第29卷第3期四川兵工学报2008年6月【兵器与装备】
马忠亮，吴昊，何利明，肖忠良
(中北大学化工与环境学院，太原030051) 摘要：为了研究一种HAN基凝胶发射药的性能，以硝酸羟胺(HAN)为
主氧化剂，硝酸铵(AN)为辅助氧化剂，聚乙汽车前灯
异形模板
烯醇(PvA)为凝胶剂，在水介质中通过“冷冻—解冻一冷冻”工艺制备HAN基凝胶发射药．以表观现象的不同来表征I：'VA的性能对凝胶成型的影响；通过密闭爆发器实验评价该发射药的燃烧性能；通过气相谱测试燃气组分析，评价该发射药燃烧的清洁性．试验结果表明：HAN凝胶发射药点火延滞期长，点火困难，采用单基发射药薄片包裹凝胶体有利于点火；随着HAN含量增加，氧平衡的提高，燃气中(20含量明显降低，因此该凝胶发射药具有洁净燃烧的特征．
关键词：硝酸羟胺；凝胶化；燃烧性能
中图分类号：TQ562 文献标识码：A 文章编号：1006—0707(2008)03—0(303—03
硝酸羟胺(HydroxvLamine Nitrate，HAN)的分子式为乙烯醇(ⅣA)(上海化学试剂分装厂)，标准聚合度为NH20H·HN03．硝酸羟胺是羟胺的硝酸盐，由还原组分羟胺 2 400～2 500，醇解度为98．O％一99．0％．去离子水(自制)．和氧化组分硝酸共同组成．硝酸羟胺为白针状结晶，熔硝酸铵(AN)，分析纯(经过包覆处理)，根据实验要求粒
度点为48℃。硝酸轻胺晶体不稳定，具有强吸湿性，但它的水细化为200目以上．
溶液相当稳定，可以与水任意比例混合．硝酸羟胺具有密1．2基本配方度高，高比冲和低冰点等特性，被认为是
优良的液体发射在固体凝胶推进剂中，一般说来，凝胶剂与液体组分药．从20世纪70年代中期开始，硝酸轻胺基液体发射药得之比大约为1：3～1：10，在此范围内可以按需要选取液体组到迅速发展．目前，美国已在9 nml，30finn，120 IBm，156舢分HAN水溶液与凝胶剂聚乙烯醇(PVA)的比例．本试验按等口径的武器上进行了试验，并研制成功了XM46液体发 H．AN／PVA=3．2／1～8．5／1(质量比)配方，使HAN水溶液凝射药．但是，硝酸羟胺仍存在燃烧时有压力振荡，稳定性胶化，并可根据点火要求加入1．5％一10％的硝酸铵．
差，对冲击波和强点火源敏感，易自燃，存储和运输不安全1．3凝胶机理
等问题[1|．
“冷冻一解冻”法制PVA水凝胶的机理主要有2点：①为了解决上述问题，人们将液体发射药凝胶化．凝胶状
凝胶化是网络形成的结果，在凝胶化的初始阶段。发生相
分离，形成了高分子聚集区和非聚区；②凝胶在水溶液中
物具有液体和固体2种特性。所谓的凝胶发射药就是用少量
的胶凝剂将液体和其它固体氧化剂等组分凝胶化，成为均匀的成型首先是高分子问氢键作用的结果．
悬浮，具有一定
结构和特定性能，并能长期保持稳定的凝胶
在胶体分散体系中，固体分散在液体中时溶胶在一定
体系发射药【2-5J．在本研究所采用的方法中使用了具有水凝条件下可以凝聚成为凝胶．在凝胶中少量的凝胶剂可以把
大量的液体介质凝聚成为整块的凝胶，形成固体网状骨
胶特性、低毒、机械性能优良的聚乙烯醇(P vA)作为胶凝剂，
架．在冷冻过程中，使PVA水溶液高分子运动状态被“冻
采用反复冷冻—解冻工艺，制备了硝酸羟胺凝胶发射
结”，高分子健间得以相互作用，以范德华力和氢键紧密结
药L6-8j，并研究了该发射药的燃烧性能和稳定性．
合，形成紧密结构，在室温解冻后，又有新的紧密结合形
成．这样通过吸附和毛细作用把一部分液体小分子场留在
1实验
固体骨架上，形成液化层，而大部分液体则被包围在骨架
的网络中，形成凝胶整体．
l。1原材料
I．4工艺过程
HAN水溶液(实验室自制)，浓度为79．8％和
83％．聚
·收稿日期12007—12—20 基金项目：山西省自然科学基金资助项目(20031015)．作
者简介：马忠亮(1967～)，男，副教授，主要从事新型发射药工艺和装药技术研究．
万方数据
4 四川兵工学报
1)首先用分析天平称取PVA和HAN水溶液．除气泡，导致燃烧过程不稳定．
2)将称量的HA N水溶液加入烧杯中并进行搅拌，搅2．2 HA N基凝胶贮存稳定性
拌速度应控制在50～70 r／min，水浴温度不超过65℃．制备的HAN基凝胶样品放置一段时间后。胶体表面有
3)在搅拌的过程中将聚乙烯醇等分批撒入烧杯中，要液体析出，表明该凝胶不稳定．贮存条件的不同，将影响求聚乙烯醇迅速沉人液体中，否则停留在液体表面的聚乙HA N凝胶的稳定性．从图2可以看出，将H AN凝胶密封贮烯
散打护具
塑料拖把头醇可能结块或团聚而不易分散．同时，也可将硝酸铵混存，凝胶析出液量很少，质量随时间的变化很小；而在开放
合加入．条件贮存HAN凝胶，质量发生明显的变化，但随着时间的
4)加完聚乙烯醇后，继续搅拌5—10 rain，直到稀溶液延长逐渐趋于稳定．在开放条件下，H A N凝胶受到环境条变为均匀浆状混合物，缓慢静止，排出浆状混合物中的气件如温度、湿度、空气流动速率等因素的影响，导致稳定平泡．衡体系平衡遭到破坏而产生质量损失．因此HAN凝胶在使
5)将浆状混合物缓慢注入具有一定形状的模型中，在用、贮存过程中应尽量密封．
65℃的水浴烘箱中熟化24—48 h．
6)把熟化后的样品从烘箱中取出，冷却降温2—3h n
后，即得到所需样品(见图1)．
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图2 HA N凝胶贮存曲线
图l HA N凝胶发射药照片
从表1的数据结果可以得出，温度变化对HAN凝胶的
7)为了改善HA N凝胶发射药的燃烧性能，采用单基稳定性有明显的影响，高温(55 oC)状态析出液量最多，而发射药薄片或内孔为8舢，燃烧弧厚为0．5 r砌的单管
发
低温(一22 oC)下析出液体最少．分析其原因主要在于随着射药进行包覆．贮存温度的变化，H A N基凝胶体系中的交联结构发生了变
1．5燃气成分测试
氮气冷却系统
化．在低温状态下，PVA、HAN、水之间形成氢键联结点，特实验仪器为GC9160型谱仪．
别是PVA分子链相互缠结，形成的网络骨架结构被固定。测试条件：谱柱为TDX；进样器温度为100℃；炉温
为
随着时间的延长而得到加固．在高温状态下，也就是在解∞℃；检测器为TCD；检测器温度为120 oC；载气为He；冻状态下，分子运动加快，冻结的PVA分子开始有所游离，进气样量为200 llL；柱压为0．10 M P a．破坏部分缠结点，局部失去网络骨架结构，导致包裹的液用专用气体采样袋从密闭爆发器放气口处收集燃气。体大量流失，发射药的能量将降低．
在收集气体前先将采样袋抽真空以免混进空气．
表l温度对HAN凝胶发射药稳定性影响
2结果与讨
论
2．1不同型号P vA对凝胶体机械性能的影响FVA的特
性取决于聚合度和醇解度．聚合度主要影响
体系的强度，对溶解行为也有影响；而醇解度决定了F V A
的溶解性．FVA溶解性能的好坏决定了是否可以形成具有
一定强度的凝胶．17—99型PVA由于溶解性较差，制备
的凝胶几乎没有机械强度，轻轻用力就可挤碎，而FVA一
124 型制备的凝胶机械强度较高，具有弹性．这主要因为
PVA一
124溶解性好，分子链相互作用，冻结后相互缠结形成网络
状，因此必须保证PVA的浓度．FVA溶于水中，浓度低
时，
每个分子以包舍大量水的形式存在；当浓度达到4％时，分结合P V A的凝胶机理和温度对凝胶对稳定性的影响。子键间产生相互缠结作用；浓度在10％一12％时，缠结作利用“冷冻一解冻一冷冻”工艺制备凝胶，在常温下进行贮用增强，形成网状结构，当冷却时，可以保持网状结构状存实验，实验结果如表2．可以看出，当FVA含量确定时，样态；浓
度大于15％时，虽然网状结构更加密实但不利于排品中含水量由20．12％增加到36．06％。HAN的析出量仅约
万方数据
。马忠亮，等：HAN基凝胶发射药的性能5
为千分之六，说明HAN基凝胶稳定性得到改善，HAN微量下作业的射手是十分不利的．因此希望燃气中CO的气体
析出不影响HAN凝胶发射药的能量性能．含量越少越好，这也称为绿洁净燃烧．采集在密闭爆发
表2 HA N凝胶稳定性实验结果
器中燃烧的燃气，通过气相谱进行分析、测试，得到HAN 凝胶发射药燃气成分(见表3)．由表3的数据可知，随着
水含量／％20．12 22．27 27．98 32．06 36．06 HAN含量的增加，即氧平衡提高，燃气中CO的量明显降析出液体量／％4．070 24．622 3 4．835 3 4．504 04．930 9低．
·姒N含量／％0．064 l O．064 00．057 70．054 9O．055 8
2．3 HAN凝胶的燃烧性能从图3的H AN凝胶发射药静
态燃烧曲线可知，H AN凝
胶发射药燃烧缓慢，点火延滞期长，难以点火．燃烧曲线比
较平滑，说明该发射药燃烧过程稳定．在不改变点火能量
的前提下，用单基发射药薄片包覆HAN凝胶发射药，能够
改善HAN凝胶的点火性能(见图3)．
2．4 HA N凝胶燃气组分的分析
一般含有c，H，O，N 4种元素的发射药燃烧后燃气的
主要组分为M，玛．n20，C02，CO气体，对常常在密闭条件
图3HAN凝胶发射药燃烧P—t曲
线
表3 HAN凝胶发射药燃气成分分析结果
[2]禹天福．美国凝胶液氢的研究[J]．导弹与航天运载技
3结论术。2002，258(4)：59—
64．
[3]禹天福．胶体推进剂的研究与应用[J]．导弹与航天运
1)PVA的聚合度和醇解度对HA N凝胶成型性有明显载技术，2002，259(5)：59—64．
的影响．[4]王宁飞，莫红军，樊学忠．凝胶推进剂的发展及应用
2)HAN基凝胶发射药采用反复冷冻—解冻工艺，可改[J]．舍能材料，1998，6(3)：139—142．善HAN—PVA凝胶
体系的贮存稳定性．在非密封的环境条[5]刘凯强，屈育龙，王明珍，等．小分子有机凝胶剂和凝
件下易破坏发射药凝胶体系的平衡，因此，建议在密封条胶推进荆的研究进展[J]．火学报，2003，26(4)：23
件存贮HAN凝胶发射药．—
26．
3)HAN凝胶发射药点火延滞期长，点火困难，通过单[6]吴李国，章悦庭，蔡禄生．冷冻一解冻法制聚乙烯醇水
跳跳鞋
基药片包覆有利改善HAN基凝胶发射药点火性能．凝胶研究进展[J]．化工新型材料，2001，29(11)：18—
4)通过调整HAN含量，使HAN基凝胶发射药燃气中21．
CO气体含量明显减少．[7]吴李国，章悦庭，胡绍华．聚乙烯醇水凝胶的制备及应
用进展[J]．东华大学学报：自然科学版，2001，27(6)：
参考文献：114—117．
[8]曲艳斌，肖忠良．硝酸羟胺(HA N)水凝胶性能研究[1]张续柱，肖忠良．液体发射药[M]．北京：中国科技出[J]．含能材料，2004，12(3)i168—170．
版社。1997．
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