包覆工藝對無殼射釘彈藥片吸濕性的影響研究

鄧維平，梁家豪，董朝陽

(1.瀘州北方化學有限公司， 四川 瀘州 646605； 2.中北大學 環境與安全工程學院， 太原 030051)

無殼射釘彈采用了新的擊發原理，取消了在原銅殼彈中起點火作用的底火及金屬彈殼。節約了大量有色金屬，降低了制造成本，提高了市場競爭力。銅殼射釘彈使用雙基球扁藥或單基藥，無殼射釘彈采用硝化棉藥片，通過壓片機把硝化棉壓成一定重量、一定密度的藥片。藥片通過塑料模套固定在射釘頭部，形成射釘彈產品。無殼射釘彈藥片在使用和儲存過程中由于沒有金屬彈殼的密封作用，吸濕現象比較嚴重。如遇到濕度大的環境，會吸收大量水分，導致燃燒性能變壞，擊發、點火困難，燃速下降，火焰力減弱，甚至不能點燃，嚴重地影響使用性能。

對于一般發射藥和火箭推進劑來說，產生吸濕的原因有：表面吸附，表面水汽凝結、毛細作用。對于大多數發射藥和火箭推進劑的吸濕，都是由這三種原因共同作用的[1～2]。對于火炸藥中因硝化棉吸濕而引起的問題，目前主要采取膨化改性、相穩定劑改性以及用有機疏水物或高分子材料包覆等方法解決。其中表面包覆工藝被廣泛應用于發射藥和火箭推進劑的鈍感包覆技術中，是解決吸濕問題、增強安定性的一個重要途徑[3～4]。

在發射藥和火箭推進劑吸濕性的研究中，程山、張建忠、岳金文等對改善硝酸銨的吸濕性進行了系統的分析[5～7]。如吳昊對高氯酸銨(AP)進行二元包覆的研究[8]，使用包覆含能材料來改善吸濕性。除此之外，程秀蓮使用聚苯乙烯來包覆硝酸銨，盧先明等以交聯體為包覆材料，對球形ADN顆粒進行了包覆，王智洋等還用疏水性高分子材料包覆并得到了一種新型的模塊硝酸銨發射藥，他們的結果表明包覆層可以有效的抑制吸濕性并提高發射藥的穩定性[9～11]。熊言濤、劉祖亮[12]以改性直鏈烷烴為包覆材料對硝酸銨(AN)進行包覆，陳海云等[13]設計了一種酰胺型表面改性劑改善硝酸銨的吸濕性，他們的研究都有效的抑制了吸濕性。此外，胡坤倫等[14]還對包覆硝酸銨所選用材料的制造工藝和技術進行了研究。

本文選用硝基漆作為藥片的表面包覆材料，選擇乙醇、丙酮和乙酸乙酯為包覆溶劑。采用轉鼓(包覆鍋)工藝包覆。調節藥片在轉鼓內轉速、轉鼓中的流動狀態、包覆液噴射的次數、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小、噴射的時間等等，研究對包覆效果的影響。通過此次試驗，優選出包覆工序的最佳方案。

1 無殼射釘彈藥片吸濕性分析

射釘藥片主要的成分硝化棉，是一種富含親水性纖維的多孔性復合材料。硝化棉中存在著未被取代的羥基、毛細管以及很大的內表面，因而能快速吸附水分、凝結水分并與水分子形成氫鍵，硝化棉分子碳鏈遍布強極性的硝基和未完全反應而殘存的羥基，極性非常強，分子間作用力很大，非常容易吸濕。同時由于水分子的橫截面積很小，幾乎能透過所有聚合物材料，所以環境中的潮濕空氣可沿著大分子間網絡空隙、界面或毛細管狀纖維滲入藥片，導致硝化棉吸濕性較強。射釘藥片基材是硝化棉，壓片成型后，硝化棉的多孔性結構和高極性表面，具有很強的吸濕性。射釘藥片的成型過程是采用溶劑法工藝制備射釘藥片，因此在驅溶和烘干時表面會留下很多微孔結構，因此吸濕性大[15]。過大的吸濕量會影響發射時的點火，嚴重時會造成遲發火，甚至啞火。射釘藥片的吸濕性實質上是一種吸附作用，吸附量的大小與藥片中藥粒的性質、環境的溫度和相對濕度有關。對于一定的藥粒，當其在一定溫度及濕度的環境下貯存時，如果時間足夠長，該藥粒吸附的水分值(即該藥粒在該環境中的平衡含水量)是一定的[16]。

當環境濕度較大時，由于當水分子沿著毛細管狀纖維滲入藥片時，一方面會阻塞藥片孔隙，阻礙燃燒時熱量的傳播；另一方面，會吸收大量的熱量，使燃速降低，導致藥片的燃燒性能變差。有試驗證明，吸濕的藥片燃速會變慢，膛壓變低，可能產生燃燒不完全并留有殘渣的現象，甚至出現不擊發現象。吸潮后燃燒產物中存在不溶于水和有機溶劑的未完全氧化的固體碳顆粒，使燃燒殘渣增多，影響射釘彈的使用。

2 無殼射釘彈藥片包覆用原材料和包覆工藝

硝化棉膠化成型工藝過程使無彈殼發射藥內部產生了無數的孔洞和毛細管，內表面積增大，對降低吸濕性有不利影響。因此，通過對藥片表面進行包覆，堵塞藥片表層微孔是改善藥片吸濕性的有效方法。即包覆一層有機材料，在藥片表面形成一層致密的膜層，或形成完全憎水性的保護層，起到防潮的目的[17～18]。同時，通過包覆可在藥片表面形成硬化層，有利于增強藥片力學強度。

經過包覆處理過的藥片吸濕性能決定了成品射釘彈是否能夠正常使用，因此藥片的包覆用材料、包覆工藝是射釘生產中至關重要的一環。

1) 無殼射釘彈藥片包覆用原材料

無殼射釘彈藥片包覆材料的選擇依據是：能滿足射釘藥片威力和燃燒特性；具有足夠的強度，能夠滿足產品裝配和存貯要求；包覆層之間及其與被包覆藥之間要有良好的粘接強度，存貯時不開裂、不脫層、不脫落；射釘藥片的組分與包覆層要有良好的化學相容性；包覆層要有較長的貯存壽命。

本實驗選用硝基漆作為藥片的表面包覆材料。包覆溶劑為乙醇(AR)、丙酮(AR)、乙酸乙酯(AR)。

2) 無殼射釘彈藥片包覆工藝

目前常見的包覆工藝有流化床工藝、噴涂工藝和轉鼓(包覆鍋)工藝。其中轉鼓工藝比較成熟,該工藝適合各種尺寸的藥片，操作簡單易行，工藝周期短，成本低。轉鼓工藝的主要設備包括：包覆機(包覆銅鍋、吹風機、抽風系統)、加熱系統(風機、換熱器)、空壓機、噴頭以及包覆液儲槽等。實驗研究采用的轉鼓(包覆鍋)工藝設備示意圖如圖1所示。

圖1 轉鼓(包覆鍋)工藝主要設備示意圖

3 無殼射釘彈藥片包覆工藝與吸濕性實驗結果分析與討論

在包覆過程中，藥片在轉鼓內轉速、轉鼓中的流動狀態、包覆液噴射的次數、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小、噴射的時間等調節都會影響包覆的效果。通過10 kg藥片量的樣品包覆試驗，優選出包覆工序的最佳方案。(注：1) 二次包覆指第一次采用乙酸乙酯包覆10 min后對轉鼓加熱風10 min使藥片干燥，然后再噴硝基漆溶液進行包覆。2) 在相對濕度為90%下測試吸濕性。)

由實驗結果可知：

1) 漆與溶劑的質量比、不同溶劑的質量比，對產品的包覆效果影響較大。在轉鼓內轉速為15r/min、包覆液噴射的次數為5次、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小、噴射的時間為5min、包覆狀態為一次包覆的相同情況下，改變包覆劑組成，其試驗結果如表1所示。由表1可見：溶劑越多越有利于藥片的表面包覆，得到的產品越均勻,越不易粘結,但過稀的包覆液也會使溶劑揮發較大,造成浪費，且包覆時間也會延長；溶劑越少(即包覆液越稠)，越不能對藥片進行充分包覆，因包覆材料粘度較大，也會造成藥粒之間嚴重的粘結現象。本試驗包覆液較佳的方案是采用乙酸乙酯作溶劑，加入之漆與乙酯之比為1∶2。

表1 不同溶劑組成試驗情況

2) 包覆液加入速度也是影響產品包覆質量的重要因素。在轉鼓內轉速為15 r/min、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小、包覆劑組成為漆∶醇酮=1∶2、包覆狀態為一次包覆的相同情況下，改變包覆液加入速度，其試驗結果如表2所示。由表2可見：包覆液加入慢，次數多,雖然產品表面質量好,但包覆時間長；包覆液加入太快，次數少，溶劑來不及揮發，易造成藥片粘連。因此綜合考慮,包覆液較佳的加入次數為5次。

表2 不同包覆液加入速度試驗情況

3) 為了研究二次包覆對防潮效果的研究，在轉鼓內轉速為15 r/min、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小相同情況下，改變包覆次數，其試驗結果如表3所示。由表3可見：經二次包覆處理后，藥片在90%濕度下吸濕性≤0.6%。原因是一次包覆在藥片表面初步形成硬化層。二次包覆在藥片表面形成完整的硬化層或膜層，建成藥片的防潮保護體系。說明覆膜藥片具有很好的防潮效果。

表3 不同包覆次數試驗情況

4) 轉鼓轉速對產品的包覆質量也有較大影響。在包覆液次數為5次、包覆液的霧化狀態、噴射量的大小的相同情況下，改變轉鼓轉速，其試驗結果如表4所示。由表4可見：轉鼓轉速太快,由于離心力的作用,加上藥片本身的密度并不高，藥片強度不大，藥片容易破碎;轉鼓轉速太慢,不易達到均勻包覆的目的，藥粒之間容易發生粘結而產生板結現象。本實驗控制包覆過程的轉鼓轉速為15 r/min。

表4 不同轉鼓轉速試驗情況

4 結論

1) 二次包覆工藝能夠在藥片表面形成多層致密的膜層，有效抑制了藥片吸濕性，達到防潮效果。

2) 得到較佳的工藝條件：采用乙酸乙酯作溶劑，加入漆與乙酯之比為1∶3。控制包覆過程的轉鼓轉速為15 r/min。包覆液較佳的加入次數為5次。