顯微方法在發(fā)射藥燃燒殘?jiān)芙庑匝芯恐械膽?yīng)用

張開閂，吳斌，余旭華，鄒志強(qiáng)

(陸軍軍官學(xué)院 四系，安徽 合肥230031)

0 引言

槍炮等身管武器射擊后，內(nèi)膛會(huì)留有附著力極強(qiáng)的殘?jiān)浣M成主要是發(fā)射藥燃燒殘?jiān)蛼煦~(或掛塑)，會(huì)在一定程度上影響武器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，甚至導(dǎo)致膛炸等事故，有必要對其進(jìn)行擦拭。研究表明，身管內(nèi)壁附著性殘?jiān)闹饕煞质俏赐耆紵挠袡C(jī)中間產(chǎn)物或殘藥、彈帶(或閉氣環(huán))的殘留物及燃燒過程中無法完全氣化的降蝕劑、安定劑、消焰劑、原材料中混雜的無機(jī)鹽雜質(zhì)等［1］。目前，常用炮刷機(jī)械摩擦與擦拭劑相配合的方式進(jìn)行身管擦拭［2］，擦拭劑的組成直接決定了身管擦拭的效果。北約國家均使用美國的CLP-ME 系列擦拭劑，其成分未見報(bào)道。部隊(duì)常用方法是用大量汽油、肥皂水或堿性液等反復(fù)清洗擦拭，擦干后再涂防護(hù)油或潤滑脂。這種方法不僅除殘?jiān)Ч^差，且對內(nèi)膛有腐蝕，費(fèi)時(shí)費(fèi)力［3］。

目前，對殘?jiān)芙庑缘难芯客窒抻诓潦眯Ч?，對溶解過程中溶劑體系的滲透性、潤濕性和分散性并無實(shí)時(shí)觀察手段。本文以步槍發(fā)射藥常溫常壓下燃燒殘?jiān)鼮檠芯繉ο?，采用顯微手段觀察溶解過程，通過比較其在不同溶劑中的溶解能力，為研制新型槍炮內(nèi)膛擦拭劑開展了探索。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和試劑

95 式5.8 mm 自動(dòng)步槍發(fā)射藥，制式。

原料:松油醇、煤油、45#變壓器油，合肥學(xué)樂試劑儀器有限公司產(chǎn)，工業(yè)級。

試劑:二甲基亞砜(DMSO)、乙二醇乙醚、三乙醇胺、乙酸異戊酯、脂肪醇聚氧乙烯醚(仲醇AEO-9)、壬基酚聚氧乙烯(10)醚(OP-10)，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

顯微測試:采用湖北潛江市教學(xué)儀器廠5 000 倍數(shù)碼顯微鏡，使用電子目鏡、可調(diào)電光源。

燃燒實(shí)驗(yàn)方法:參考GJB 2378—1995 武器清潔潤滑防護(hù)三用油規(guī)范規(guī)定的方法。常溫、常壓下，將5 g±0.5 g 彈頭火藥粉置于直徑10 cm 瓷蒸發(fā)皿中點(diǎn)燃，燃燒后冷卻，吹去表面非附著性殘?jiān)?，刮取粉末狀殘?jiān)?/p>

溶解率測定:將粉末狀殘?jiān)谠O(shè)定溫度下用擦拭劑浸泡后，置于載玻片上觀察。使用ImageJ 軟件1.46 版，對顯微圖像進(jìn)行黑白二值化色彩分析后，統(tǒng)計(jì)黑色區(qū)域面積減小率作為溶解率。

正交實(shí)驗(yàn):為了選定正交實(shí)驗(yàn)各溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的取值范圍，先考察發(fā)射藥燃燒殘?jiān)诓煌軇┲械娜芙饴?，隨后按照L16(45)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。指標(biāo)項(xiàng)目為發(fā)射藥燃燒殘?jiān)芙饴省?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)诓煌軇┲械娜芙膺^程

20 ℃時(shí)，發(fā)射藥燃燒殘?jiān)芙庥贒MSO 的完整過程如圖1所示。對圖1各相應(yīng)圖像使用ImageJ 軟件進(jìn)行色彩分析，并計(jì)算溶解率，結(jié)果如圖2所示。

由圖1(a)可知，發(fā)射藥燃燒殘?jiān)写嬖诖罅咳苡贒MSO 的半透明物質(zhì)，推測其成分為有機(jī)物。隨著可溶性有機(jī)物的不斷溶解和分散到溶劑中，不溶于DMSO 的無機(jī)物逐步顯現(xiàn)。24 h 后，半透明區(qū)域完全消失，僅余下黑色殘留物如圖1(d)所示，不溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、濃硫酸、甲酸、丙酮等溶劑，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對發(fā)射藥燃燒殘?jiān)募t外光譜及電子能譜分析［4-5］，推測其為發(fā)射藥不完全燃燒形成的積碳。

圖1 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)贒MSO 中的溶解過程(電子目鏡圖像，放大100 倍)Fig.1 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(electronic eyepiece image，×100)

通過分析發(fā)射藥燃燒殘?jiān)贒MSO 中的微觀溶解過程，可知隨著可溶性殘?jiān)牟粩嗳芙?，夾雜在其內(nèi)部的無機(jī)物也逐步得以去除。為了更好地分散掛銅、積碳等無機(jī)物，發(fā)射藥燃燒殘?jiān)潦脛┍仨毧紤]加入清凈分散劑和除積碳性能良好的組分。

2.2 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)娜芙庑?/h3>

20 ℃條件下，考察發(fā)射藥燃燒殘?jiān)诓煌軇┲械娜芙饴?，結(jié)果如圖3所示。

圖2 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)贒MSO 中的溶解過程(使用ImageJ 軟件分析，放大100 倍)Fig.2 Dissolution process of gun propellant combustion residue in DMSO(analysis via software ImageJ，×100)

由圖3可知，極性較強(qiáng)的溶劑對發(fā)射藥燃燒殘?jiān)芙庑砸草^好。根據(jù)高分子溶解的一般規(guī)律，由于發(fā)射藥燃燒殘?jiān)鼮榉蔷B(tài)，其與溶劑的相互作用主要取決于二者的極性和溶解度參數(shù)相近程度?？紤]到槍藥的主要成分為極性較強(qiáng)的硝化纖維，據(jù)此可判斷殘?jiān)泻休^多發(fā)射藥殘留。對溶解過程的顯微觀察表明，極性溶劑對殘?jiān)臐B透能力較高。因此極性溶劑對其有較好的溶解能力，在優(yōu)化擦拭劑配方的研究中應(yīng)當(dāng)保證有足夠的極性溶劑比例。

圖3 不同溶劑對發(fā)射藥燃燒殘?jiān)娜芙饴?放大100 倍)Fig.3 Dissolution ratioes of residue in different solvents (×100)

2.3 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)娜軇┙M成優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用45#變壓器油為基礎(chǔ)油，以發(fā)射藥燃燒殘?jiān)娜芙饴蕿闃?biāo)準(zhǔn)優(yōu)化擦拭劑配方，10 ℃下充分浸泡2 h. 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案及發(fā)射藥燃燒殘?jiān)芙饴蕼y定結(jié)果Tab.1 Factors in the table and the dissolution ratio of residue

極差分析可見，乙二醇乙醚對火藥燃燒殘?jiān)挠绊懽畲?，這可能是由于其極性較高、滲透能力較強(qiáng)［6］(偶極距6.94)。DMSO 的極性雖強(qiáng)(偶極距13.34)，但是極差卻最小，可能與其在低溫下的滲透力較低有關(guān)。三乙醇胺可起到乳化劑和螯合劑作用，AEO-9 主要起到潤濕作用，同時(shí)這兩種溶劑在溶解過程均會(huì)形成氫鍵，有利于殘?jiān)娜芙夂头稚ⅰｏ@微觀察表明，由于溶劑中含有質(zhì)量百分比為4%的清凈分散劑(AEO-9)，溶劑向殘?jiān)顚訚B透速率加快0.5 ～1.0 倍，這應(yīng)當(dāng)與不溶組分順利從已潤濕的殘?jiān)砻嬉瞥嘘P(guān)。

2.4 發(fā)射藥燃燒殘?jiān)牟潦眯Ч?/h3>

采用表1正交實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)13 的溶劑配方，10 ℃條件下，對不銹鋼片上的發(fā)射藥燃燒殘?jiān)? min，用玻璃棒纏繞擦鏡布進(jìn)行擦拭，用力不大于1 N，擦拭前后對比效果如圖4所示。

圖4 鋼片表面擦拭效果比較Fig.4 Cleaning result of steel surface

稱量擦拭前后樣品，可知清除了99.6% 的殘?jiān)?，多次重?fù)實(shí)驗(yàn)均在99%以上，優(yōu)于美軍武器裝備清潔、潤滑、防護(hù)劑標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-63460E(2006)規(guī)定的80%清除率。通過顯微觀察，發(fā)現(xiàn)該溶劑能迅速滲透并潤濕殘?jiān)?/p>

3 結(jié)論

1)發(fā)射藥燃燒殘?jiān)纱罅坑袡C(jī)物和少量無機(jī)物共同組成，難溶的積碳等物質(zhì)會(huì)隨著有機(jī)物的不斷溶解易于去除。

2)發(fā)射藥燃燒殘?jiān)兹苡跇O性較強(qiáng)的溶劑，在設(shè)計(jì)溶劑配方過程中還要綜合考慮各助劑的滲透、潤濕和分散作用。

3)顯微方法能全面、直觀地研究溶劑對發(fā)射藥燃燒殘?jiān)臐B透性、潤濕性和分散性。

此外，本文所述槍藥燃燒殘?jiān)鼮槌?、常壓下獲得，與高溫、高壓下獲得的殘?jiān)诮M成、結(jié)構(gòu)上均有較大差異，在相關(guān)研究中應(yīng)予考慮。

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