超細粉體發煙劑流散性改性

(防化研究院功能材料研究所，北京 102205)

煙幕作為一種高效費比的戰場保障和非對稱作戰手段，在多次戰爭中發揮了重要的作用[1-3]。在未來高技術戰爭中，作戰雙方大量使用雷達、紅外、激光等偵察、監視及攻擊系統，反雷達、反紅外、反激光的煙幕器材必將伴隨科學技術的發展以嶄新的面貌出現在現代戰場上，發揮其獨特的作用[4-6]。發煙劑是形成煙幕的化學物質，根據物質形態和使用方式可分為多種類型，固體粉末型發煙劑便是其中很重要的一種類型，廣泛應用在各種發煙裝備之中。粉末型發煙劑是一種特殊的粉體，粒度一般處于幾百納米至十幾微米之間，屬于超細粉體范疇[7]。在研究和使用這些微納粉體發煙材料時我們發現，它們在儲存過程中容易結塊，流動性明顯變差，分散性能下降；將其施放到煙幕箱后，干擾效果也會隨著時間的延長快速下降，干擾時間短。產生這些現象的根本原因在于：在超細粉體中，顆粒尺寸小，比表面積大，表面能急劇增加，使其成為一個不穩定的熱力學體系，顆粒之間有自發聚集以降低系統自由焓的趨勢，逐步變大形成二次顆粒構成軟團聚，使粉體的分散性下降[8]；分散到空氣中的微納顆粒，也會在漂浮的過程中相互碰撞發生凝并和團聚，粒徑變大，沉降加快，進而影響其干擾性能。鑒于此，針對一種新型的超細粉體發煙劑——納米復合干擾發煙劑，采用添加流動性輔助劑的方法，對其流散性進行改性研究，提升它的分散性能和干擾性能。

1 實驗

1.1 實驗儀器

實驗采用的主要儀器設備的型號、 規格如表1所示。

表1 儀器設備列表

1.2 發煙劑

實驗研究對象為一種新型的發煙劑——納米復合干擾發煙劑，該發煙劑的主要成分為一種硫化物半導體材料，該材料顆粒呈中空結構，宏觀尺度在微米級(約0.5～5 μm)，空殼壁厚在納米級(幾十納米)，表觀密度小(約0.2～0.3 g/cm3)。該發煙劑具有超細粉體的典型特征，質輕、漂浮性好，在存儲和使用過程中易發生團聚現象。

1.3 煙箱實驗

煙箱實驗室中儀器布設示意圖如圖1所示，基本實驗步驟如下：

1)按照圖1所示的位置架設好儀器設備，進行光學儀器的設置和調試，激光的初始接收能量設置為500 mW，紅外靶標的溫度設置為40 ℃，調試完成后進入實驗準備狀態。

2)稱取20 g發煙劑樣品，將其放入氣流分散裝置的儲料罐中。

3)一切準備就緒后，激光測試裝置和紅外熱像儀開始進行測試，記錄空白背景的數據10 s以上，然后將發煙劑噴撒到煙箱中。

4)將樣品噴撒完畢后，打開煙箱內風扇，攪拌20 s，使煙幕分布均勻。

5)測試過程中，紅外熱像儀和激光測試裝置一直處于測試狀態，測試數據被實時采集并保存到計算機硬盤上。采樣裝置有2個采樣頭進行平行采樣，采樣次數、采樣時間根據需要進行設置。

6)實驗結束時，停止紅外熱像儀和激光測試裝置的測試，打開煙箱門，啟動抽風系統，清除煙箱中的煙幕材料后準備下一次實驗。

圖1 煙箱測試儀器布設示意圖Fig.1 Instrument layout diagram of smoke box

1.4 野外試驗

圖2是野外試驗場地布設示意圖，主要分成幾個區域，即儀器架設區1(主要布設黑體、激光發射裝置等)，儀器架設區2(主要布設中長波熱像儀、激光接收裝置、攝像機等)、煙幕施放點、氣象測量點(布設溫濕度計和風速風向儀)。煙幕施放方向與主導風向一致，盡量使光路與風向垂直。基本試驗步驟如下：

1)架設并調試好儀器設備進入準備狀態，激光的初始接收能量仍然設置為500 mW，紅外靶標的溫度設置為40 ℃；

2)熱像儀和激光測試裝置開始持續記錄數據，記錄10 s空白數據后開始噴撒發煙劑；

3)發煙劑噴撒完畢后，停止記錄數據，結束本次試驗。

圖2 野外試驗場地布設示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of field experiment

1.5 發煙劑流散性測試

發煙劑流散性測試采用卡爾指數法[9-12]，利用粉體綜合特性測試儀，測試得到發煙劑的休止角θr、壓縮率Cp、抹刀角θs和凝聚度Ch等參數，并將這些參數指數化后利用式(1)得到流動性指數Fw：

Fw=θr+Cp+θs+Ch。

(1)

同樣地，利用粉體綜合特性測試儀，測試得到發煙劑的崩潰角θf、差角θd、分散度Ds和流動性指數Fw等參數并將其指數化，利用式(2)得到噴流性指數Fd：

Fd=Fw+θf+θd+Ds。

(2)

在計算以上指數過程中需要的粒度參數利用馬爾文MS3000型激光粒度儀采用濕法[13]測試得到。

1.6 數據處理

1.6.1 紅外干擾數據處理

在煙箱或野外測試得到的紅外圖像，可按下式處理后得到煙幕對紅外輻射的衰減率[14-16]:

(3)

式中，h0、h1分別為施放煙幕前目標和背景的灰度值，h0(t)和h1(t)分別為施放煙幕后目標和背景隨時間變化的灰度值。

1.6.2 激光干擾數據處理

激光測試裝置的測試結果，可按下式計算得到煙幕對激光的衰減率[17]：

(4)

式中，I0為施放煙幕前激光強度，I為施放煙幕后的激光強度。

2 結果與討論

2.1 流散劑對發煙劑流散性的影響

為了改善發煙劑的流散性，我們在超細粉體發煙劑中添加了流散劑。流散劑為疏水型的無機納米粉體，尺寸在幾十納米。將添加流散劑后的發煙劑采用三維混合機混合均勻，利用卡爾指數法測定其安息角、崩潰角、差角、抹刀角等參數，然后按照公式計算得到表征粉體流散性的流動性指數和噴流性指數。表2是添加一定比例的流散劑前后發煙劑流散性參數的對比。從表中可見，加入流散劑后，發煙劑的各項流散性指標均有不同程度的提高。流動性指數的提高，意味著發煙劑的流動性更好，更加有利于粉體的輸送操作。噴流性也稱飛揚性[18]，是指粉體物料在處理過程中，由于自動充氣而流化形成類似流體的性質，添加流散劑后，發煙劑的噴流指數明顯提高，達到了83，說明該發煙劑非常有利于在大氣中噴撒形成有效氣溶膠煙幕。

表2 添加流散劑前后發煙劑流散性參數的對比

同時，我們還研究了不同含量的流散劑對發煙劑流動性的影響規律，測試結果如表3所示。從表中可以看到，隨著流散劑含量的增加，發煙劑的流動指數越來越大，說明發煙劑的流動性隨著流散劑的含量增加而不斷增強。噴流性指數也遵循同樣的規律，其數值隨著流散劑含量的增加而變大。

在實際應用中，流散劑的含量通常要根據儲存、 運輸、 分散和干擾的要求來確定。 流散劑太少，會使發煙劑的流動性和噴流性達不到使用要求，并且容易在儲存、 運輸和使用過程中發生結塊現象。 流散劑太多，會使發煙劑的松裝密度大幅下降，同樣的包裝桶裝填的發煙劑質量會減少，使用包裝桶的數量增加，加大了運輸量； 另外，過大的噴流性指數意味著發煙劑的飛揚性很強，在發煙劑的封裝、 裝填過程中容易飛揚，增加了對環境的粉塵污染； 流散劑過多，還會導致有效干擾組分減少，使得發煙劑的干擾性能下降。 一般而言，通過調整流散劑的用量，使發煙劑的流動性指數達到60以上，噴流性指數達到75以上，就能夠完全滿足實際的使用要求。

表3 不同含量流散劑對發煙劑流動性和噴流性的影響

2.2 改性發煙劑的煙箱干擾性能

為了研究添加流散劑對發煙劑干擾性能的影響，在煙箱中測試了添加流散劑前后發煙劑對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果，測試結果如圖3所示。 從圖中可以看出，添加流散劑前，發煙劑對8～14 μm紅外波完全干擾(衰減率達到100%)的持續時間不到200 s，添加流散劑后，達到了700 s以上。顯然，添加流散劑后，發煙劑的干擾性能有了明顯的提升，衰減率更高，持續干擾時間更長。另外，從添加流散劑前后對10.6 μm激光的干擾效果(如圖4所示)來看，添加流散劑后，發煙劑對激光的衰減效果也明顯增強，持續干擾時間也更長。

圖3 發煙劑在煙箱中對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果Fig.3 Jamming effect of smoke agent on 8～14 μm infrared thermal imager

圖4 發煙劑在煙箱中對10.6 μm激光的干擾效果Fig.4 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light

添加流散劑之所以能夠增強了發煙劑的干擾性能，在于兩方面的原因。一方面，添加流散劑并經過充分的機械混合之后，發煙材料粒子表面覆蓋了一層不與水結合形成氫鍵的疏水納米材料，起到了一定的空間位阻作用，阻止了臨近粒子因范德華力而相互靠近，發煙劑的凝并行為得到了一定程度的抑制，具備較好的流動性和噴流性，在儲存過程中不易團聚，在施放過程中也能很好地分散到空中；另一方面，由于表面性質的改變，發煙劑干擾粒子分散到空中后，相互之間碰撞結團的現象也有所減弱，因此干擾材料在空中的漂浮時間變長，能夠對電磁波形成持續干擾效果，持續干擾時間明顯延長。

2.3 改性發煙劑的野外干擾效果

通過添加流散劑，顯著地改善了納米復合發煙劑的流散性，我們用改性后的發煙劑進行了野外氣流分散試驗，并利用儀器測試了干擾效果。

2.3.1 對可見光的干擾效果

在野外試驗時，利用攝像機來測試發煙劑的可見光干擾效果，目標為一面粉色紅旗，如圖5a所示。 測試時的風速為2～3 m/s，發煙劑的施放速度為20 g/s。從圖5可見，分散到空中的發煙材料能夠形成穩定的煙幕氣溶膠，說明發煙劑的分散性和漂浮性良好；當煙幕經過光路時，原本清晰可見的紅旗被煙幕完全遮蔽，已經無法從攝像機上看見，如圖5b所示，說明納米復合干擾發煙劑在野外具有良好的可見光遮蔽效果。

a 遮蔽目標前

b 遮蔽目標后圖5 野外試驗中發煙劑的可見光遮蔽效果Fig.5 Camouflage effect of smoke agent on visible light in field experiment

2.3.2 對激光的干擾效果

圖6為野外試驗中，納米復合干擾發煙劑形成的煙幕對10.6 μm激光的干擾效果。 測試時風速為0～1 m/s，發煙劑的施放速率為12 g/s。 試驗時的氣象條件不太理想，風向不太穩定，有相當一部分煙幕偏出了光路，但仍然能夠產生90%以上的衰減，說明煙幕對10.6 μm激光有很強的衰減能力。

圖6 野外試驗中發煙劑對10.6 μm激光的干擾效果Fig.6 Jamming effect of smoke agent on 10.6 μm laser light in field experiment

2.3.3 對紅外的干擾效果

圖7是野外試驗中發煙劑對3～5 μm紅外熱像儀的干擾效果。 測試時的風速為2～4 m/s，發煙劑的總施放量為1.8 kg。 從圖中可以看到，在初始1 min內，煙幕對3～5 μm紅外波的干擾效果十分出色，衰減率大都在95%以上，在隨后的施放過程中，由于氣流施放裝置的儲氣瓶氣壓下降，導致單位時間發煙量下降，成煙稀薄，使得干擾效果有所下降。

圖7 野外試驗中發煙劑對3～5 μm紅外的干擾效果Fig.7 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

本次試驗中，發煙劑對8～14 μm紅外熱像儀的干擾效果如圖8所示。 與3～5 μm波段的干擾效果相類似，這說明發煙劑對長波熱像儀的干擾效果也很出色。

圖8 野外試驗中發煙劑對8～14 μm紅外的干擾效果Fig.8 Jamming effect of smoke agent on 3～5 μm infrared light in field experiment

3 結論

針對超細粉體發煙劑易團聚的特性，通過添加流散劑的方法對其流動性和噴流性進行了改性，并測試了改性后的發煙劑在煙箱和野外對激光和紅外的干擾性能。研究結果表明：

1)流散劑對納米復合干擾發煙劑流散性的改善非常明顯，并且流動性指數和噴流性指數均隨著流散劑含量的增加而變大，實際應用中可以根據需求調整流散劑的含量。

2)煙箱試驗中，經過流散性改性后的發煙劑對紅外和激光的干擾效果都顯著增強，衰減率更大，持續干擾時間更長；

3)野外試驗中，經過流散性改性后的發煙劑表現出良好的分散性和漂浮性，在野外能夠形成穩定的氣溶膠煙幕，對可見光、激光和中遠紅外都具有良好的干擾效果。