烟火药剂用铝粉钝化实验及性能研究

王辉

【摘 要】Aluminum powder is a very broad use of the additive, but it is easy to be oxidized. In hot and humid environment, if aluminum powder have not passivation the performance of pyrotechnic would severely be affected. So in the actual production and studying, carrying out on aluminum passivation is necessary and very important. In this paper, with solid-phase coating method, stearic acid was used as a passivation agent, aluminum powder was coated in physical method, and its performance before and after (antioxidant)was tested. It shows that the oxidation resistance of passivation aluminum was enhanced with the increaseing of the content of stearic acid, and combination of light-emitting signals in the application of agent performance, that aluminum passivation in 5% stearic acid content of the coating to achieve the best results, excessive use of stearic acid and can not be coated to achieve better results.%铝粉是一种用途极广的添加剂,在高温高湿的环境下极易氧化.如果不经过钝化处理,则会严重影响烟火药的性能,所以在实际的生产和研究中,对铝粉进行钝化处理是必要和非常重要的.本文通过固相包覆法,使用硬脂酸作为钝化剂,对铝粉进行物理包覆,并对其前后的性能(抗氧化性)进行了测试.结果表明,随着硬脂酸含量的增加,钝化铝粉的抗氧化性呈增强的趋势,结合在发光信号剂中性能情况,当铝粉钝化处理中硬脂酸含量为5％时,达到最理想的包覆效果,硬脂酸含量的增加不能达到更好地包覆效果. 【期刊名称】《舰船科学技术》

【年(卷),期】2012(000)004 【总页数】4页(P128-131)

【关键词】铝粉;抗氧化性;钝化;烟火药 【作 者】王辉

【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一○研究所,湖北宜昌443003 【正文语种】中 文 【中图分类】TJ53 0 引言

烟火药是一种特殊的含能材料。为了达到所要求的性能，烟火药中经常加入铝粉等金属粉。铝粉的粒度、形状和粘合剂的含量对烟火药剂的感度有重大影响。本文通过研究超细铝粉的钝化方法和工艺流程的设计、钝化剂硬脂酸的选择以及对其钝化后的性能(抗氧化性)进行测试，结合加入钝化铝粉后发光信号剂的实验数据，得出硬脂酸合适比例达到钝化铝粉的抗氧化性呈增强的趋势。 1 制备钝化铝粉实验 1.1 试验方法

采用固相包覆方法中的湿混法，即用硬脂酸将铝粉进行有机包覆。根据钝化效果的要求，由经验、理论计算和实验调整得出钝化效果，最后对钝化的效果进行测试。 1.2 实验原理

本次实验是通过异相成核来实现的，铝粉作为结晶中心，硬脂酸作为客体吸附在铝粉的表面。借助某些固相基质表面促进晶核形成称为异相成核，异相成核是分子链

依附于残留在熔体中的各种杂质粗糙表面上的有序排列，在杂质与熔体分子间产生某些化学结合力(如氢键)的情况下所生成的有序排列就更为快速稳定，它们在较高的温度下即能成核结晶。

硬脂酸是一种广泛应用于炸药与烟火药中的钝感剂，其熔点为69～70℃。将其加入装有100 mL蒸馏水的广口瓶中进行水浴加热，将水浴温度设定为75℃，当达到设定温度后，硬脂酸将溶解，然后将铝粉倒入广口瓶中搅拌，将水浴温度设定为25℃，持续搅拌，当温度降到69℃以下后，硬脂酸将凝固。通过异相成核，硬脂酸凝固时将选择铝粉表面进行粘附，当温度达到常温时便得到钝化了的铝粉。 得率的计算公式为:

1.3 工艺流程

用硬脂酸钝化铝粉的制备工艺流程如图1所示。

图1 湿混法硬脂酸包覆铝粉的工艺流程Fig.1 Technical flow of using stearic acid to coat aluminum powder by wet mixing 1.4 实验结果与讨论 1.4.1 实验现象

1)硬脂酸刚开始不溶于水并浮在水面上。

2)水浴温度达到75℃时搅拌30 min后，广口瓶中溶液变为白色混浊溶液。 3)铝粉加入到广口瓶后得到灰色混浊溶液，广口瓶内壁粘有一些铝粉。 1.4.2 实验结果

钝化铝粉质量与得率数据如表1所示。

由于硬脂酸的熔点是69.6℃，当水浴温度达到75℃时硬脂酸处于熔融状态，继续搅拌30 min后硬脂酸才完全溶解，得到白色混浊溶液。 2 抗氧化性实验

2.1 实验原理

铝粉是一种极易氧化的金属粉，特别是在南方和海上自然环境下，湿度比较大，温度比较高，如果不经过钝化处理则极易氧化。本实验将模拟高温高湿的自然环境，通过比较钝化前后铝粉的质量变化，来检测用硬脂酸钝化铝粉的效果。

将定量试样置于规定的温度和湿度下，当试样中养分达到平衡时测试试样质量变化，计算出试样的氧化性。试样氧化性计算公式如下:

式中:Wi为试样在规定温度下氧化的质量分数的数值，%;为氧化前第i次称量时试样和称量瓶的质量的数值，g;为氧化后第i次称量时试样和称量瓶的质量的数值，g;M为试样的质量数值，g。

在配制饱和溶液时，在溶液中应该有多余的固体盐，以确保其饱和度。当使用饱和盐溶液时，凡能产生对试样有害的腐蚀性气体的盐类不应使用。硝酸钾饱和溶液的相对湿度如表2所示。

2.2 实验过程

1)将恒温烘箱温度设定为50℃±2℃。

2)称量瓶在装有湿度控制剂溶液的干燥器Ⅰ内恒量后，盖上盖子再置于内装有指示性干燥剂的干燥器Ⅱ内放置30 min后称量，用分析天平称量得 ① 号瓶重18.9746 g(不含盖子)，② 号瓶重19.2789 g(不含盖子)，盖上盖子妥善放置以备用。

3)用分析天平从试样中称取1 g铝粉，将称量好的铝粉倒入称量瓶中，标好标签，打开盖子后放在培养皿上，然后将培养皿放入烘箱中烘10 h。

4)将烘箱中的称量瓶取出，盖好盖子，将称量瓶放入内装指示剂的干燥器Ⅱ中，放

置30 min后，取下称量瓶盖子，称取称量瓶的重量，记录数据。 5)将称量瓶放在托盘上，打开盖子，然后放入恒温烘箱中烘1 h。

6)将烘箱中的称量瓶取出，盖好盖子，将称量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下称量瓶盖子，称取称量瓶的重量，记录数据。如此循环，直至连续2次的称量差不大于0.000 3 g为止。

7)将装有试样的称量瓶置于恒温烘箱中的内盛湿度控制剂溶液的干燥器Ⅰ中，打开称量瓶盖子，盖好干燥器Ⅰ的盖子，恒温放置24 h。

8)取出称量瓶，盖好盖子，将称量瓶放入内装指示剂的干燥器Ⅱ中，放置30 min后，取下称量瓶盖子，称取称量瓶的重量，记录数据。

9)将称量瓶放在托盘上，打开盖子，然后放入恒温烘箱中再烘1 h。

10)将烘箱中的称量瓶取出，盖好盖子，将称量瓶放入干燥器Ⅱ中放置30 min，取下称量瓶盖子，称取称量瓶的重量，记录数据。如此循环，直至连续2次的称量差不大于0.0003 g为止。 2.3 实验结果

1)经过了钝化处理的铝粉氧化前后没有明显变化，未经过钝化处理的铝粉氧化后表面有发黑现象。

2)不同组分的钝化铝粉质量及其氧化性数据如表3所示。

铝粉在保证烟火药的某些性能时起到相当重要的作用。由于铝粉在自然条件下防潮性差和极易氧化， 和

所以未经过钝化处理的铝粉氧化后表面有一层黑色的薄层。 由实验数据可以得出硬脂酸含量与铝粉氧化性曲线如图2所示。

图2 硬脂酸含量与铝粉氧化性关系图Fig.2 Oxidability of aluminum powder as a function of the content of stearic acid

由图2可清晰地看到，随着硬脂酸含量的增加，铝粉的氧化性变得更小，钝化效果将更好。其原因是钝化处理的铝粉表面有一层硬脂酸薄膜，大大降低了铝粉与空气中水蒸气和氧气的接触机会，所以其钝化前后的质量变化很小。由于不同硬脂酸含量的钝化铝粉与空气接触的机会不同，其含量越高，铝粉与空气接触的机会就越少，所以氧化的更少，氧化性越低。由图2可还可以看出，硬脂酸含量在0% ～4%之间的曲线很陡峭，铝粉氧化性变化很大，硬脂酸含量在4% ～8%之间的曲线很平滑，铝粉的氧化性变化不是很大，而在实际生产中，8%的硬脂酸含量的钝化铝粉生产成本要比5%的硬脂酸含量的钝化铝粉生产成本要多得多。 各铝粉加入到发光信号剂中所得的光照强度数据如表4所示。

硬脂酸含量与发光信号剂发光强度关系如图3所示。

由图3可知，硬脂酸含量在0% ～4%之间的曲线相对于4%～8%的曲线要平缓一点。由此可见，过量的硬脂酸含量会严重影响发光信号剂的发光强度。而且药剂中铝粉被硬脂酸包覆后，引燃药剂中铝粉，必须先把铝粉外的硬脂酸融化，融化硬脂酸需消耗点火药的一部分热量，因此点火难度增大。硬脂酸含量越多，点火难度越大。

图3 硬脂酸含量与发光型号剂发光强度关系曲线图Fig.3 Luminance intensity as a function of the content of stearic acid 3 结语

本文通过对烟火药剂使用铝粉的实际过程中存在的氧化问题，研究了超细铝粉的钝化方法和工艺流程的设计、钝化剂硬脂酸的选择以及对其钝化后的性能(抗氧化性)进行了测试，结合加入钝化铝粉后发光信号剂的实验数据，得出硬脂酸合适比例达

到钝化铝粉的抗氧化性呈增强的趋势。

1)以硬脂酸为钝化剂，采用固相物理包覆法，成功实现了铝粉的钝化。

2)性能测试结果表明，随着硬脂酸含量的增加，钝化铝粉的抗氧化性呈增强的趋势。 3)5%的硬脂酸含量能达到较好的钝化效果和较低的生产成本，结合在发光信号剂性能应用情况，铝粉钝化处理中硬脂酸的含量为5%时达到最理想的包覆效果，过多硬脂酸的使用并不能达到更好地包覆效果。 参考文献:

［1］潘功配.高等烟火学［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.8.

［2］彭金华，陈网桦，苏华，等.铝粉对含铝炸药水中爆炸能量输出特性的影响研究［J］.安全与环境学报，2004，(S1):177－179.

［3］李苗苗，宋洪昌，汪越，等.铝粉含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化［J］.含能材料，2008，16(3):319－323.LI Miao-miao，SONG Hong-chang，WANG Yue，et al.Modeling effects of aluminum content and particle size on NEPE combustion performance［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2008，16(3):319 －323.

［4］高东磊，张炜，朱慧，等.纳米铝粉在复合推进剂中的应用［J］.固体火箭技术，2007，30(5):420 －423.GAO Dong-lei，ZHANG Wei，ZHU Hui，et al.Application of nano-aluminum in composite propellant［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2007，30(5):420 －423.

［5］朱艳辉，高俊国，张倩，等.含金属粉点火药的吸湿性研究［J］.爆破器材，2007，36(2):15 －17.ZHU Yan-hui，GAO Jun-guo，ZHANG Qian，et al.The study on hygroscopicity of ignition composition including metals［J］.Explosive Materials，2007，36(2):15 －17.

［6］潘功配.现代烟火技术的新进展［J］.含能材料 1995，3(1):14－18.PAN

Gong-pei.New progress on modern pyrotechnics［J］.Energetic Materials，1995，3(1):14 －18.

［7］倪红卫，茅洪祥，高运明.金属镁粒钝化处理的试验研究［J］.炼钢，2000，16(1):23 －26.NIHong-wei， MAO Hong-xiang， GAO Yun-ming.Experment and research on magnesium powder passivation［J］.Steelmaking，2000，16(1):23 －26.

［8］李利君.颜料铝粉的表面包覆改性及在涂料中的应用［D］.广州:华南理工大学，2008.