硼-硝酸鉀（BPN）點火藥的制備及其性能研究

張 偉，黃群英

（江西新余國科科技股份有限公司，江西 新余 338004）

引言

點火藥又稱引燃藥，是最重要的火工藥劑之一。在外界初始沖能的作用下，點火藥能夠發(fā)生快速的化學反應(yīng)，并放出大量的熱、氣體和灼熱的固體殘渣，從而引燃各種火藥、煙火藥、起爆藥和火工品等[1]。硼-硝酸鉀點火藥是一種性能優(yōu)良的高能點火藥，具有較大的燃燒熱、較強的點火能力和安全鈍感等特點，在常規(guī)武器和航空航天火工裝置中得到廣泛應(yīng)用[2]。美國在1992 年發(fā)布的美軍標MIL-STD-1901《火箭彈和導彈發(fā)動機點火系統(tǒng)設(shè)計安全準則》中，硼-硝酸鉀點火藥是規(guī)定的、直列式點火系統(tǒng)唯一許用的點火藥[3]。作為高能、安全鈍感型點火藥，硼-硝酸鉀點火藥一直是科研人員廣泛研究的對象。齊海濤[4]對硼/超細硝酸鉀點火藥配方進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著硼粉質(zhì)量含量的增加，火焰感度升高，尤其外加25%酚醛樹脂黏結(jié)劑的B/KNO3（50/50）火焰感度最高，而靜電感度降低。永石俊幸[5]對B/KNO3的熱反應(yīng)性及靜電感度進行了研究，發(fā)現(xiàn)硼粉含量為30%時，B/KNO3點火藥的燃燒熱最大并且靜電感度最高。本研究基于硼-硝酸鉀點火藥的典型配方，對不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥的感度及相關(guān)性能進行了測試比較。

1 點火藥的制備

1.1 主要原材料

無定形硼粉，平均粒徑D50≤1.0μm，純度≥95.0%，丹東市化工研究所有限責任公司；硝酸鉀，分析純，200 目（75 μm）篩下物，平均粒徑D50≤60 μm，西隴科學股份有限公司；黏合劑為氟橡膠、不飽和聚酯樹脂和硝化棉。

1.2 制備工藝

利用手工混合、造粒工藝方法，基于硼-硝酸鉀點火藥的典型配方，將硼粉和硝酸鉀混合均勻后，分別加入不飽和聚酯樹脂、硝化棉和氟橡膠黏合劑溶液進行造粒，將造好粒的點火藥放入烘箱中干燥一定時間后，即得到不飽和聚酯樹脂造粒的硼-硝酸鉀點火藥、硝化棉造粒的硼-硝酸鉀點火藥和氟橡膠造粒的硼-硝酸鉀點火藥，依次編號為B/KNO3-1#、B/KNO3-2#和B/KNO3-3#。

2 性能測試

2.1 火焰感度和靜電感度測試試驗

按照GJB 5383.6—2005《煙火藥感度和安定性試驗方法〈火焰感度試驗導火索法〉》和GJB 5383.8—2005《煙火藥感度和安定性試驗方法〈靜電火花感度試驗升降法〉》中規(guī)定的方法步驟，分別對點火藥的火焰感度和靜電感度進行了測試。

2.2 抗壓強度測試試驗

依據(jù)GJB 6217《硼/硝酸鉀點火藥規(guī)范》相關(guān)要求[6]，將點火藥壓制成C 型空心藥柱，利用強度試驗機分別測試其軸向和徑向的破碎力。將藥柱放至在強度試驗機的夾頭中心，控制夾頭夾合速度為0.1 mm/s，沿軸向中心施加力做軸向抗壓強度試驗，沿徑向中心施加力做徑向抗壓強度試驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 火焰感度

將定量的點火藥試樣置于火焰感度儀上，使之受到從某一距離的導火索燃燒時，噴出的火焰一次作用，視其是否發(fā)火，用升降法進行統(tǒng)計，并計算其50%發(fā)火距離，即作為點火藥的火焰感度值，數(shù)值越大說明點火藥的火焰感度越高，反之，感度越低。不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥火焰感度測試結(jié)果見表1。

表1 不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥火焰感度

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥火焰感度有明顯的差異，其中使用氟橡膠造粒的硼-硝酸鉀點火藥的火焰感度明顯比其他兩種黏合劑造粒的硼-鉀點火藥更加敏感。這主要是因為，氟橡膠與硼粉能夠發(fā)生預點火反應(yīng)，降低了硼-硝酸鉀點火藥的起始反應(yīng)溫度[7]。火焰作用本質(zhì)上就是熱作用的一種特殊形式。氟橡膠在高溫下熱分解釋放出氟化氫等氣體與硼粉表面的氧化層發(fā)生反應(yīng)，使得更多的硼顆粒暴露出來與硝酸鉀反應(yīng)在更低的溫度下進行，從而降低了硼-硝酸鉀點火藥的起始反應(yīng)溫度，增強了硼-硝酸鉀點火藥的火焰感度。

3.2 靜電感度

靜電火花感度的大小與藥劑本身有關(guān)，但是，在一定程度上也可以反映出火工品的抗靜電能力，因此，測試靜電感度的大小對安全生產(chǎn)和使用是很有必要的。將定量的試樣置于靜電感度儀中，受上下電極的作用，使上下電極之間的間隙為試驗要求的放電間隙，利用靜電火花對藥劑的引燃作用，對試樣進行測試，視其發(fā)火與否，用升降法統(tǒng)計，并計算其50%的發(fā)火電壓，即作為點火藥的靜電感度值。不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥和不含黏合劑的硼-硝酸鉀點火藥（B/KNO3-0#）的靜電感度測試結(jié)果見表2。

表2 不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥靜電感度

從表2 可以看出，氟橡膠和不飽聚酯樹脂造粒的硼-硝酸鉀點火藥靜電感度相當，但較不含黏合劑的硼-硝酸鉀點火藥靜電感度更低；4 種點火藥中，以硝化棉造粒的硼-硝酸鉀點火藥靜電感度最高。以上結(jié)果說明氟橡膠和不飽聚酯樹脂可以降低點火藥的靜電感度，而硝化棉本身就是含能材料，其靜電感度較高，對點火藥的靜電感度有增強作用。

3.3 抗壓強度

不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥抗壓強度測試結(jié)果見表3。

表3 不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥抗壓強度

從表3 可以看出，不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥抗壓強度差異較大，抗壓強度大小順序為B/KNO3-1#〉B/KNO3-3#〉B/KNO3-2#，這與黏合劑本身的強度順序一致，因為在原材料狀態(tài)、藥劑配方相同的情況下，點火藥的機械強度主要與黏合劑有關(guān)。

4 結(jié)論

基于典型配方，制備出的不同黏合劑造粒的硼-硝酸鉀點火藥，以氟橡膠造粒的硼-硝酸鉀點火藥火焰感度最高；以不飽和聚酯樹脂造粒的硼-硝酸鉀點火藥抗壓強度最好；氟橡膠和不飽聚酯樹脂可以降低硼-硝酸鉀點火藥的靜電感度，而硝化棉對硼-硝酸鉀點火藥的靜電感度有增強作用。