化劑藥柱的溫度敏感性大于未加催化劑藥柱的溫度敏感性。

3.2.2 金屬燃料對溫度敏感性的影響

為了使配方1和配方2固體化學氧氣發生器的供氧時間相近，配方2比配方1多加2%金屬粉，用金屬粉提高反應溫度替代催化劑的催化效果。配方2沒有催化劑，提高了金屬粉燃料的用量，排除催化劑對固體化學氧氣發生器溫度敏感性的影響。試驗中加入的金屬粉燃料為藥柱的連續穩定燃燒提供足夠的熱量，可通過調整金屬粉含量，使燃料燃燒釋放的熱量和產氧劑分解需要的熱量接近平衡。金屬粉含量越多，藥柱燃燒越快，可利用金屬粉含量變化調節控制固氧產品的供氧速度。由圖3可看出，表1中配方2的固氧在不同溫度下燃燒時的產氧流量和時間相差較小。這主要是配方2減少催化劑用量，提高燃料用量，催化劑越少，環境溫度對其影響越小。從配方2實驗結果可看出，金屬粉可降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。

純凈的氯酸鈉分解溫度和活化能均較高，需要添加更多的金屬粉來提高反應溫度，促使氯酸鈉進行分解反應，并提供更多的熱量維持氯酸鈉藥柱的穩定燃燒。金屬粉含量越高，藥柱的燃燒溫度越高，環境溫度變化對其影響相對減小。同時，金屬粉含量越高，傳熱越快，藥柱的燃溫升高越快。金屬粉含量高的藥柱到達最高反應溫度的時間小于金屬粉含量低的藥柱，從而減少環境溫差對金屬粉含量高的藥柱燃燒影響，導致金屬粉含量高的藥柱具有低的溫度敏感性。這兩方面共同作用，可降低固氧藥柱的溫度敏感性。

3.2.3 穩定劑對溫度敏感性的影響

配方3在配方2的基礎上增加了燃燒穩定劑，實測配方3的燃速溫度敏感性小于配方2燃速溫度敏感性。試驗證明，固體化學氧氣發生器藥柱中加入燃燒穩定劑，有利于降低其溫度敏感性。有無穩定劑的固體化學氧氣發生器燃燒流量-時間曲線見圖3。

圖3 有無穩定劑的固體化學氧氣發生器燃燒流量-時間曲線Fig.3 Flow-time curves of oxygen candle with or without stabilizing agent

固體化學氧氣發生器理想燃燒狀態應像蠟燭一樣逐層燃燒，但實際情況并非如此。固體化學氧氣發生器的燃燒分解是放熱反應，藥柱燃燒前有一熔融階段，熔融物發生分解反應，氧氣從熔融物中逸出。隨反應的進行，不斷累積的熱量導致熔融物溫度越來越高，熔融物的量也越來越多，直接增加了熔融物發生流淌的可能性。如果固體化學氧氣發生器處于直立狀態，自上向下燃燒，氧氣從熔融物中逸出過程會推動熔融物向四周和下方流動，擴大了燃燒面，燃燒逐步加快。藥柱燃面隨之逐步擴大，藥柱燃速和產氧流量不斷增大，縮減藥柱供氧時間，提高了固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。為防止固體化學氧氣發生器熔融物發生流淌，在配方中加入穩定劑。穩定劑是一種具有吸附性能的無機材料，能有效吸附氯酸鹽熔融物，阻止熔融物流淌。穩定劑一方面阻止藥柱燃燒時產生的熔融物的流動，阻止藥柱燃面擴張和燃速逐步上升;另一方面，還可阻止藥柱燃燒時從熔融物中逸出的氧氣推動熔融物流動、形成鼓泡現象，從而阻止藥柱殘渣出現空洞、藥柱燃面經常改變的現象，減少藥柱燃燒波動，實現穩定供氧。由圖3可看出，2種固體化學氧氣發生器開始燃燒時的流量曲線基本一致，隨著時間的推移，無穩定劑的固體化學氧氣發生器產氧流量不斷上升，導致供氧時間縮短，而加有穩定劑的固體化學氧氣發生器產氧流量波動不大。

圖4是配方1～3固體化學氧氣發生器藥柱燃燒殘渣截面圖。

圖4 配方1～3藥柱殘渣截面Fig.4 Residue of No.1 ～ No.3 candle

配方1藥柱燃燒殘渣有細小空洞，配方2藥柱燃燒殘渣有較大空洞，配方3藥柱燃燒殘渣非常密實。沒有穩定劑的氯酸鈉藥柱燃燒時容易產生空洞，金屬粉含量越高，空洞越大，這與文獻［17］報道的結果相一致。配方1含有催化劑，藥柱燃燒溫度低，熔融物流動性稍差。配方2的金屬粉含量高，藥柱燃燒溫度高，藥柱熔融物的溫度較高，流淌性增強，藥柱燃燒產生的氧氣逸出推動熔融物產生流淌，形成空洞，處于藥柱四周的熔融物在氧氣逸出過程中向未燃燒藥柱表面流淌，導致燃面擴大，燃速增加，縮短供氧時間。配方3加有穩定劑，氯酸鹽藥柱燃燒沒有空洞，熔融物流淌受到抑制，燃面擴張受到控制，藥柱燃速得到穩定，相應減小了藥柱的溫度敏感性。配方1～3的試驗結果和藥柱燃燒后的截面圖證實了藥柱燃燒存在熔融層和熔融層流動現象，與藥柱燃燒過程的分析結果相一致。從表2試驗結果可看出，加有穩定劑的固體化學氧氣發生器溫度敏感性得到進一步降低，溫度敏感系數k只有1.24，達到國外同期同類產品的技術水平。同時，加有燃燒穩定劑的藥柱的供氧穩定性得到了進一步提高。

對于要同時滿足供氧時間、供氧流量的供氧產品，通常采用加粗藥柱直徑提高低溫供氧流量、加長藥柱尺寸延長高溫供氧時間的問題過度冗余設計，必定會增加固體化學氧氣發生器的質量和尺寸，不符合固體化學氧氣發生器應具有體積小、質量輕、使用攜帶方便的使用原則。因此，決定采用以調節金屬粉含量為主、添加穩定劑、不加催化劑的方法，降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。據此研制的配方3固體化學氧氣發生器產品在－20～60℃范圍工作性能良好，高低溫供氧溫度敏感性優于文獻［13］報道的結果。

4 結論

(1)氯酸鈉分解催化劑會提高固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。

(2)利用金屬粉作為主要燃速調節方式，可降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性。

(3)藥柱中加入穩定劑，有利于降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性和提高供氧穩定性。

(4)采用無催化劑的配方、適當提高燃料含量、添加穩定劑的措施，可大幅度有效降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性，可研制出較寬溫度范圍內能滿足供氧指標要求的固體化學氧氣發生器產品。

(5)可利用復合固體推進劑降低溫度敏感性的理論，指導降低固體化學氧氣發生器的溫度敏感性的研究工作，固體化學氧氣發生器的溫度敏感性研究也會對推進劑降低溫度敏感性提供借鑒作用。

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