大顆粒球形發射藥的制備及性能測試

王召青，劉 勛，董朝陽，張華君，史 雨，裴重華

(1. 西南科技大學四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，四川 綿陽 621010； 2. 瀘州北方化學工業有限公司，四川 瀘州 646003)

大顆粒球形發射藥的制備及性能測試

王召青1，劉 勛1，董朝陽2，張華君2，史 雨1，裴重華1

(1. 西南科技大學四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，四川 綿陽 621010； 2. 瀘州北方化學工業有限公司，四川 瀘州 646003)

為了解決現有球形發射藥制備中存在的溶劑用量大、粒徑不均一的問題，以雙基吸收藥為原料，采用剪切搓圓法制備大顆粒球形發射藥。研究了溶棉質量比、搓丸刀間距、丸條直徑對球形藥質量的影響，采用密閉爆發器試驗對成型、干燥后的樣品進行了定容燃燒性能測試。結果表明,當溶棉質量比為0.4∶1.0、搓刀間距為0.4mm、丸條直徑為3.8mm時，可得到粒徑均一的球形顆粒，烘干后球形顆粒伸長度為1.033，顆粒密度可達1.680g/cm3，堆積密度可達0.945g/cm3，與內溶法制備的球形藥的密度相當，密閉爆發器實驗所得曲線表明制備的球形顆粒燃燒過程穩定，呈減面性。

球形發射藥；球形顆粒；剪切搓圓；密閉爆發器試驗；定容燃燒性能

引 言

球形發射藥因具有良好的流散性、便于裝填且有較高的裝填密度，是輕武器及小口徑武器的主要裝藥藥型[1],也在大中口徑身管武器方面得到初步應用。Olin公司1987年發展了直徑超過4.0mm的球形藥，制備大顆粒球形發射藥成為一種發展趨勢[2]。制備球形藥的方法可分為內溶法和外溶法，內溶法工藝[3-5]制備的顆粒粒徑小于2mm，水和溶劑用量大，一般為固體原料藥質量的5～20倍，這種方法通過攪拌成球，粒徑不易控制且不均勻；外溶法成型工藝分為預溶法成球工藝和擠出法成球工藝，預溶法成球工藝過程與內溶法相似，但制備的顆粒粒徑分布較寬，擠出法成球工藝[6-7]制備的顆粒最大可達8mm，水和溶劑量一般為固體原料質量的2～5倍，這種方法制備的球形藥可以應用于大口徑的身管武器，但是物料經過擠出、造粒后需要繼續在成球反應器中進行球形化處理，工藝復雜、操作繁瑣。近年來，國內球形藥制備工藝的研究也主要集中于攪拌成型工藝。郭長平等[8]通過改進傳統球扁藥內溶法工藝和微膠囊技術制備球扁藥方法，采用改進的“一步法” (溶劑蒸餾法)工藝制備了閉孔結構微氣孔球扁藥。張欣等[9]用簡單的溶劑蒸發法制備了亞微米的硝化棉(NC)球形藥。王萍等[10]通過改進溶劑蒸餾法，即溶劑浸析法，制備了硝化棉基微孔球形藥。這些方法制備的球形藥仍然存在粒徑不均一不可控的問題。

剪切搓圓法由于原理簡單、操作容易，制備的丸劑粒徑均一可控且溶劑用量少，在藥學上是一種應用廣泛的丸劑制備方法。剪切搓圓法實驗過程為物理成球過程，適合含能高分子球形化。因此本實驗采用剪切搓圓法制備大顆粒球形發射藥，并測試烘干后球形顆粒的密度及定容燃燒性能，以期為發射藥的制備提供參考。

1 實 驗

1.1 原料與設備

溶劑A(工業級)、溶劑B(工業級)、雙基吸收藥(硝化棉含氮量12.76%)，瀘州北方化學工業有限公司。

10 L膠化機、Y41-25A型單柱液壓機、水浴烘箱，瀘州北方化學工業有限公司；剪切搓圓機，自行設計加工。

1.2 樣品制備

將雙基吸收藥與溶劑(溶劑A與溶劑B的混合溶液)按照溶棉質量比0.3∶1.0～0.6∶1.0進行膠化，1h后出料；液壓機將膠化物料進行過濾、成條；之后將丸條軸向放入剪切搓圓機，搓丸刀將藥條切斷、搓圓后成球，搓丸刀旋轉速率調節在40～80r/min之間；將剪切搓圓后得到的球形顆粒在55℃下干燥48h。溶棉比分別為0.3∶1.0、0.4∶1.0、0.6∶10，丸條直徑為3.6mm時，得到樣品1～3；溶棉比為0.4∶1.0、丸條直徑為3.8mm時，得到樣品4。

1.3 性能測試

根據GJB772A-97國家軍用標準炸藥試驗方法，對顆粒的伸長度、顆粒密度和堆積密度進行測試，其中伸長度=長徑/短徑(n=l/b)，顆粒密度和堆積密度分別采用密度瓶法和標準容器法進行測試；采用密閉爆發器對成型、干燥后的球形顆粒進行定容燃燒性能測試[12]，其中密閉爆發器體積100mL，裝填密度(Δ)為0.2g/cm3,測試溫度為常溫(20℃)。

2 結果與討論

2.1 搓丸刀間距對成球質量的影響

搓圓機搓丸刀間距(s)不同時，制備的球形顆粒如圖1所示。

由圖1可見，當搓丸刀間距為0.8和0.6mm時顆粒成串未被切斷，當間距調節為0.4mm時，顆粒被切斷且可順利出料，當間距進一步減小為0.3mm時，制備的顆粒斷開，但是樣品中出現碎屑和搓刀卡料的現象，這說明0.3mm間距過小，顆粒在通過搓丸刀時表面被搓丸刀刮蹭，出現碎屑，且其中一部分顆粒不能通過搓丸刀。由此可知，合適的搓丸刀間距為0.4mm。

2.2 溶棉比對成球質量的影響

表1為不同溶棉比制備的球形藥的物理性能。

表1 溶棉比對成球質量的影響Table 1 The influence of mass ratio of solvent and absorbent powder on ball-formation quality

注：n為伸長度；ρP為顆粒密度；ρB為堆積密度。

由表1可見，當溶棉比為0.3∶1.0和0.6∶1.0時，伸長度較大，溶棉比為0.4∶1.0時伸長度最小。溶棉比為0.3∶1.0時，藥條過硬，不易在搓圓過程中變形，當搓丸刀將其切斷后，圓弧部分不易被擠壓膨脹，成型的顆粒伸長度大；當溶棉比為0.6∶1.0時，圓弧收縮率增大，在烘干時，圓弧收縮，最后成型的粗品呈長圓柱狀，伸長度也較大。由此可知，合適的溶棉質量比為0.4∶1.0，此時顆粒密度為1.635g/cm3,堆積密度為0.936g/cm3。

2.3 丸條直徑對成球質量的影響

丸條直徑(D)分別為3.6和3.8mm時，通過剪切搓圓法制備的球形顆粒烘干前后的外觀如圖2所示。

從圖2中可以看出，烘干前后顆粒粒徑都較為均一；球形顆粒的粒徑是由丸條直徑與搓丸刀刀槽直徑等決定的，因此，可通過控制丸條直徑與搓丸刀刀槽直徑來調控球形顆粒粒徑。從圖2可以看出，剪切搓圓法制備球形藥可實現粒徑的均一、可控。

將成型干燥后的球形藥粗品進行物理性能分析，結果如表2所示。

表2 丸條直徑對成球質量的影響Table 2 The influence of diameter of sticks on ball-formation quality

注：D為丸條直徑；d為烘干后顆粒的平均粒徑；n為伸長度；ρP為顆粒密度；ρB為堆積密度。

從表2可以看出，當丸條直徑為3.8mm時，烘干后所得平均粒徑為3.46mm,伸長度為1.033，顆粒密度為1.680g/cm3，堆積密度為0.945g/cm3。球形顆粒烘干后會出現收縮，弧形部分收縮率最大，當丸條直徑增大時，烘干后短徑部分增大，因此伸長度減小。從表2中樣品2、樣品4在未烘干與烘干后的顆粒粒徑可以看出，粒徑大的顆粒收縮率大，所得顆粒會更加密實，顆粒密度增大，堆積密度增大。

2.4 定容燃燒性能

采用密閉爆發器實驗對樣品4進行定容燃燒性能測試。圖3(a)為實驗測得的p-t曲線，進一步計算可得到動態活度參數隨相對壓力的變化曲線對(L-p/pm)和燃速-壓力曲線(u-p)分別見圖3(b)和圖3(c)。由圖3(b)可見，在燃燒的中后期，隨著p/pm的增加，動態活度參數L下降，為減面性燃燒；由圖3(c)可見，燃燒曲線無轉折，因此燃燒過程穩定。由此可知，剪切搓圓法制備的球形顆粒燃燒過程穩定，呈減面性。

2.5 兩種方法制備的球形藥密度的比較

將剪切搓圓法制備的球形藥與內溶法[13]改性雙芳型發射藥制備的球形藥密度進行比較，如表3所示。由表3可見，剪切搓圓法制備的球形藥與內溶法制備的球形藥密度相當。

表3 不同工藝制備的球形藥密度Table 3 The density of spherical gun propellant prepared by different process

3 結 論

(1)剪切搓圓法制備的球形藥顆粒均一、可控；當溶棉比為0.4∶1.0，搓丸刀間距為0.4mm，丸條直徑為3.8mm時，制備的樣品經烘干后伸長度為1.033、顆粒密度為1.680g/cm3、堆積密度為0.945g/cm3，與內溶法制備的球形藥密度相當。

(2)密閉爆發器試驗表明，剪切搓圓法制備的球形顆粒燃燒過程穩定，呈減面性。

致 謝：本研究得到新型結構含能材料四川省高校創新團隊(15TD0014)以及四川省新型含能材料軍民融合協同創新中心的資助，并得到瀘州北方化學工業有限公司分析和測試中心的支持，在此一并表示感謝。

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Preparation and Properties Test of Spherical Gun Propellant with Large Diameter

WANG Zhao-qing1, LIU Xun1, DONG Chao-yang2, ZHANG Hua-jun2, SHI Yu1, PEI Chong-hua1

(1. Sate Key Laboratory Cultivation Base for Composites and Functional Materials, Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010, China; 2. Luzhou North Chemical Industries Co.,Ltd,Luzhou Sichuan 646003, China)

To solve the problem of large solvent wastage and non-uniform particle size in the preparation of spherical propellant grain, the spherical gun propellant with large diameter was prepared through the shear-rounder method using double-base absorbent gun powder as raw material. The effect of mass ratio of solvent to cotton, the space between two pill-rolling knifes, and the diameter of the sticks on the quality of spherical gun propellant was studied. The constant-volume combustion performance of formed and dried samples was measured by the closed bomb test. The results show that when the mass ratio of solvent to cotton is 0.4, the space between two pill-rolling knifes is 0.4mm and the diameter of the sticks is 3.8mm, the particle size of spherical particle obtained is uniform, and the elongation, true density, and bulk density of the spherical gun propellant after drying are 1.033, 1.680g/cm3and 0.945g/cm3, respectively, similar to the density of the spherical gun propellant prepared by the internal dissolution method.The curves obtained from the closed bomb test show that the combustion process of spherical particle prepared is stable, revealing a characteristic of regressive burning.

spherical gun propellant; spherical particle; shear-rounder;closed bomb test;constant volume combustion performance

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.019

2017-01-15；

2017-03-28

新型結構含能材料四川省高校創新團隊(15TD0014)

王召青(1989-)，女，碩士研究生，從事含能材料的研究工作。E-mail:1521166439@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)03-0098-04