顯微方法在發射藥燃燒殘渣溶解性研究中的應用

張開閂，吳斌，余旭華，鄒志強

(陸軍軍官學院 四系，安徽 合肥230031)

0 引言

槍炮等身管武器射擊后，內膛會留有附著力極強的殘渣，其組成主要是發射藥燃燒殘渣和掛銅(或掛塑)，會在一定程度上影響武器的戰術技術性能，甚至導致膛炸等事故，有必要對其進行擦拭。研究表明，身管內壁附著性殘渣的主要成分是未完全燃燒的有機中間產物或殘藥、彈帶(或閉氣環)的殘留物及燃燒過程中無法完全氣化的降蝕劑、安定劑、消焰劑、原材料中混雜的無機鹽雜質等［1］。目前，常用炮刷機械摩擦與擦拭劑相配合的方式進行身管擦拭［2］，擦拭劑的組成直接決定了身管擦拭的效果。北約國家均使用美國的CLP-ME 系列擦拭劑，其成分未見報道。部隊常用方法是用大量汽油、肥皂水或堿性液等反復清洗擦拭，擦干后再涂防護油或潤滑脂。這種方法不僅除殘渣效果較差，且對內膛有腐蝕，費時費力［3］。

目前，對殘渣溶解性的研究往往局限于擦拭效果，對溶解過程中溶劑體系的滲透性、潤濕性和分散性并無實時觀察手段。本文以步槍發射藥常溫常壓下燃燒殘渣為研究對象，采用顯微手段觀察溶解過程，通過比較其在不同溶劑中的溶解能力，為研制新型槍炮內膛擦拭劑開展了探索。

1 實驗

1.1 原料和試劑

95 式5.8 mm 自動步槍發射藥，制式。

原料:松油醇、煤油、45#變壓器油，合肥學樂試劑儀器有限公司產，工業級。

試劑:二甲基亞砜(DMSO)、乙二醇乙醚、三乙醇胺、乙酸異戊酯、脂肪醇聚氧乙烯醚(仲醇AEO-9)、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(OP-10)，上海國藥集團化學試劑有限公司產，分析純。

1.2 實驗儀器和方法

顯微測試:采用湖北潛江市教學儀器廠5 000 倍數碼顯微鏡，使用電子目鏡、可調電光源。

燃燒實驗方法:參考GJB 2378—1995 武器清潔潤滑防護三用油規范規定的方法。常溫、常壓下，將5 g±0.5 g 彈頭火藥粉置于直徑10 cm 瓷蒸發皿中點燃，燃燒后冷卻，吹去表面非附著性殘渣后，刮取粉末狀殘渣。

溶解率測定:將粉末狀殘渣于設定溫度下用擦拭劑浸泡后，置于載玻片上觀察。使用ImageJ 軟件1.46 版，對顯微圖像進行黑白二值化色彩分析后，統計黑色區域面積減小率作為溶解率。

正交實驗:為了選定正交實驗各溶劑質量分數的取值范圍，先考察發射藥燃燒殘渣在不同溶劑中的溶解率，隨后按照L16(45)正交表進行實驗。指標項目為發射藥燃燒殘渣溶解率。

2 結果與討論

2.1 發射藥燃燒殘渣在不同溶劑中的溶解過程

20 ℃時，發射藥燃燒殘渣溶解于DMSO 的完整過程如圖1所示。對圖1各相應圖像使用ImageJ 軟件進行色彩分析，并計算溶解率，結果如圖2所示。

由圖1(a)可知，發射藥燃燒殘渣中存在大量溶于DMSO 的半透明物質，推測其成分為有機物。隨著可溶性有機物的不斷溶解和分散到溶劑中，不溶于DMSO 的無機物逐步顯現。24 h 后，半透明區域完全消失，僅余下黑色殘留物如圖1(d)所示，不溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、濃硫酸、甲酸、丙酮等溶劑，結合相關文獻對發射藥燃燒殘渣的紅外光譜及電子能譜分析［4-5］，推測其為發射藥不完全燃燒形成的積碳。

圖1 發射藥燃燒殘渣在DMSO 中的溶解過程(電子目鏡圖像，放大100 倍)Fig.1 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(electronic eyepiece image，×100)

通過分析發射藥燃燒殘渣在DMSO 中的微觀溶解過程，可知隨著可溶性殘渣的不斷溶解，夾雜在其內部的無機物也逐步得以去除。為了更好地分散掛銅、積碳等無機物，發射藥燃燒殘渣擦拭劑必須考慮加入清凈分散劑和除積碳性能良好的組分。

2.2 發射藥燃燒殘渣的溶解性

20 ℃條件下，考察發射藥燃燒殘渣在不同溶劑中的溶解率，結果如圖3所示。

圖2 發射藥燃燒殘渣在DMSO 中的溶解過程(使用ImageJ 軟件分析，放大100 倍)Fig.2 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(analysis via software ImageJ，×100)

由圖3可知，極性較強的溶劑對發射藥燃燒殘渣溶解性也較好。根據高分子溶解的一般規律，由于發射藥燃燒殘渣為非晶態，其與溶劑的相互作用主要取決于二者的極性和溶解度參數相近程度。考慮到槍藥的主要成分為極性較強的硝化纖維，據此可判斷殘渣中含有較多發射藥殘留。對溶解過程的顯微觀察表明，極性溶劑對殘渣的滲透能力較高。因此極性溶劑對其有較好的溶解能力，在優化擦拭劑配方的研究中應當保證有足夠的極性溶劑比例。

圖3 不同溶劑對發射藥燃燒殘渣的溶解率(放大100 倍)Fig.3 Dissolution ratioes of residue in different solvents (×100)

2.3 發射藥燃燒殘渣的溶劑組成優化設計

采用45#變壓器油為基礎油，以發射藥燃燒殘渣的溶解率為標準優化擦拭劑配方，10 ℃下充分浸泡2 h. 正交實驗結果如表1所示。

表1 正交實驗方案及發射藥燃燒殘渣溶解率測定結果Tab.1 Factors in the table and the dissolution ratio of residue

極差分析可見，乙二醇乙醚對火藥燃燒殘渣的影響最大，這可能是由于其極性較高、滲透能力較強［6］(偶極距6.94)。DMSO 的極性雖強(偶極距13.34)，但是極差卻最小，可能與其在低溫下的滲透力較低有關。三乙醇胺可起到乳化劑和螯合劑作用，AEO-9 主要起到潤濕作用，同時這兩種溶劑在溶解過程均會形成氫鍵，有利于殘渣的溶解和分散。顯微觀察表明，由于溶劑中含有質量百分比為4%的清凈分散劑(AEO-9)，溶劑向殘渣深層滲透速率加快0.5 ～1.0 倍，這應當與不溶組分順利從已潤濕的殘渣表面移除有關。

2.4 發射藥燃燒殘渣的擦拭效果

采用表1正交實驗中實驗13 的溶劑配方，10 ℃條件下，對不銹鋼片上的發射藥燃燒殘渣浸泡5 min，用玻璃棒纏繞擦鏡布進行擦拭，用力不大于1 N，擦拭前后對比效果如圖4所示。

圖4 鋼片表面擦拭效果比較Fig.4 Cleaning result of steel surface

稱量擦拭前后樣品，可知清除了99.6% 的殘渣，多次重復實驗均在99%以上，優于美軍武器裝備清潔、潤滑、防護劑標準MIL-PRF-63460E(2006)規定的80%清除率。通過顯微觀察，發現該溶劑能迅速滲透并潤濕殘渣。

3 結論

1)發射藥燃燒殘渣由大量有機物和少量無機物共同組成，難溶的積碳等物質會隨著有機物的不斷溶解易于去除。

2)發射藥燃燒殘渣易溶于極性較強的溶劑，在設計溶劑配方過程中還要綜合考慮各助劑的滲透、潤濕和分散作用。

3)顯微方法能全面、直觀地研究溶劑對發射藥燃燒殘渣的滲透性、潤濕性和分散性。

此外，本文所述槍藥燃燒殘渣為常溫、常壓下獲得，與高溫、高壓下獲得的殘渣在組成、結構上均有較大差異，在相關研究中應予考慮。

References)

［1］任務正，王澤山，楊紅梅，等. 火炸藥理論與實踐［M］. 北京:中國北方工業總公司，2001:928 -929.REN Wu-zheng，WANG Ze-shan，YANG Hong-mei，et al. Theory and practice of explosive［M］. Beijing:China North Industries Corporation，2001:928 -929. (in Chinese)

［2］田慶濤，吳斌.火炮身管內膛擦拭及影響［J］. 四川兵工學報，2010(5):39 -42.TIAN Qing-tao，WU Bin. Cleaning of gun barrel and its influence［J］. Journal of Sichuan Ordnance，2010(5):39 -42. (in Chinese)

［3］譚勝，付洪瑞，王士釗，等. QF 炮膛擦拭劑的研制［J］. 軍械工程學院學報，2007，19(1):45 -46，54.TAN Sheng，FU Hong-rui，WANG Shi-zhao，et al. Development of QF cleaner［J］. Journal of Ordnance Engineering College，2007，19(1):45 -46，54. (in Chinese)

［4］喬麗潔，劉志濤，王澤山. 炮用模塊裝藥燃燒殘渣分析［J］. 火炸藥學報，2010，33(6):80 -82.QIAO Li-jie，LIU Zhi-tao，WANG Ze-shan. Analytical study on combustion residue of modular charges［J］. Chinese Journal of Explosives ＆ Propellants，2010，33(6):80 -82. (in Chinese)

［5］Steffen S，Otto M，Niewoehner L，et al. Chemometric classification of gunshot residues based on energy dispersive X-ray microanalysis and inductively coupled plasma analysis with mass-spectrometric detection［J］. Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy，2007，62(9):1028 -1036.

［6］程能林. 溶劑手冊［M］. 北京:化學工業出版社，2011:1015 -1016.CHENG Neng-lin. Solvents handbook［M］. Beijing:Chemical Industry Press，2011:1015 -1016.(in Chinese)