二羥基乙二肟鉀在鈍感發(fā)射藥中的應用

陳 斌，劉 波，姬月萍，王瓊林，高福磊，魏 倫

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

近年來，為了提高身管武器系統(tǒng)的威力，對發(fā)射藥大量采用鈍感包覆技術及高裝填密度和底部點火等裝藥技術。這些技術在提高身管武器總體性能的同時，加劇了炮口煙焰的形成，已成為制約高性能身管武器性能發(fā)揮的主要因素［1－5］。通常采用添加硫酸鉀、硝酸鉀等鉀鹽消焰劑來抑制或消除膛口火焰。消焰劑應滿足相容性好、不吸潮、不影響彈道性能等要求［6－7］。但是，傳統(tǒng)的無機鉀鹽吸濕性大，在裝藥過程中容易吸收空氣中的水分而結塊，影響消焰效果。劉波等［8］研究的有機鉀鹽AK、BK 不存在吸濕的情況，但由于其分子結構中低氧高碳氫含量，在使用中產生的煙霧比較大，從而影響其實際應用。因此開展不吸濕的新型高效消焰劑研究有重要意義。

二羥基乙二肟具有高氧低碳氫含量、燃溫低、燃燒無煙及燃后殘渣少等特點［9－10］，本研究利用其結構中的活潑氫，以鹽酸羥胺為原料，引入鉀離子，通過肟化成鹽得到目標化合物，將其作為消焰劑，應用于鈍感發(fā)射藥裝藥中，對槍口煙焰有明顯的抑制作用，并且燃燒后無煙，殘渣少，內彈道性能也有所提高，具有廣泛的應用前景。

1 實 驗

1．1 二羥基乙二肟鉀（DHGK）的合成

1．1．1 試劑與儀器

鹽酸羥胺、氫氧化鉀、草酸二乙酯、無水乙醇，均為市售分析純。

NEXUS 870 型傅里葉變換紅外光譜儀，美國熱電尼高力公司；AV 500型（500MHz）超導核磁功能共振儀，瑞士BRUKER 公司；VARIO－EL－3 型元素分析儀，德國ELEMENTAR 公司。

1．1．2 合成與表征

在裝有攪拌器、溫度計及冷凝器的四口瓶中加入鹽酸羥胺（280g，4mol），再加入600mL水和400 mL無水乙醇，攪拌至溶解；將氫氧化鉀（224g，4mol）溶于250mL水中，并滴加到上述鹽酸羥胺溶液中，水浴控溫20～30℃；滴加完畢后繼續(xù)保溫1．5h，停止反應，得到羥胺溶液。取136mL草酸二乙酯（1mol）與150mL無水乙醇混合均勻，氫氧化鉀（112g，2mol）溶于200mL水中；將配好的草酸二乙酯與氫氧化鉀溶液同時緩慢滴加至上述所得羥胺溶液中，水浴控溫20～30℃，體系逐漸呈白色懸濁狀；滴加完畢后繼續(xù)保溫1h，過濾反應液、干燥后得白色粉狀固體98．1g，收率62．1%。

1HNMR（DMSO－d6）：δ，9．149（s，2H，N－OH），11．445（s，1H，C－OH）。IR（KBr），υ（cm－1）：3 258（－OH），1 637（C＝N），1 238（C－O），944（N－O）。元素分析（C2H3N2O4K，%）：實測值，C 14．9，H 1．91，N 17．5，O 40．0，K 25．2；計 算 值，C 15．2，H 1．90，N 17．7，O 40．5，K 24．7。該化合物結構中含有一個羥基，兩個肟基，故判斷其結構中只含有一個鉀原子，說明所得物質為目標化合物。

1．2 DHGK 在發(fā)射藥中的應用

1．2．1 發(fā)射裝藥的制備

首 先 將 鉀 鹽DHGK、AK［12］、BK［12］、K2SO4、KNO3研磨并過106μm 標準篩備用，然后將雙基吸收藥（組分質量分數(shù)：NC85．0%，NG13．0%，C22．0%）經(jīng)成球、烘藥、篩分、鈍感、烘藥等工序制備出鈍感發(fā)射藥，再用包覆工藝制備成適用于5．8mm通用普通彈發(fā)射裝藥樣品。鉀鹽在鈍感工序加入，質量分數(shù)均為2%。

1．2．2 儀器

采用符合WJ2127－93方法102規(guī)定的5．8mm通用普通測速、測壓彈道槍及彈部件。

GX－3型高速彩色攝像機，感光度1280×1024點，感光類型為CMOS，感光尺寸為12μm×12μm；DVR Express cl160采集卡，全分辨率格式下速度為500f／s，最快速度為5000f／s，圖像輸出格式為8bit彩色或灰度；煙霧收集箱；1108型氧彈儀，美國PARR公司。

1．2．3 測試方法

采用B 門照相法進行槍口火焰性能評價。試驗溫度（20±2）℃，相對濕度60%±15%。采樣速度4 000f／s，曝光速度200μs，光圈2．8，增益為98，增益表示火焰面積的放大倍數(shù)?；鹧婷娣e由專業(yè)圖像軟件測出長、寬并計算出面積。火焰輻射溫度由專業(yè)圖像軟件并通過一定的計算公式計算得出。

采用發(fā)射藥槍口煙霧濃度測試系統(tǒng)（煙箱法）測試槍口煙霧，結果以光透過率表示。

采用氧彈法測量燃燒殘渣，結果以殘渣百分比表示。

按 照 GJB349．4－87 方 法 測 試 初 速；按 照GJB349．5－87測試膛壓。

2 結果與討論

2．1 鉀鹽的性能

DHGK、制式消焰劑硫酸鉀、硝酸鉀和有機鉀鹽AK、BK 的主要性能如表1所示，其中溶解性能按照GB／T21845－2008 方法測試，吸濕性能 按照GJB770B－2005火藥試驗方法404．1吸濕性干燥器平衡法測試。

表1 5種消焰劑的性能Table 1 The properties of five kinds of flame inhibitors

從表1可以看出，無機鉀鹽的溶解性和吸濕性都比較大，但鉀含量較高。DHGK、AK 等有機鉀鹽的溶解性和吸濕性都比較小，但鉀含量比無機鉀鹽低。

2．2 有機鉀鹽的消焰效果

消焰劑質量分數(shù)為2%的鈍感發(fā)射藥裝藥，裝藥量為1．6g，初速為912m／s，膛壓為279．4MPa，采用B門照相法測試槍口火焰，結果如表2 所示，其中T 為火焰溫度，A 為火焰面積。

表2 消焰劑對槍口火焰的影響Table 2 Effect of flame inhibitor on the muzzle flame

從表2可以看出，添加鉀鹽消焰劑可以使槍口火焰面積和火焰溫度有較大幅度的降低，其中DHGK消焰劑使火焰面積減小70．7%，火焰溫度下降445K。當彈丸從膛口射出之后，具有很大壓力勢能的高溫高壓火藥燃氣以極高的速度從膛內噴射出來，燃氣（主要為H2、CO 等）與空氣混合形成燃料／氧化劑混合物，在高溫下燃料與氧氣生成H、OH 和O 自由基促進點火和燃燒，發(fā)生氣相連鎖反應，形成二次火焰。由于添加了鉀鹽消焰劑，鉀離子能有效地消除自由基，阻止氣相鏈反應的進行，起到了消焰的作用。

與制式消焰劑K2SO4和KNO3相比，含DHGK 消焰劑的槍口火焰面積小1．8%左右，而且火焰溫度也低4．6%；與有機鉀鹽AK 和BK 相比，含DHGK 消焰劑發(fā)射藥裝藥的槍口火焰面積減小45%左右，火焰溫度低3．2%；說明DHGK 的消焰效果良好。這是因為DHGK 具有低燃溫和高氮氧低碳氫含量的特點，有利于降低發(fā)射藥的燃氣溫度和燃氣中可燃氣體的濃度，更有利于抑制槍口火焰。

2．3 含有機鉀鹽發(fā)射藥的煙霧

消焰劑質量分數(shù)2%的鈍感發(fā)射裝藥，裝藥量為1．6g，初速為912m／s，膛壓為279．4MPa，采用煙箱法對5．8mm 彈道槍的槍口煙霧進行測試，考察了不同消焰劑對槍口煙霧的影響，光透過率（T）結果見表3。

表3 消焰劑種類對槍口煙霧的影響Table 3 Effect of the type of flame inhibitor on the muzzle smoke

從表3可以看出，添加消焰劑后，槍口煙霧透過率逐漸降低，說明煙霧濃度增加。這是由于添加鉀鹽消焰劑后，燃燒產生金屬粒子或金屬氧化物，在槍口形成煙霧。含無機鉀鹽K2SO4和KNO3煙霧濃度較有機鉀鹽DHGK、AK 和BK 大，與其鉀含量較高有關。DHGK 中的鉀含量與AK 和BK 相當，但煙霧濃度較小，這是由于其分子結構具有高氧低碳氫（氧質量分數(shù)40%）的特點，故在實際應用中產生的煙霧比AK 和BK 小。

2．4 有機鉀鹽對發(fā)射藥燃燒殘渣的影響

采用氧彈法測試制備的鈍感發(fā)射藥的燃燒殘渣，結果表明，當消焰劑分別為DHGK、AK、BK、K2SO4和KNO3時，燃燒殘渣與發(fā)射藥試樣的質量比分 別 為12．97%、11．95、9．29%、19．73% 和15．54%。

可以看出，有機鉀鹽DHGK、AK、BK 的燃燒殘渣較小，K2SO4、KNO3燃燒殘渣較大，其燃燒殘渣量大小順序為K2SO4＞KNO3＞DHGK＞AK＞BK，與表1中消焰劑鉀含量K2SO4＞KNO3＞AK、DHGK＞BK 的順序相一致。這是因為發(fā)射藥配方中不可燃的金屬化合物產物是殘渣的主要來源，燃燒殘渣數(shù)量隨著金屬元素含量的增加而增加。

2．5 有機鉀鹽對發(fā)射藥內彈道性能的影響

采用5．8mm 通用普通測速彈道槍測試初速，采用5．8mm 通用普通測壓彈道槍測試膛壓，結果如表4所示，初速、膛壓為5發(fā)試驗的平均結果。

表4 發(fā)射藥5．8mm 內彈道試驗的結果Table 4 Results of the 5．8mm interior ballistic test for gun propellants

從表4可以看出，在裝藥量相當?shù)那闆r下，與添加常規(guī)消焰劑K2SO4和KNO3的發(fā)射藥裝藥相比，添加AK、BK 和DHGK 后鈍感發(fā)射裝藥的初速分別提高1．2%和6．6%，而膛壓基本相當。由于DHGK 分子結構中含有C、H、O、N，屬于含能化合物，因此，添加DHGK 有利于發(fā)射藥裝藥初速的提高。同時由表4可看出，添加DHGK 后發(fā)射裝藥的初速跳差、壓力跳差比添加常規(guī)消焰劑K2SO4、KNO3的小。說明添加DHGK 的發(fā)射裝藥在提高彈丸初速的同時也具有較好的燃燒穩(wěn)定性。

3 結 論

（1）以鹽酸羥胺為原料合成出DHGK，用紅外光譜、核磁共振及元素分析對化合物結構進行了表征。

（2）有機含能鉀鹽DHGK 具有低燃溫、高氮氧低碳氫的特點，作為消焰劑具有良好的消焰效果，可使火焰面積減少71．4%，火焰溫度下降近400K。與制式消焰劑K2SO4和KNO3相比，槍口火焰面積小1．8%左右，而且火焰溫度也低4．6%。

（3）與制式消焰劑K2SO4和KNO3相比，有機鉀鹽DHGK 的煙霧和殘渣較小，有利于在消焰的同時減少槍口的煙霧。

（4）與添加制式消焰劑K2SO4和KNO3的發(fā)射裝藥相比，采用添加DHGK 的鈍感發(fā)射裝藥能夠提高彈丸初速，并且具有較好的燃燒穩(wěn)定性。

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