無煙型聲光彈煙火藥制備方法淺析

2021-11-07 10:32:17魏子博

科技信息·學術版 2021年22期

摘要：針對減少聲光彈在爆炸過程中產生煙霧的要求，對無煙型聲光彈煙火藥的相關理論研究進行了綜述。分析了聲光彈在爆炸過程中產生煙霧的原因，介紹了國內無煙煙火藥的研究進展情況，論證了通過改變煙火藥組分降低聲光彈煙火藥煙霧的的可行性方法，為聲光彈無煙化的發展提供了一定的理論基礎。

關鍵詞：聲光彈;煙火藥;無煙化

引言

中國人民武裝警察部隊是國家武裝力量的重要組成部分，擔負著執勤、處置突發社會安全事件、防范和處置恐怖活動、搶險救援、海上維權執法、防衛作戰“六位一體”的職能任務，非致命武器在武警部隊處置各種突發事件中發揮了重大作用。其中，防暴彈種類之一的聲光彈，在爆炸后迅速產生強烈閃光和巨大聲響，在短時間內使有生目標喪失聽覺、視覺等生理反應，從而威懾驅散鬧事群眾，達到控制事態的目的。在當前嚴峻形勢下，聲光彈因作用效果顯著、威力突出而大量列裝武警部隊，使用于驅散鬧事群眾、解救人質等場合，尤其在解救人質事件上功不可沒。但是，目前所使用的聲光彈擊發后，在實現終點聲光效應的同時，會產生大量的煙霧，這使得武警官兵在執行快速突入或狙擊手進行高精度射擊等任務過程中因煙霧干擾看不清目標而延誤行動時機，進而對戰斗效果造成重大影響，甚至付出血的慘痛代價。因此，為了提高聲光彈在遂行任務中的作用效能，研發無煙或微煙型聲光彈非常重要。

1、煙火藥產生煙霧的機理剖析

聲光彈煙火藥屬于含能材料。其原材料組成成分通常是可燃劑、氧化劑、粘合劑和功能添加劑。其中，氧化劑常用的有：高氯酸鉀、硝酸鉀、硝酸鋇或多種氧化劑的混合物等，可燃劑常用的有：鋁粉、鎂粉以及鎂鋁合金粉等，粘合劑常用的有：酚醛樹脂、聚氯乙烯、蟲膠等。

如高氯酸鉀與鋁粉組成的煙火藥燃燒時將發生以下反應，見式1：

8Al + 3KClO4→3KCl + 4Al2O3 式1

如高氯酸鉀、硝酸鉀、鎂鋁合金組成的煙火藥，燃燒時將發生以下反應，見式2：

KClO4+KNO3+Mg-Al→K2O+MgO+Al2O3+NO2+N2 式2

顯然，聲光彈中煙火藥燃燒即產生出大量的K2O、MgO、Al2O3等金屬氧化物微粒，懸浮于大氣中即形成煙，當有水分存在時，極易吸附水分形成煙霧。

又如由硫磺、硝酸鉀、木炭粉組成的黑火藥燃燒時發生的化學反應如下：

74KNO3+30S+96C+16H2O→35N2+56CO2+14CO+3CH4+2H2S+ 4H2+19K2CO3+7K2SO4+8K2S2O3+2K2S+ 2KCNS+（NH4）2CO3+C+S 式3

按此反應式，燃燒生成物中的碳、硫及其氧化物微粒形成的氣溶膠夾雜著有沒完全燃燒的顆粒物，大量懸浮于空氣中，引起較為嚴重的環境污染。

2、無煙煙火藥的研究現狀淺析

當今全國各行各業的無煙化研究十分廣泛，無煙煤、無煙蚊香、無煙鍋爐等研究發展深入。煙花爆竹行業為獲得環境友好型的火藥，大量研發以退役火藥為基礎的煙火藥，然而聲光彈煙火藥無煙化的研究幾乎沒有。煙火藥組成部分通常包括可燃劑、氧化劑、粘合劑、功能添加劑。想要降低煙霧的產生量，達到無煙或微煙的效果，就要從煙火藥的組成成分入手，降低其組成成分中的大分子元素。因此，可以分別從煙火藥氧化劑、可燃劑、粘合劑入手，通過使用更加清潔，能量可靠的材料，去降低其煙霧產生量。

（1）改變聲光彈煙火藥的氧化劑降低爆炸煙霧的生成

氧化劑是組成煙火藥的基礎，其組分很多樣，既可以含有氧，也可以不含氧，也可以是鹵素化合物。聲光彈氧化劑最常使用的是高氯酸鉀，高氯酸鉀的氧化性是非常強的，但由于其在燃燒或爆炸過程中產生大量氯化鉀的化合物，是煙霧產生的主要原因。想要降低大分子含量的產生，需要煙火藥在燃燒或爆炸過程中盡可能的產生氣體，因此需要氧化劑的組成成分應含有大量的C、H、O、N等元素，則可有效控制其煙霧產生。

含有C、H、O、N等元素的氧化劑，首先可以使用的是硝酸銨。硝酸銨的含氮量非常高，廣泛應用于火箭推進劑和炸藥，硝酸銨在燃燒或爆炸過程中，產生的物質均為CO2、H2O、N2等氣體，是其無煙或少煙的根本原因。張海燕[1]等綜述了國外研制的低信號特征推進劑氧化劑相穩定硝酸銨，由于相穩定硝酸銨在固體火箭推進劑中產生的頓感、低信號、低污染的良好效應，被認為是高氯酸銨氧化劑的潛在優良替代品;殷海泉[2]在改性硝酸研究進展及其發展方向一文中也認為價格低廉，來源廣泛的硝酸銨經過改性之后是可以代替過氯酸氨和奧克托金的環境友好型固體火箭推進劑。但是硝酸銨依然存在很多缺點，它的起爆感度非常低，同時具有較強的吸濕性，使得它不適于作為聲光彈的主裝藥，為研究增加了巨大的難題。

單一使用硝酸銨存在很多問題，但如果研制復合型氧化劑，通過復合的方式，改良硝酸銨的低起爆的特性，將會很好的使用于聲光彈。

溶劑與非溶劑法具有廣泛的應用。它根據的是溶解度的原理，通過先后加入溶劑和非溶劑，使溶質結晶析出的一種方法。此方法操作便捷可靠，可以改變物質的形態或形狀，因此在材料的細化、復合和改性中有十分廣泛的應用。陳愛四，李鳳生等[3]采用溶劑與非溶劑法制備出了CuO/AP復合粒子，該粒子是以CuO為核，以AP為殼的，經過測試得出，該復合材料中的高氯酸銨分解峰有所下降，較二者的機械攪拌物提前了5.64℃;張汝冰等[4]用同樣的方法制備了納米級亞鉻酸銅與高氯酸銨的復合粒子，其中高氯酸銨的熱分解溫度明顯變小;馬振葉等[5]該方法制備了鋁和高氯酸銨的復合粒子，分析結果表明，經過該方法處理的Al對AP的熱分解反應具有催化作用，而機械混合的產物并不會對Al有催化作用;徐厚材[6]等為了解決氯酸鉀氧化劑感度高，安全性差的問題，采用溶劑非溶劑法制備了高氯酸鉀硝酸銨二元體系煙火藥氧化劑，結果表明樣品中高氯酸鉀分解溫度為466℃，比純高氯酸鉀提前了133℃，比氯酸鉀分解溫度高出106℃，證明了此復合氧化劑比原氧化劑更加安全可靠。通過以上研究可以發現，溶劑非溶劑法在改變試劑性質的方面作用很很大，如果能夠將硝酸銨與某種起爆感度高的氧化劑進行重結晶，得到的復合氧化劑敏感度非常低，則能夠有效減少反應物中物質的大分子元素，從而降低聲光彈煙霧的形成。

（2）改變聲光彈煙火藥的可燃劑降低爆炸煙霧的生成

可燃劑是煙火藥的重要組成部分，制備煙火藥應選擇極易被氧化，燃燒生成熱量大的可燃劑。可燃劑通常可以分為無機可燃劑、有機可燃劑、有機金屬可燃劑、氫化物可燃劑等，聲光彈最常使用的是鋁粉，同時鎂粉，鎂鋁合金等也在聲光彈煙火藥中使用廣泛。可燃劑產生煙霧的原因是在燃燒或爆炸過程中產生大量鋁的氧化物，在空氣中形成氣溶膠。想要通過改變可燃劑降低煙火藥煙霧的產生，同無煙氧化劑的改變方法一樣，改變其在燃燒爆炸過程中產生的大分子氧化物，盡量使產物都為氣體，則可解決這樣的問題。有機可燃劑中的碳水化合物，如淀粉、乳糖、甜菜糖、纖維素的等，其組成均為C、H、O、N，燃燒產物均為氣體，通過查閱資料發現，含糖的爆炸反應如氯糖反應等，反應非常劇烈，其產生的效能能夠滿足煙火藥的指標。硝化纖維素在含能材料中有著十分廣泛的應用。劉士林[7]等研究了軍用退役發射藥的相關性能，解決了無煙煙火藥制備、操作等相關問題，為環保型無煙煙火藥提供了實踐支撐;賈婷雨[8]同樣研究了煙花的無煙化，所采用的的原料為竹漿硝化棉和回收硝化棉，制造的煙火藥為微孔結構球型藥，燃燒產生的煙霧量明顯減少;鄭文芳[9]等研究了煙花的無煙化進展，分析了報廢火藥作為無煙火藥的可行性，分別從能量、安全、反應生成物燃燒特性的角度進行了說明，認為利用報廢火藥作為煙花無煙化藥劑是可行的，并且具有較好的發展空間;宋建芳[10]等發明了一種花炮無煙引線藥劑的組合物，這種組合物由防潮高氯酸銨、單雙基粉、金屬粉末、珍珠巖粉、碳粉等組成，單雙基粉主要成分是硝化棉，來源于軍用低信號發射藥單基、雙基廢棄藥，是除盡二氧化氮及殘酸，添加了二苯胺進行穩定處理才使用的。王瓊慧[11]對糖分粉塵爆炸特性進行了研究，考察了粒徑、惰性物質、點火能量對其爆炸特性的影響，為制糖的安全進行提供了理論支撐。

（3）改變聲光彈煙火藥的粘合劑降低爆炸煙霧的生成

使用粘合劑的作用是能夠使煙火藥具有一定的感度、燃燒速度等特性。目前，粘合劑已經發展成為一門獨立的學科，隨著高分子化合物的迅速發展，粘合劑的品種日益增多，應用極為廣泛，新型高能粘合劑已出現，但煙火制品中的新型粘合劑的應用尚不多。

固體推進劑發展迅速，趨勢朝著高能量、低特征信號、環境環保的方向發展。疊氮基聚乙二醇以ATPEG和多官能度炔烴為原料合成，其熱度大、密度大，是含氮量非常高的含能材料，該工藝在室溫內就能夠固化，優點多樣。GAP以縮水甘油疊氮聚醚為粘合劑的一種推進劑，其具有非常高的能量，成氣量大，安全穩定，是低特征推進劑的理想對象;張九軒[12]等人以NaN3和端羥基聚環氧氯丙烷為原料制備了GAP，這種方法疊氮轉化率很高，具有很好的應用前景;BAMO/AMMO（3-疊氮甲基-3-甲基氧雜環丁烷）是綠色粘合劑的較佳選擇，它具有優良的能量特性和加工型而備受關注。張勇[13]等綜述了3，3-雙疊氮甲基氧雜環丁烷（BAMO），3-疊氮甲基-3-甲基氧雜環丁烷（AMMO）共聚物的合成，該共聚物將廣泛應用于未來綠色、高能發射藥粘合劑中。

固體推進劑含Cl、Al等元素造成大量環境的破壞和污染，經過不懈的努力，終于在無煙、安全、環保方面有了突破。環保型固體推進劑重點在于研究具有含有巨大能量的粘合劑，這些粘合劑無Cl、Al等元素，同研究聲光彈無煙化十分相近;這些粘合劑大多含有疊氮鍵，疊氮鍵本就是安全、無煙的保證;增加含能粘合劑占配合組分的百分比，可以降低氧化劑的百分比量，可以利用較少的氧化劑發揮更多的作用，有利于減少煙霧產生;在一些推進劑的研究中，有的甚至不用可燃劑，只用氧化劑和粘合劑就能夠達到彈藥所需要的能量。因此，通過在組分中加入含能粘合劑在理論上可以有效達到聲光彈無煙化，同時具有較好的終點效應。

3、結束語

聲光彈煙火藥的無煙化在非致命武器裝備發展中具有特殊的意義，減少聲光彈在爆炸過程中產生的煙霧能夠加強我軍處置突發事件的能力和效果。通過改變聲光彈煙火藥組成成分使聲光彈煙火藥無煙化尚處于理論階段，需要投入大量的實踐才能確保其實現。同時，是否存在聲光彈無煙化的更優方法手段，仍有待于進一步探索。

參考文獻：

[1]張海燕與陳紅，低特征信號推進劑的氧化劑_相穩定硝酸銨_張海燕. 飛航導彈，1996.

[2]殷海權，改性硝酸銨研究進展及其發展方向. 化肥工業，2012. 39（01）：第23-29頁.

[3]愛四，李鳳生，馬振葉，等.納米Cu0/AP復合粒子的制備及催化性能研究J7.固體火箭技術，2004， 27（2）：123-12.5.

[4]張汝冰，劉宏英，李鳳生.含能催化復合納米材料的制備研究[J7.火炸藥學報，2000 （3）：9-12.

[5]馬振葉，李鳳生，陳愛四，等.A1/高氯酸錢復合粒子的制備及其性能表征[J7.推進技術，2004， 2.5 （4）：373-376.

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[7]劉士林，利用退役火藥制備無煙煙花藥劑的研究，2004，南京理工大學.

[8]賈婷雨，基于低等級NC的無煙煙花發射藥制備及其裝藥技術研究，2014，南京理工大學.

[9]鄭文芳，王亞與劉向陽，煙花無煙化研究現狀及其標準化探索，in 2007年中國國防工業標準化論壇2007：北京. 第 162-164頁.