含能材料包裝技術

崔衛鑫 王克儉

（北京化工大學機電工程學院成型制造研究中心）

1. 前言

含能材料，是指能迅速釋放大量能量并對外做功的物質。其表征為該類物質多具有爆炸性、爆燃性或其他經過特定激發條件會高速率高輸出釋放大量能量的物質。一般含能材料包含了火口藥，炸口藥，燃氣發生劑煙火藥劑，火工品等。同時，它具有高密度、良好的力學性能、一定的安定性、較好的相容性等特點。因此，在對其進行包裝時需要考慮這些性能。此外，也需要特別注意它的易燃易爆的性能，防止在包裝時出現爆炸的現象，發生事故。

隨著含能材料在各個領域的應用，它發揮的作用也越來越大，因此我們需要對含能材料的包裝更加了解。本文將從含能材料的種類，加工工藝，包裝技術以及發展趨勢等方面來進行闡述。

2. 含能材料種類

2.1 高氮量含能材料

高氮含能化合物是近年來一種新型含能材料，具有良好應用前景，它具有高正生成熱、高熱穩定性等特點，作為新型含能材料，此化合物主要應用于高能鈍感炸藥、小型推進系統固體燃料、無煙煙火劑、氣體發生劑、無焰低溫滅火劑。高氮化合物是高性能高密度綠色含能材料之一，分子中高的含氮量能增大密度使燃料燃燒產生大量的氣體。

目前合成的高氮含能化合物主要是氮雜環有機化合物，具有密度高、熱穩定性和鈍感好的特點。與TNT 相比，有較高的爆轟性能、理想的氧平衡且鈍感性好，可作為高能組分應用于推進劑、發射藥和鈍感彈藥，能減少氣體排放中產生的火焰和煙霧，使配方更環保。此外，咪唑類化合物是一種潛在含能材料，對咪唑類含能化合物進行研究和開發，使其早日應用到含能材料的領域中。

2.2 含能氧化劑

為了提高火藥中的能量，常加入一定比例的氧化劑和炸藥。對氧化劑的重要要求是化學相容性好和氧平衡值要高，世界各國研究者為了提高火藥的能量合成了許多高能氧化劑。CL-20 是高能炸藥，具有密度高，化學和熱穩定性好，能夠與大多數的增塑劑和粘結相容等優點，因此可作為配方來使用的不含鹵素無污染，感度低，特征信號低的新型氧化劑且化學安定性較好。

2.3 粘結劑

粘結劑是含能材料的重要組成部分，用含能聚合物作粘結劑是目前含能材料發展的趨勢，受到了世界各國的廣泛重視。國內外對高能量、高密度粘結劑進行了不斷的探索研究，研制出了疊氮基和硝酸酯增塑聚醚類的各種含能粘結劑。含能熱塑性彈性體作粘結劑具有成本低、安全、容易回收等優點，且可以采用溶劑加工方法，不必對現有設備進行改進，對于發展高能低易損火藥起著重要的作用。

2.4 增塑劑

硝酸酯類增塑劑一直是發射藥配方和固體推進劑中含能增塑劑的主要應用對象，其中最常用的是高能高密度增塑劑硝化甘油（NG），目前在研制高能推進劑、硝胺發射藥和無煙推進劑中硝化甘油仍然占有一定的地位。由于增塑劑的發展常與粘結劑的發展相伴隨，近年來隨著含能疊氮粘結劑的發展，與之相匹配的新型疊氮增塑劑也相繼發展起來，極大豐富了含能增塑劑。到目前為止，含能增塑劑的品種和數量很多，從合成各種含能增塑劑類別和典型品種來看，這些化合物大多是帶有硝基、疊氮基、硝酸酯及偕二硝基的酯類、醚類、縮醛類、硝胺基烴類和低聚物等。為了使含能材料配方具有較高的能量特征，一般要求增塑劑具有低的玻璃化轉變溫度、低黏度、低遷移、高氧平衡值、高熱穩定性和低撞擊感度。

總之，國外對含能材料研究較多，國內對這方面的研究則比較欠缺，故應加強新型含能材料的合成，表征和應用研究，彌補國內的不足。

3. 含能材料的加工

隨著軍用技術裝備需求的日益加快，傳統的含能材料工藝已經不能適應多品種的要求。無論是發達國家，還是發展中國家都非常重視含能材料制造工藝，這是未來世界各國競相重點發展的國防科學關鍵技術之一。

① 發射藥制造工藝

在發射藥的制造工藝方面，研發出了自動化噴射吸收、剪切壓延、雙螺桿擠出成型等新工藝。在剪切壓延工藝中實現了混合、預塑化以及顆粒造型工藝的自動化和連續化；在傳統溶法工藝的基礎上，研制出了基于包容水和溶解水的成孔原理和超臨界流體發泡原理的高燃速發射藥成型新工藝，利用該工藝制備的發射藥，其表觀燃速大幅提高。在研發上，突破了驅溶、非均和弧厚等關鍵工藝技術的難題設計并成功地研制出了具有高增面性的發射藥，提高了配合混合裝藥技術，顯著的提高了大口徑火炮彈道效率和炮口的動能。相比于同材質的組合裝藥，具有優異的低溫感效應，應用于大口徑的火炮，實現了在不增加工況的情況下明顯增加炮口動能，提高射程和威力。最近開發的裝藥技術，解決了一些世界技術性難題。依托這種裝藥技術，實現了與國外先進技術相同的彈道效果；由其組成的遠程裝藥，在不使用加長身管的手段下，提高了火炮射程，并且性能優于國外最先進的遠程火炮。

② 推進劑裝藥工藝

在推進劑裝藥工藝方面，發展了加壓插管澆筑與真空澆筑相結合的技術，初步解決了藥槳澆筑困難的問題，有效提高了裝藥密度。成功研制出了連續壓延造粒的雙螺旋剪切壓延機，解決了高固含量改性雙基推進劑生產過程中壓延塑化困難，易著火燃爆等諸多難題。采用點擊的化學方法進行了固體推進劑的制備研究，得到了力學性能較好的推進劑藥柱，證實了點擊化學在復合固體推進劑中的應用可行性。在研發上，我國已經掌握了單室多推力裝藥技術，實現了單室雙推力，單室三推力和單室四推力裝藥設計和應用技術。單室多推力技術的應用，可在發動機結構不變的條件下總沖提高15%以上。

③ 混合炸藥裝藥工藝

在混合炸藥裝藥工藝上，我們十分重視高能炸藥，特別是炸藥的低成本制造技術，并且取得了不少成果。在研發上，成功開發了幾十種造型粉的制備方法，并對相關的工藝流程和裝備進行了相應的技術升級。在混合炸藥裝藥壓制工藝中，新開發的等靜壓工藝技術，實現了復雜形狀炸藥件的靜成型，從而減少了原材料的損耗。成功研發的精密壓裝裝藥技術和爆炸網絡裝藥的澆筑工藝等新方法，滿足了新型武器對傳統炸藥的裝藥要求。此外，為適應微小型火工器件的結構要求，在一些基礎上，開發了含能薄膜，多孔含能基材和內嵌復合物等火工藥劑裝藥新技術，其性能明顯優于常規裝藥。

此外，含能材料綠色，安全生產技術的研究與開發也相當的活躍，在節能減排、回收利用、污染控制與治理技術、工藝與裝備等方面取得了不少成果。

4. 含能材料的包裝

4.1 包裝的要求

含能材料是國防科技工業戰略性基礎產品，是衡量國家裝備水平、軍事實力的重要標志。含能材料由于其易燃易爆的特性，對生產、貯存、運輸與使用過程中的安全性、穩定性要求很高，因此，含能材料包裝需具有以下基本功能。

1）需具有較高強度、良好減震性，以減小含能材料包裝物在貯存、運輸過程中受外界沖擊等破損而影響產品質量，甚至影響安全。

2）需具有良好的導靜電性，以減小含能材料在貯存、運輸過程中摩擦產生靜電積累，造成含能材料發生燃燒爆炸事故的風險。

3）需具有較好的密閉性，以保證包裝物內的含能材料產品在長期貯存過程中，不受外界環境影響，性能穩定，保證產品使用性能。

4）需與含能材料產品具有良好的相容性，保證在含能材料產品長期儲存過程中，包裝物與含能材料不發生化學反應，使產品質量發生變化甚至影響安全。

5）較長的使用壽命和較高的回收利用率，以節約資源，降低成本。

6）標識易識別和防拆封，保證含能材料產品能夠快速識別，防止含能材料產品未經授權擅自打開。

目前國內含能材料包裝雖能夠滿足含能產品貯存、運輸的要求，保證產品質量在長期貯存過程不發生改變，但是由于包裝材料、結構等已不適應當前快速發展的時代需求，更難以滿足含能材料的自動化、智能化的制造工藝需求，因此，開展含能材料包裝的升級換代工作迫在眉睫。

4.2 包裝技術

我國含能材料包裝從20 世紀50 年代發展至今，大致可以分為3 類。第1 類是以蘇式箱（木箱內套金屬箱）為代表，以發射藥包裝為例；第2 類是以木箱包裝為代表，以炸藥包裝為例；第3類為紙筒包裝，以TNT 包裝為例。

1）蘇式箱包裝

圖1 發射藥木套箱、金屬箱實物

自20 世紀50 年代從蘇聯引進含能材料包裝技術以來，我國發射藥包裝基本上一直沿用蘇式包裝模式。發射藥包裝物主要采用木箱內套金屬箱的結構。包裝箱按照尺寸不同分為1 號、2 號和3 號箱。如圖1 所示。

2）木箱包裝

自1964 年我國第一條黑索今生產線投產后，便使用木箱包裝黑索今產品，后續隨太安、奧克托今及多種混合炸藥產品的投產成功，太安、奧克托今及混合炸藥也使用木箱包裝。木箱包裝內包裝采用塑料袋、牛皮紙袋作為包裝材料，外包裝為木箱。木箱實物見圖2。

圖2 炸藥木箱實物

3）紙筒包裝

20 世紀90 年代，原兵總和總后軍械部組織開展含能材料包裝箱的研究工作，由國營第二五五廠（代表西南地區）和國營第四七五廠（代表東北地區）分別進行了發射藥復合紙桶外包及防靜電塑料薄膜袋、鋁252 塑薄膜袋、聚乙烯薄膜袋、中性牛皮紙內包試驗研究。試驗表明，上述內包裝袋與發射藥性能相容，并用于外貿產品包裝，20 世紀80 年代，伴隨著外貿產品使用紙桶包裝，混合炸藥上也陸續開始采用紙桶包裝。紙桶包裝物見圖3。

圖3 紙筒包裝物

4.3 包裝存在的問題

長期以來的使用情況表明，現有含能材料包裝物雖能夠滿足產品貯存、運輸的要求，保證產品質量在長期貯存過程不發生改變，但目前含能材料所用包裝物的結構、材質、質量、自身加工工藝以及人工現場操作的包裝工藝落后現狀，與含能材料行業實現自動化、連續化、無人化、綠色安全的目標存在巨大差距，主要表現以下方面：

1）含能材料用包裝結構不利于實現包裝工藝自動化、連續化和無人化。現有發射藥包裝采用木箱內套金屬箱的雙層結構，外形為正方形，擰緊金屬箱蓋、鉛封等細節性操作難以實現自動化和連續化。

2）包裝物大量采用優質木材，不符和當前國家環保形式要求。目前含能材料包裝仍以木箱為主，包裝用木材不僅對品種有要求，且對板材的裂紋、疤痕等也有規定。一般木材的二次利用率只能達到30%到40%，我國發射藥的年產量達到了上萬噸，需要大量木材，造成大量浪費，不符合國家環保要求。

3）包裝物自身質量大，操作人員勞動強度大，操作方便性差。目前生產和使用過程的搬運大多采用人工，極其不便。同時，現用的包裝箱由于其內層金屬箱的方形結構形式，使得操作人員在倒藥過程中不易倒完（尤其是粒度小的發射藥），造成藥料的浪費和安全隱患。

4）包裝物生產工藝落后、流程長，生產效率低。現用包裝物生產過程基本采取操作人員手工作業，作業環境差，勞動強度大，生產效率低，難以滿足產品包裝需要。

5）包裝物回收利用率低，返修復雜，綜合效益低。現在的含能材料包裝物，回收利用率非常低。內襯鐵箱采用鍍鋅鋼板錫焊工藝制成，二次回收或返修時必須對鐵箱進行清潔，并檢查焊接部位，極易造成鍍鋅鋼板破損或者尺寸不滿足規定要求；紙桶包裝雖然有一系列的優點，但是由于紙桶強度和長期儲存性方面較差，基本不能二次回收或返修，成本較高。

5. 未來發展趨勢

當前，正值新一輪科技革命和產業變革興起，為含能材料工業先進制造技術研究及工藝技術提升帶來了機遇。加之隨著目前新材料技術、基礎制造工業技術的迅速發展及民用化廣泛應用，為國防工業的技術改造提升奠定基礎，也為改善我國含能材料行業技術落后的現狀提供技術支撐。

1）對材質進行更新換代以降低成本

目前含能材料產品包裝物仍然以木材為主，對現有含能材料包裝技術進行更新換代，采取“節木代木”技術措施，是滿足國家環保要求，保證生態文明健康發展的大勢所趨。降低了制造成本，保障了產品質量安全并且節約資源。

2）對結構進行改進以滿足自動化、智能化

現在的包裝物結構難以實現包裝過程中多層包裝物翻折、金屬箱封口、掛扣等操作自動化；多層包裝物封裝過程中，內、外包裝物之間易產生夾層藥、箱間藥，存在安全隱患。對其結構、尺寸、外觀形式進行改進，便于用戶使用操作，同時又能減小安全風險，適應生產自動化的需求，因此，對包裝物結構進行改進，以適應自動化、智能化制造的需要，是含能材料包裝物的發展趨勢之一。

3）采取電子信息技術

目前含能材料包裝物外包裝標識，采用油漆粉刷的方式，流程復雜，效率低下；內包裝標識采用紙質裝箱單的方式，工藝原始，操作不便；鉛封采用人工掛鉛塊，并鉛封的方式，難以實現自動化操作。隨著信息技術的快速發展，采用直接在包裝物粘貼標識的方式實現包裝物信息標識，并實現電子鉛封，以便實現包裝產品信息化管理，通過電子識別，快速掌握產品相關信息，系統可自動識別，并對其進行碼垛，完成包裝的包裝箱進行裝車前整理，從而實現整個過程的自動化、連續化、無人化和智能化。

總之，通過對未來含能材料產品用包裝技術發展趨勢的分析，優化包裝物的材料和結構，適應自動化、智能化制造的需要是未來含能材料產品包裝技術發展的重要趨勢。