水基噴火油料模擬劑研究

吳 昱，畢鵬禹，金青君，劉 喆

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水基噴火油料模擬劑研究

吳 昱，畢鵬禹，金青君，劉 喆

（軍事科學院防化研究院，北京，102205）

針對噴火油料的性狀特點，以水基增稠體系（羧甲基纖維素鈉、殼聚糖、十二烷基硫酸鈉、聚合物鈉鹽）為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究了其表觀粘度、非牛頓流體特性和噴射后坐力等技術(shù)參數(shù)。研究結(jié)果表明：聚合物鈉鹽水溶液具有剪切稀化和彈性恢復效應(yīng)，呈現(xiàn)出非牛頓流體特性；粘度隨聚合物鈉鹽濃度的增加和溫度的降低而增大，該體系在加入適量丙二醇后，可以顯著增強抗凍效果，能夠滿足-10℃的使用要求。此外，該體系的噴射作用模式與現(xiàn)有噴火油料基本吻合，能夠較好地模擬噴射狀態(tài)。

噴火油料；水基；模擬劑；后坐力；非牛頓流體

現(xiàn)役噴火器屬于火藥式噴火器，后坐力較大，持續(xù)時間長，是步槍后坐力持續(xù)時間的100倍以上，無依托射擊極為困難[1-3]?；趹?zhàn)場瞬息萬變的特點，需要進一步加大日常訓練的頻率和難度，最大限度保障自身的安全。然而在600多牛頓的后坐力下直接噴射出如此猛烈的火柱，會使日常訓練的戰(zhàn)士，尤其是新兵，產(chǎn)生一定的恐慌心理，存在極大的安全隱患。因此，有必要研制一種不易燃的噴火油料模擬訓練劑，用以替代在日常訓練中的灌裝、噴射操作等過程，最大限度模擬實際操作，使戰(zhàn)士更快掌握實戰(zhàn)操作要領(lǐng)，增強對噴射后坐力的感知，降低訓練使用中的安全風險。

本文設(shè)計了兩類水基噴火油料模擬劑，并對其表觀粘度、非牛頓流體特性和噴射后坐力等性能進行了對比研究，優(yōu)選聚合物鈉鹽水溶液體系為最終配方，進一步探討了影響該體系性能的各種因素。

1 實驗部分

噴火油料是將凝油粉在汽油中分散，以分子間氫鍵相結(jié)合，構(gòu)筑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所形成的一種粘稠狀的化學膠體。在噴出槍口時，油料會在高壓下剪切變?。粐姵龊?，分子間氫鍵會很快恢復，油料會再次粘稠。這種不同壓力下展現(xiàn)的不同流變性能充分體現(xiàn)了噴火油料的非牛頓流體的特性。根據(jù)噴火油料的特性，兼顧不易燃的要求，確定模擬劑的配方主要由水、增稠劑、助劑等組成。模擬劑溶液屬于觸變性流體[4-5]，內(nèi)部分子的物理團聚或靜電吸引形成的氫鍵，使流體內(nèi)部形成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在外力作用下，微觀上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨剪切時間發(fā)生改變，宏觀上表現(xiàn)出剪切變稀或剪切增稠現(xiàn)象。據(jù)此，選擇增稠劑主要用于改善和增加流體的粘稠度，保持流體的膠質(zhì)狀態(tài)和穩(wěn)定性，使流體可以承受一定溫度范圍內(nèi)的粘度波動。所得到的增稠體系在高剪切速率下，粘度呈下降趨勢。

1.1 試劑與儀器設(shè)備

主要試劑：羧甲基纖維素鈉（試劑純）；殼聚糖（試劑純）；乙酸（分析純）；十二烷基硫酸鈉（試劑純）；椰油酰胺丙基甜菜堿（試劑純）；聚合物鈉鹽（試劑純）；丙二醇（試劑純）。儀器設(shè)備：安東帕爾流變儀MCR102（奧地利）；數(shù)顯粘度計NDJ-8S（上海方瑞儀器有限公司）；后坐力測試裝置。

1.2 實驗方法

1.2.1 水基噴火油料模擬劑制備

（1）纖維素類增稠體系：體系1：準確稱取一定量的羧甲基纖維素鈉，分批次緩慢加入預先加入一定量水的燒杯中，攪拌至完全溶解。體系2：準確稱取一定量的殼聚糖，邊攪拌邊加入到一定質(zhì)量的水中，使其形成懸濁液，繼續(xù)攪拌，滴加乙酸使溶液中乙酸含量為10%，繼續(xù)攪拌至完全溶解。

（2）離子型表面活性劑增稠體系：體系3：準確稱取一定量的十二烷基硫酸鈉，加入一定量的水，攪拌使其完全溶解，然后再加入椰油酰胺丙基甜菜堿攪拌至完全溶解。體系4：準確稱取一定量的聚合物鈉鹽，加入一定量的丙二醇中，攪拌均勻形成懸濁液，再將準確稱取的水快速倒入聚合物鈉鹽-丙二醇懸濁液中，攪拌至完全溶解。

1.2.2 性能測試

表觀粘度測試：在模擬劑中放入3號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速調(diào)至0.3r/min，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄凝膠表觀粘度。

三段式觸變性測試：夾具采用20mm的不銹鋼平板，樣品臺與夾具間的測量間距為1mm，第1段低速剪切速率（0.25/s），第2段高速剪切速率（1 000/s），第3段低速剪切速率（0.25/s），記錄體系的粘度隨時間的變化曲線。

后坐力測試：噴火時噴槍受到向后及側(cè)擺的力，本次試驗主要測向后產(chǎn)生的后坐力。采用壓電式測力傳感器進行測量，試驗用噴槍在專用槍架上夾持，與專用槍架一起后坐運動，撞擊壓電式力傳感器，傳感器輸出的電荷信號經(jīng)電荷放大器調(diào)理后送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后便可獲得噴槍運動過程中后坐力隨時間的變化規(guī)律曲線。后坐力測試裝置見圖1。

圖1 后坐力測試裝置圖示

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 纖維素類增稠體系粘度

纖維素類增稠體系在靜態(tài)或低剪切速度時，纖維素分子鏈處于無序狀態(tài)而使體系呈現(xiàn)高粘性；而在高剪切速度時，分子平行于流動方向做有序排列，易于相互滑動，所以體系粘度下降。

圖2為體系1、體系2粘度隨濃度的變化曲線圖。

圖2 纖維素類水溶液粘度隨濃度的變化曲線

由圖2可見，隨著纖維素加入量的逐漸增加，兩種體系粘度保持上升趨勢。體系1濃度在15%時，粘度為146Pa?s，而在濃度為20%時，粘度則迅速上升到699Pa?s，此時體系1的流動性開始變差；體系2濃度在8%時，粘度為169Pa?s，濃度為10%時，粘度也迅速上升至815 Pa?s，此時體系2中已有明顯凝聚物吸附在燒杯底部。

圖3為不同濃度的體系1、體系2在固定剪切速率（0.3r/min）下的剪切粘度變化結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，在一定的剪切速率下，隨著時間的延長，同一濃度的水溶液粘度基本不變，說明水溶液內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在纏結(jié)與解纏結(jié)中處于動態(tài)平衡。

圖3 不同濃度纖維素類水溶液在恒定速率下的剪切粘度

圖4是體系1、體系2在不同濃度下的三段式觸變性測試結(jié)果。

圖4 不同濃度纖維素類水溶液的三段式觸變性測試結(jié)果

穩(wěn)態(tài)剪切實驗表明：隨著剪切速率的增加，纖維素類水溶液的粘度急劇下降，說明存在剪切稀化現(xiàn)象。這應(yīng)該是水溶液在高剪切應(yīng)力的作用下，相互纏繞形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，存在解纏結(jié)行為，有拉直傾向；在恢復低速剪切力后，又重新纏結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有彈性回復效應(yīng)?？梢?，這兩種纖維素類水溶液在一定條件下，表現(xiàn)出類似于噴火油料的非線性粘彈性，能夠滿足模擬訓練劑的形態(tài)要求。

2.2 離子型表面活性劑增稠體系粘度

離子型表面活性劑多為水溶性直鏈高分子聚合物，遇水膨脹，吸濕性極強，具有親水和疏水基團，緩慢溶于水可形成粘稠的透明液體。其增稠特性與纖維素類水溶液不同，是由分子內(nèi)的陰離子基團使分子鏈增長，從而使表現(xiàn)粘度增大形成高粘性溶液。

圖5為體系3和體系4粘度隨濃度的變化曲線。體系3溶液外觀為半透明可流動粘稠液體，有明顯拉絲及彈性，但粘度值上限在40Pa?s左右，粘度值偏小，不再作考慮；體系4中丙二醇為10%，聚合物鈉鹽濃度為2%時，粘度成倍增大，達到766Pa?s，同時體系流動性變差。

圖6為不同濃度的體系4在固定剪切速率下（0.3r/min）的剪切粘度變化結(jié)果，圖7為體系4在不同濃度下的三段式觸變性測試結(jié)果。從圖6~7可以看出，體系4也表現(xiàn)出類似于噴火油料的非線性粘彈性。

圖5 離子型表面活性劑水溶液粘度隨濃度的變化曲線

圖6 不同濃度體系4在恒定速率下的剪切粘度

圖7 不同濃度體系4三段式觸變性測試結(jié)果

上述4種體系在20℃時，都具有一定的粘度，水溶液具有明顯拉絲及彈性。但在實際應(yīng)用中，20℃時噴火油料粘度在150~200Pa?s范圍內(nèi)噴射效果更好，并且在一定的使用溫度下，粘度均大于使用下限100Pa?s，因此模擬劑的表觀粘度也應(yīng)參考此粘度范圍。據(jù)此，體系1濃度選擇15%左右，體系2濃度選擇8%，體系4選擇1%。

2.3 后坐力測試結(jié)果與分析

噴火油料及體系1、體系2、體系4的后坐力測試曲線見圖8。

圖8 后坐力測試曲線

由圖8可以看出，噴射過程中噴火油料最大后坐力值為871.8N，整個噴射狀態(tài)持續(xù)380ms。而體系1、體系2后坐力持續(xù)時間極短，在噴射過程中出現(xiàn)間斷噴射現(xiàn)象，不能實現(xiàn)連續(xù)噴射，說明這兩種體系形成的膠體脆性高、表面張力大，在瞬間容易產(chǎn)生“堵塞”現(xiàn)象，不能較好地模擬噴射狀態(tài)。此外這兩種體系配制時，在水中的溶脹時間較長，水溶液的拉絲效果不好，粘彈效果差。體系4的后坐力測試曲線與噴火油料接近，其后坐力平均值、最大值均略高于噴火油料，因此，最終確定將體系4作為模擬劑，并進行相關(guān)的性能研究。

2.4 聚合物鈉鹽水溶液（體系4）性能研究

2.4.1 丙二醇加入量對低溫穩(wěn)定性及粘度的影響

聚合物鈉鹽濃度為1%，丙二醇加入量分別為10%、20%、22%、24%、26%、28%、30%、40%。將配制好的聚合物鈉鹽水溶液在低溫貯存4h后測試其粘度，并觀察冷貯前后聚合物鈉鹽的狀態(tài)變化。

表1 低溫下不同丙二醇濃度的聚合物鈉鹽水溶液粘度及外觀變化

Tab.1 Viscosities and appearance changes of polymer sodium salt with different concentrations of propylene glycol under low temperature

表1中冷貯溫度分別為0℃、-10℃、-15℃、-25℃。由表1可見，各樣品在0℃時均能保持粘稠狀，具有流動性；在-10℃、-15℃、-25℃凝固狀態(tài)對應(yīng)的丙二醇加入量分別為10%、24%、30%；在-25℃時，丙二醇含量為40%的樣品外觀保持不變。隨著丙二醇濃度的增加，聚合物鈉鹽水溶液的抗凍效果顯著提升，但同時粘度呈下降趨勢，拉絲效果逐漸變差。當丙二醇加入量為30%時，聚合物鈉鹽水溶液粘度在使用下限100Pa?s左右。因此，結(jié)合實際訓練條件，確定丙二醇的加入量為20%。

2.4.2 溫度對粘度的影響

聚合物鈉鹽濃度為1%，丙二醇加入量為20%，將按此濃度配制的聚合物鈉鹽水溶液分別在-10℃、0℃、20℃、30℃、40℃、50℃溫度下貯存24h后測試其粘度變化，結(jié)果如圖9所示。

圖9 聚合物鈉鹽水溶液粘度隨溫度變化的曲線圖

由圖9可以看出，聚合物鈉鹽水溶液粘度隨著溫度的升高呈下降趨勢，溫度到50℃時，粘度下降50%，說明溫度對聚合物鈉鹽水溶液粘度影響較大。結(jié)合實際訓練時的溫度條件，為保證聚合物鈉鹽水溶液在一定范圍溫度波動下的粘度在100Pa?s以上，確定聚合物鈉鹽水溶液的使用溫度最低為-10℃，最高為35℃。

2.4.3 剪切力對粘度的影響

在不同轉(zhuǎn)速下測定聚合物鈉鹽水溶液的粘度，測定溫度20℃。轉(zhuǎn)速分別設(shè)為0.3 r/min、0.6 r/min、1.5 r/min、3 r/min、6 r/min、12 r/min、30 r/min、60 r/min，繪制粘度計轉(zhuǎn)速——粘度曲線圖，見圖10。

圖10 聚合物鈉鹽水溶液粘度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖10中，隨著粘度計轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子的剪切力增大，當轉(zhuǎn)速從0.3 r/min增大到6 r/min時，聚合物鈉鹽水溶液粘度快速下降，轉(zhuǎn)速再繼續(xù)增大后，粘度趨于平緩，接近于0。因此在使用時，應(yīng)在聚合物鈉鹽水溶液體系穩(wěn)定后再進行操作。

2.4.4 貯存時間對粘度的影響

將上述配制的聚合物鈉鹽水溶液分別在20℃、25℃時貯存1d、3d、7d、15d、21d，測試其粘度變化，結(jié)果見圖11。

由圖11可知，聚合物鈉鹽水溶液在存放過程中，粘度緩慢下降，15d之后粘度趨于平緩，粘度值大于100Pa?s。為保證使用效果，擬定聚合物鈉鹽水溶液在配制后15d內(nèi)可以使用。

圖11 聚合物鈉鹽水溶液粘度隨貯存時間的變化

3 結(jié)論

本文對水基噴火油料模擬劑的增稠體系進行了分析研究，優(yōu)選出聚合物鈉鹽水溶液模擬劑。研究顯示：聚合物鈉鹽水溶液體系具有明顯的非牛頓流體特性，粘度隨剪切力的增大而減小，并有彈性回復效應(yīng)；粘度隨聚合物鈉鹽濃度的增大而增大，隨丙二醇濃度的增大而減?。槐伎梢悦黠@增強聚合物鈉鹽水溶液的抗凍效果；最終確定的聚合物鈉鹽濃度為1%、丙二醇為20%的模擬劑可以在-10~35℃使用；溫度升高會使模擬劑粘度顯著下降；模擬劑在15d之內(nèi)不影響使用。

聚合物鈉鹽水溶液噴射作用模式基本與現(xiàn)有噴火油料吻合，后坐力略高，能夠較好地模擬噴射狀態(tài)；同噴火油料相比，模擬劑的配制無需加壓催熟，無腫脹時間，不易燃，易清洗，可以做到隨調(diào)隨用，具有安全可靠的優(yōu)點。

[1] 陸明旭,邵向東.中國02式系列輕型噴火器[J].兵器知識，2009(10) : 34-35.

[2] 陳宏達.噴火器的戰(zhàn)術(shù)運用[J].武器分析與介紹, 2002(7): 19.

[3] 閻治華,張高林.噴火器的戰(zhàn)例運用[J].兵器知識，2009(10): 36-37.

[4] 劉海燕, 龐明軍, 魏進家. 非牛頓流體研究進展及發(fā)展趨勢[J]. 應(yīng)用化工, 2010, 39 (5): 740-742.

[5] 胡圣飛,李慧,胡偉,陳祥星.觸變性研究進展與應(yīng)用綜述[J]. 湖北工業(yè)大學學報, 2012, 27 (2): 57-60.

Study on the Water-based Simulant of Napalm Gasoline

WU Yu，BI Peng-yu，JIN Qing-jun，LIU Zhe

(Chemical Defense Institute of Academy of Military Science, Beijing , 102205)

A detailed insight into the technical parameters of napalm gasoline was gained, by researching the apparent viscosity, property of non-Newtonian fluid, recoil force, etc. of a water-based thickener system (including sodium carboxymethyl cellulose, chitosan, Sodium dodecyl sulfate) as a simulant. The results demonstrate the effect of both shear thinning and elastic recovery, which corroborates the characteristic of a non-Newtonian fluid of the polymer sodium salt, meanwhile, the apparent viscosity of the simulant was increased by raising the concentration of polymer sodium salt or reducing the temperature. With the addition of propylene glycol, the simulant exhibited obvious freezing resistance effect resulting in satisfying performance under -10°C. Moreover, the analogous ejecting patterns between this water-based simulant and the napalm gasoline present comparable recoil force, which indicate the good simulation effect on injection state.

Napalm gasoline；Water-based；Simulant；Recoil force；Non-Newtonian fluid

1003-1480（2019）02-0006-05

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.002

2019-02-11

吳昱(1978-)，女，副研究員，從事軍事化學與煙火技術(shù)研究。