顆粒型Mg/PTFE/NC藥劑的紅外輻射特性研究

王 磊，關 華，雎 健

顆粒型Mg/PTFE/NC藥劑的紅外輻射特性研究

王 磊，關 華，雎 健

（南京理工大學化工學院，江蘇 南京，210094）

為提高Mg-PTFE紅外誘餌劑的燃燒輻射面積、降低輻射強度，采用溶劑揮發法制備Mg/PTFE/NC顆粒型藥劑，研究顆粒藥劑的紅外輻射性能。結果表明：對比等質量粉狀藥劑，顆粒藥劑的輻射面積平均增大60%，平均輻射強度減小了80%。藥劑粒度由690.6μm增大到1 048.3μm，平均輻射面積由139.51cm2增大到172.83cm2，平均輻射強度由2.89 W?Sr-1增大到4.56 W?Sr-1；隨著Mg-PTFE在顆粒藥中的質量分數增加，輻射強度增大，而輻射面積變化不大。

煙火藥；紅外誘餌；顆粒藥；輻射面積；輻射強度

以Mg-PTFE（鎂-聚四氟乙烯）為主的MTV紅外誘餌主要以粉狀誘餌藥劑壓制成藥柱，燃燒產生紅外輻射，與被保護目標相比，其主要特點是輻射溫度高、輻射強度大、輻射面積小等。然而目前紅外制導方式已由點源發展到成像制導，其抗干擾技術大幅度提高，紅外誘餌與目標輻射性能的顯著差異能被紅外成像制導分辨出誘餌和目標[1-2]。因此，將Mg-PTFE制成顆粒，試圖增大藥劑的輻射面積，適當降低輻射強度是MTV紅外誘餌的研究方向。

近年來，除了發射藥制備顆粒的傳統方法內溶法和外溶法[3-5]，研究人員還嘗試許多其他方法。如王江等[6]利用噴霧干燥法，成功制備出了球形RDX顆粒；劉換敏[7]利用微流控技術成功制備出了單基和雙基球形發射藥顆粒；石旭東等[8]采用溶劑揮發法制備聚乳酸微孔顆粒，顆粒形狀均一性好，但實驗的驅溶過程長達4h，效率較低；王萍等[9]采用水溶液常溫浸析的方式，制備出了硝化棉微孔顆粒，這種方法大大縮小了制備時間，但所得顆粒質地較軟。基于上述制備方法，筆者提出采用溶劑揮發法制備煙火藥劑Mg/ PTFE/NC顆粒，利用NC優良的粘合性，將Mg和PTFE包裹成球形或近球形顆粒，并研究顆粒的不同配比、不同粒度對粒子燃燒后的輻射面積及輻射強度的影響。

1 實驗部分

1.1 Mg/PTFE/NC顆粒的制備

1.1.1 試劑與儀器

試劑：鎂粉，分析純，150目篩下物，國藥集團有限公司；硝化棉；聚四氟乙烯(PTFE)，100目篩下物，江蘇鵬程實驗器材有限公司；乙酸乙酯，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：HH-2恒溫水浴鍋，上海紅星儀器有限公司；JJ-1定時電動攪拌棒，江蘇金壇市中大儀器廠；SHZ-D(Ш)型循環水真空泵，上海瑞茲儀器設備有限公司。

1.1.2 顆粒制備

稱取定量的硝化棉、鎂粉、聚四氟乙烯于三口燒瓶中，加入一定量的乙酸乙酯，并在64℃下攪拌，待形成粘稠狀高分子溶膠后，加入乳化劑和分散劑，一邊加快攪拌一邊升溫，直到將溶劑乙酸乙酯完全蒸出后靜置，抽濾，烘干，得到Mg/PTFE/NC顆粒。

1.2 試驗樣品預處理

對原料質量配比不同的顆粒，篩分出粒度在600~800μm的顆粒，稱取2g樣品，用5kN的外力壓制成藥柱，并裝入高度33mm、內徑20mm的圓柱形殼體，制成樣品1~5。對原料質量配比相同的顆粒，利用激光粒度儀測量不同顆粒的粒度分布，再分別稱取2g樣品，用5kN外力壓制成藥柱，裝入相同尺寸的殼體，制成樣品6~9。另準備2g粉狀Mg-PTFE藥劑，利用同樣的外力壓制，裝入殼體，將其作為0號對比樣品。圖1為處理好的樣品。

1.3 顆粒粒度測試

本文采用英國馬爾文公司Mastersizer 2000干式激光粒度分析儀對顆粒進行測試，儀器分析粒徑范圍為0.02~10 000μm，經過分析可得到樣品顆粒的粒度以及粒度分布的相關值。測試得到的樣品6~9的粒度分布情況如圖2所示。

圖1 樣品示意圖

圖2 樣品6~ 9的粒度分布示意圖

1.4 紅外測試儀器及測試方法

測試儀器：美國Flir公司SC7000型遠紅外熱像儀，光譜響應波段7.7~9.3μm；分辨率320×240像素；溫度分辨率<20mK；測試鏡頭25mm，背景、大氣溫度20℃，室溫25℃，輻射率設為1。

測試方法：測試時，將試驗樣品置于儀器鏡頭前方試驗臺，確定樣品燃燒充滿在視場內，經測量得出距離為3.4m。樣品燃燒面正對儀器，點燃樣品表面點火藥后，樣品迅速燃燒，測試樣品燃燒過程。利用遠紅外熱像儀測試得到樣品燃燒時間、輻射溫度以及輻射亮度。

輻射面積的計算：選擇一個已知長度的物體，測量它在熱像儀中所占像素點數量確立標尺，以此來計算不同時刻樣品的輻射面積大小。

輻射強度的計算：根據公式[10]：

式（1）中：為輻射強度，W·Sr-1；為輻射亮度，W·Sr-1·m-2；為輻射面積，m2；為與非點源的法線角度，測試時設為0。輻射亮度為由熱像儀自帶軟件ResearchIR計算得出，輻射面積的計算方法如上，按照式（1）計算得到樣品的輻射強度。

2 結果與討論

2.1 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能研究

2.1.1 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能測試結果

首先研究不同配比藥劑對輻射性能的影響。表1為不同樣品的原料配比。樣品1~5中的硝化棉質量分數依次遞增，鎂粉和聚四氟乙烯的質量分數則依次遞減。采用紅外熱像儀測試不同配比藥劑燃燒后不同時刻熱像，結果如圖3 所示。其中0號為粉狀藥劑。

圖3 不同配比Mg/PTFE/NC顆粒及燃燒隨時間變化的熱圖

由圖3可知，1~5號樣品燃燒時的輻射面積比0號樣品明顯增大，持續時間也更長。樣品1~5號之間的輻射面積差異不大，持續時間整體有上升的趨勢。從左側的溫度表可知從1號樣品到5號樣品燃燒時整體輻射溫度有逐漸降低的趨勢，并且都低于0號樣品。

表1 不同配比樣品的組成 (%)

Tab.1 Composition of different proportions of samples

2.1.2 Mg/PTFE/NC樣品配比對輻射面積的影響

利用熱像軟件計算得到各樣品燃燒下平均輻射面積，如表2所示。

表2 各樣品穩定燃燒的輻射面積

Tab.2 Radiation area for stable combustion of each sample

由表2可知，樣品1~5之間輻射面積相差不大，這說明原料配比不是影響輻射面積大小的主要因素。而對比粉狀Mg-PTFE藥劑（0號樣品），輻射面積分別增大了24.3%、29.9%、27.1%、35.1%、21.6%，平均增大27.6%。這表明Mg/PTFE/NC顆粒可以提升藥劑的輻射面積。

2.1.3 Mg/PTFE/NC樣品配比對輻射強度的影響

計算得到樣品0~5的輻射強度變化，見圖4。各樣品燃燒時平均輻射強度見表3。

表3 各樣品燃燒的輻射強度

Tab.3 Radiation intensity of combustion of each sample

圖4 不同配比樣品與0號樣品的輻射強度變化圖

結合圖4、表3可知，不同配比Mg/PTFE/NC顆粒燃燒的平均輻射強度分別為5.62W·Sr-1、4.15 W·Sr-1、3.45W·Sr-1、3.16W·Sr-1、2.64W·Sr-1，比粉狀Mg-PTFE藥劑分別減少69.8%、77.7%、81.5%、83.0%和85.8%，平均降幅高達79.6%。對比不同配比Mg/PTFE/NC顆粒的平均輻射強度可以看出，Mg/ PTFE/NC顆粒所產生的輻射強度隨著Mg-PTFE質量分數的降低而逐漸減小，當Mg-PTFE的質量分數由30%增大到70%時，平均輻射強度由2.64 W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1，升幅53.2%。

已知Mg/PTFE/NC藥劑燃燒時的反應方程式如下：

C6H8N2O9(s) + 7/2O2(g) =4H2O(g) +6CO2(g)+ N2(g)

5Mg(s)+(C2F4)(s)+1/2O2(g)=2MgF2(g) +2C(s)+MgO (s)

由于Mg與PTFE反應產生MgF2、MgO等物質的特征輻射集中在中、遠紅外波段，但NC燃燒產物H2O、CO2的特征輻射集中在近、中紅外波段，因此隨著藥劑中Mg-PTFE質量分數的增大，顆粒的平均輻射強度逐漸增大。同時，根據斯蒂芬-玻爾茲曼公式[11]：

可知，輻射能量與溫度的4次方成正比。由于Mg與PTFE反應過程中會產生大量的熱，粉狀Mg-PTFE藥劑中Mg、PTFE的質量分數比Mg/PTFE/NC藥劑至少多15%，所以對比粉狀Mg-PTFE藥劑，Mg/PTFE/NC藥劑輻射強度平均降幅達到79.6%。

2.2 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能研究

2.2.1 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的輻射性能測試結果

不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒的原料配比及顆粒粒度情況，如表4所示。

表4 不同粒度樣品的組成及粒度情況

Tab.4 Composition and particle size of different samples

樣品中的硝化棉、鎂粉和聚四氟乙烯的質量分數統一為50%、25%和25%，區別是顆粒粒度（此處取值50）由樣品6的1 048.3μm逐漸減小到樣品9的690.6μm。采用紅外熱像儀測試樣品藥劑燃燒后不同時刻熱像，結果如圖5 所示。其中0號為粉狀藥劑。

由圖5可知，樣品6~9的穩定燃燒的輻射面積比0號樣品也有明顯增大，燃燒時間也更長。樣品6~9的輻射面積有下降的趨勢，燃燒時間整體有上升的趨勢。從左側溫度表可知樣品6~9燃燒整體輻射溫度也都低于0號樣品。

2.2.2 Mg/PTFE/NC樣品粒度對輻射面積影響規律

利用熱像軟件計算得到各樣品燃燒下平均輻射面積，如表5所示。

圖5 不同粒度Mg/PTFE/NC顆粒燃燒隨時間變化的熱圖

表5 不同粒度樣品燃燒的輻射面積

Tab.5 Radiation area for combustion of samples with different particle size

由表5可知，相比粉狀Mg-PTFE輻射面積，樣品6~9燃燒時平均輻射面積分別增大77.1%、63.1%、56.9%、42.9%，平均增大60%，說明粒度大小是影響輻射面積大小的重要因素。另外，隨著粒度的增大，Mg/PTFE/NC顆粒的輻射面積呈現逐漸增大的趨勢。當粒度從690.6μm增大到1 048.3μm時，輻射面積增大了33.32cm2，增大幅度19.3%。這是因為樣品顆粒的粒度越大，單個顆粒的燃燒持續時間就越長，借助于推力所達到的高度就越高，輻射面積就越大。

2.2.3 Mg/PTFE/NC樣品粒度對輻射強度影響規律

計算得到的不同粒度Mg/PTFE/NC樣品及0號樣品的輻射強度隨時間變化圖，見圖6。

圖6 不同粒度樣品與0號樣品輻射強度變化圖

表6為不同粒度樣品燃燒時的輻射強度。

表6 不同粒度樣品燃燒的輻射強度

Tab.6 Radiation intensity of combustion of samples with different particle size

結合圖6和表6可知，相比粉狀Mg-PTFE藥劑燃燒的平均輻射強度18.60 W?Sr-1，樣品6~9的平均輻射強度分別下降了75.5%、80.4%、80.6%、84.5%，整體的平均降幅高達80%。而當顆粒的粒度逐漸增大時，平均輻射強度整體呈現上升的趨勢，持續時間呈現逐漸減小的趨勢：粒度從690.6μm增大到1 048.3μm，平均輻射強度上升1.67 W?Sr-1，升幅37%，同時輻射持續時間從6.4s 縮短到3.2s。這是由于當顆粒粒度增大，顆粒之間的孔隙增大，顆粒間的堆積密度減小，致使顆粒在燃燒時的燃速增大，單位時間釋放的熱量更多，造成的熱輻射更大，輻射面積就越大。又由于樣品之間僅為粒度的不同而原料的配比一致，不存在特征輻射的差異，熱輻射更大的顆粒輻射強度更大。因此當配方一致時，顆粒粒度的增大會導致顆粒輻射溫度和輻射強度的整體增大。

又因為樣品為藥柱燃燒，滿足傅里葉方程：

式（3）中：為熱擴散率或熱擴散系數，m2·s-1；為導熱系數，W·m-1·K-1；為密度，kg·m-3；為比熱容，J·kg-1·K-1。在、不變的情況下，隨著的增大而減小，因此藥柱燃燒的熱擴散率降低。而藥柱燃燒過程中影響燃燒時間的最主要因素就是熱擴散系數，因此樣品的燃燒時間會隨著粒度的減小而呈現增大的趨勢。

3 結論

（1）相比粉狀Mg-PTFE藥劑，采用溶劑揮發法制備的Mg/PTFE/NC顆粒輻射面積增大幅度達60%，平均輻射強度減小幅度達80%。（2）Mg/PTFE/NC顆粒燃燒后的輻射面積隨著顆粒粒度的增大而增大，當粒度由690.6μm增大到1 048.3μm時，平均輻射面積增大幅度19.3%。但顆粒的輻射面積受其中Mg-PTFE質量分數變化的影響不大。（3）Mg/PTFE/NC顆粒燃燒后的輻射強度與顆粒中Mg-PTFE的質量分數以及顆粒粒度都有關。當Mg-PTFE的質量分數由30%增大到70%，輻射強度由2.64W·Sr-1增大到5.62 W·Sr-1；當粒度由690.6μm增大到1 048.3μm時，平均輻射強度由2.89 W·Sr-1增大到4.56 W·Sr-1。

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Study on Infrared Radiation Characteristics of Granular Mg/PTFE/NC Agents

WANG Lei，GUAN Hua，JU Jian

(Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094)

In order to improve the radiation area of Mg-PTFE infrared bait agent and reduce the radiation intensity, the Mg/PTFE/NC particle type agent was prepared by solvent evaporation method, to study the infrared radiation performance of the particle agent. The results showed that the radiation area of the granular agent increased by 60% on average and the radiation intensity decreased by 80% compared with the equal-quality powdery agent. When the particle size of granular agent increases from 690.6μm to 1 048.3μm, the average radiation area increases from 139.51cm2to 172.83cm2, and the average radiation intensity is 2.89 W? Sr-1increased to 4.56 W?Sr-1. While the mass fraction of Mg-PTFE in the granules increased, the effect on the radiation area is small, the radiation intensity shows the increase tendency.

Pyrotechnics; Infrared bait; Granules; Radiation area; Radiation intensity

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.010

1003-1480（2020）01-0038-05

2019-11-04

王磊（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事含能材料制備與應用研究。