含能材料包装技术

崔卫鑫 王克俭

（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

1. 前言

含能材料，是指能迅速释放大量能量并对外做功的物质。其表征为该类物质多具有爆炸性、爆燃性或其他经过特定激发条件会高速率高输出释放大量能量的物质。一般含能材料包含了火口药，炸口药，燃气发生剂烟火药剂，火工品等。同时，它具有高密度、良好的力学性能、一定的安定性、较好的相容性等特点。因此，在对其进行包装时需要考虑这些性能。此外，也需要特别注意它的易燃易爆的性能，防止在包装时出现爆炸的现象，发生事故。

随着含能材料在各个领域的应用，它发挥的作用也越来越大，因此我们需要对含能材料的包装更加了解。本文将从含能材料的种类，加工工艺，包装技术以及发展趋势等方面来进行阐述。

2. 含能材料种类

2.1 高氮量含能材料

高氮含能化合物是近年来一种新型含能材料，具有良好应用前景，它具有高正生成热、高热稳定性等特点，作为新型含能材料，此化合物主要应用于高能钝感炸药、小型推进系统固体燃料、无烟烟火剂、气体发生剂、无焰低温灭火剂。高氮化合物是高性能高密度绿色含能材料之一，分子中高的含氮量能增大密度使燃料燃烧产生大量的气体。

目前合成的高氮含能化合物主要是氮杂环有机化合物，具有密度高、热稳定性和钝感好的特点。与TNT 相比，有较高的爆轰性能、理想的氧平衡且钝感性好，可作为高能组分应用于推进剂、发射药和钝感弹药，能减少气体排放中产生的火焰和烟雾，使配方更环保。此外，咪唑类化合物是一种潜在含能材料，对咪唑类含能化合物进行研究和开发，使其早日应用到含能材料的领域中。

2.2 含能氧化剂

为了提高火药中的能量，常加入一定比例的氧化剂和炸药。对氧化剂的重要要求是化学相容性好和氧平衡值要高，世界各国研究者为了提高火药的能量合成了许多高能氧化剂。CL-20 是高能炸药，具有密度高，化学和热稳定性好，能够与大多数的增塑剂和粘结相容等优点，因此可作为配方来使用的不含卤素无污染，感度低，特征信号低的新型氧化剂且化学安定性较好。

2.3 粘结剂

粘结剂是含能材料的重要组成部分，用含能聚合物作粘结剂是目前含能材料发展的趋势，受到了世界各国的广泛重视。国内外对高能量、高密度粘结剂进行了不断的探索研究，研制出了叠氮基和硝酸酯增塑聚醚类的各种含能粘结剂。含能热塑性弹性体作粘结剂具有成本低、安全、容易回收等优点，且可以采用溶剂加工方法，不必对现有设备进行改进，对于发展高能低易损火药起着重要的作用。

2.4 增塑剂

硝酸酯类增塑剂一直是发射药配方和固体推进剂中含能增塑剂的主要应用对象，其中最常用的是高能高密度增塑剂硝化甘油（NG），目前在研制高能推进剂、硝胺发射药和无烟推进剂中硝化甘油仍然占有一定的地位。由于增塑剂的发展常与粘结剂的发展相伴随，近年来随着含能叠氮粘结剂的发展，与之相匹配的新型叠氮增塑剂也相继发展起来，极大丰富了含能增塑剂。到目前为止，含能增塑剂的品种和数量很多，从合成各种含能增塑剂类别和典型品种来看，这些化合物大多是带有硝基、叠氮基、硝酸酯及偕二硝基的酯类、醚类、缩醛类、硝胺基烃类和低聚物等。为了使含能材料配方具有较高的能量特征，一般要求增塑剂具有低的玻璃化转变温度、低黏度、低迁移、高氧平衡值、高热稳定性和低撞击感度。

总之，国外对含能材料研究较多，国内对这方面的研究则比较欠缺，故应加强新型含能材料的合成，表征和应用研究，弥补国内的不足。

3. 含能材料的加工

随着军用技术装备需求的日益加快，传统的含能材料工艺已经不能适应多品种的要求。无论是发达国家，还是发展中国家都非常重视含能材料制造工艺，这是未来世界各国竞相重点发展的国防科学关键技术之一。

① 发射药制造工艺

在发射药的制造工艺方面，研发出了自动化喷射吸收、剪切压延、双螺杆挤出成型等新工艺。在剪切压延工艺中实现了混合、预塑化以及颗粒造型工艺的自动化和连续化；在传统溶法工艺的基础上，研制出了基于包容水和溶解水的成孔原理和超临界流体发泡原理的高燃速发射药成型新工艺，利用该工艺制备的发射药，其表观燃速大幅提高。在研发上，突破了驱溶、非均和弧厚等关键工艺技术的难题设计并成功地研制出了具有高增面性的发射药，提高了配合混合装药技术，显著的提高了大口径火炮弹道效率和炮口的动能。相比于同材质的组合装药，具有优异的低温感效应，应用于大口径的火炮，实现了在不增加工况的情况下明显增加炮口动能，提高射程和威力。最近开发的装药技术，解决了一些世界技术性难题。依托这种装药技术，实现了与国外先进技术相同的弹道效果；由其组成的远程装药，在不使用加长身管的手段下，提高了火炮射程，并且性能优于国外最先进的远程火炮。

② 推进剂装药工艺

在推进剂装药工艺方面，发展了加压插管浇筑与真空浇筑相结合的技术，初步解决了药桨浇筑困难的问题，有效提高了装药密度。成功研制出了连续压延造粒的双螺旋剪切压延机，解决了高固含量改性双基推进剂生产过程中压延塑化困难，易着火燃爆等诸多难题。采用点击的化学方法进行了固体推进剂的制备研究，得到了力学性能较好的推进剂药柱，证实了点击化学在复合固体推进剂中的应用可行性。在研发上，我国已经掌握了单室多推力装药技术，实现了单室双推力，单室三推力和单室四推力装药设计和应用技术。单室多推力技术的应用，可在发动机结构不变的条件下总冲提高15%以上。

③ 混合炸药装药工艺

在混合炸药装药工艺上，我们十分重视高能炸药，特别是炸药的低成本制造技术，并且取得了不少成果。在研发上，成功开发了几十种造型粉的制备方法，并对相关的工艺流程和装备进行了相应的技术升级。在混合炸药装药压制工艺中，新开发的等静压工艺技术，实现了复杂形状炸药件的静成型，从而减少了原材料的损耗。成功研发的精密压装装药技术和爆炸网络装药的浇筑工艺等新方法，满足了新型武器对传统炸药的装药要求。此外，为适应微小型火工器件的结构要求，在一些基础上，开发了含能薄膜，多孔含能基材和内嵌复合物等火工药剂装药新技术，其性能明显优于常规装药。

此外，含能材料绿色，安全生产技术的研究与开发也相当的活跃，在节能减排、回收利用、污染控制与治理技术、工艺与装备等方面取得了不少成果。

4. 含能材料的包装

4.1 包装的要求

含能材料是国防科技工业战略性基础产品，是衡量国家装备水平、军事实力的重要标志。含能材料由于其易燃易爆的特性，对生产、贮存、运输与使用过程中的安全性、稳定性要求很高，因此，含能材料包装需具有以下基本功能。

1）需具有较高强度、良好减震性，以减小含能材料包装物在贮存、运输过程中受外界冲击等破损而影响产品质量，甚至影响安全。

2）需具有良好的导静电性，以减小含能材料在贮存、运输过程中摩擦产生静电积累，造成含能材料发生燃烧爆炸事故的风险。

3）需具有较好的密闭性，以保证包装物内的含能材料产品在长期贮存过程中，不受外界环境影响，性能稳定，保证产品使用性能。

4）需与含能材料产品具有良好的相容性，保证在含能材料产品长期储存过程中，包装物与含能材料不发生化学反应，使产品质量发生变化甚至影响安全。

5）较长的使用寿命和较高的回收利用率，以节约资源，降低成本。

6）标识易识别和防拆封，保证含能材料产品能够快速识别，防止含能材料产品未经授权擅自打开。

目前国内含能材料包装虽能够满足含能产品贮存、运输的要求，保证产品质量在长期贮存过程不发生改变，但是由于包装材料、结构等已不适应当前快速发展的时代需求，更难以满足含能材料的自动化、智能化的制造工艺需求，因此，开展含能材料包装的升级换代工作迫在眉睫。

4.2 包装技术

我国含能材料包装从20 世纪50 年代发展至今，大致可以分为3 类。第1 类是以苏式箱（木箱内套金属箱）为代表，以发射药包装为例；第2 类是以木箱包装为代表，以炸药包装为例；第3类为纸筒包装，以TNT 包装为例。

1）苏式箱包装

图1 发射药木套箱、金属箱实物

自20 世纪50 年代从苏联引进含能材料包装技术以来，我国发射药包装基本上一直沿用苏式包装模式。发射药包装物主要采用木箱内套金属箱的结构。包装箱按照尺寸不同分为1 号、2 号和3 号箱。如图1 所示。

2）木箱包装

自1964 年我国第一条黑索今生产线投产后，便使用木箱包装黑索今产品，后续随太安、奥克托今及多种混合炸药产品的投产成功，太安、奥克托今及混合炸药也使用木箱包装。木箱包装内包装采用塑料袋、牛皮纸袋作为包装材料，外包装为木箱。木箱实物见图2。

图2 炸药木箱实物

3）纸筒包装

20 世纪90 年代，原兵总和总后军械部组织开展含能材料包装箱的研究工作，由国营第二五五厂（代表西南地区）和国营第四七五厂（代表东北地区）分别进行了发射药复合纸桶外包及防静电塑料薄膜袋、铝252 塑薄膜袋、聚乙烯薄膜袋、中性牛皮纸内包试验研究。试验表明，上述内包装袋与发射药性能相容，并用于外贸产品包装，20 世纪80 年代，伴随着外贸产品使用纸桶包装，混合炸药上也陆续开始采用纸桶包装。纸桶包装物见图3。

图3 纸筒包装物

4.3 包装存在的问题

长期以来的使用情况表明，现有含能材料包装物虽能够满足产品贮存、运输的要求，保证产品质量在长期贮存过程不发生改变，但目前含能材料所用包装物的结构、材质、质量、自身加工工艺以及人工现场操作的包装工艺落后现状，与含能材料行业实现自动化、连续化、无人化、绿色安全的目标存在巨大差距，主要表现以下方面：

1）含能材料用包装结构不利于实现包装工艺自动化、连续化和无人化。现有发射药包装采用木箱内套金属箱的双层结构，外形为正方形，拧紧金属箱盖、铅封等细节性操作难以实现自动化和连续化。

2）包装物大量采用优质木材，不符和当前国家环保形式要求。目前含能材料包装仍以木箱为主，包装用木材不仅对品种有要求，且对板材的裂纹、疤痕等也有规定。一般木材的二次利用率只能达到30%到40%，我国发射药的年产量达到了上万吨，需要大量木材，造成大量浪费，不符合国家环保要求。

3）包装物自身质量大，操作人员劳动强度大，操作方便性差。目前生产和使用过程的搬运大多采用人工，极其不便。同时，现用的包装箱由于其内层金属箱的方形结构形式，使得操作人员在倒药过程中不易倒完（尤其是粒度小的发射药），造成药料的浪费和安全隐患。

4）包装物生产工艺落后、流程长，生产效率低。现用包装物生产过程基本采取操作人员手工作业，作业环境差，劳动强度大，生产效率低，难以满足产品包装需要。

5）包装物回收利用率低，返修复杂，综合效益低。现在的含能材料包装物，回收利用率非常低。内衬铁箱采用镀锌钢板锡焊工艺制成，二次回收或返修时必须对铁箱进行清洁，并检查焊接部位，极易造成镀锌钢板破损或者尺寸不满足规定要求；纸桶包装虽然有一系列的优点，但是由于纸桶强度和长期储存性方面较差，基本不能二次回收或返修，成本较高。

5. 未来发展趋势

当前，正值新一轮科技革命和产业变革兴起，为含能材料工业先进制造技术研究及工艺技术提升带来了机遇。加之随着目前新材料技术、基础制造工业技术的迅速发展及民用化广泛应用，为国防工业的技术改造提升奠定基础，也为改善我国含能材料行业技术落后的现状提供技术支撑。

1）对材质进行更新换代以降低成本

目前含能材料产品包装物仍然以木材为主，对现有含能材料包装技术进行更新换代，采取“节木代木”技术措施，是满足国家环保要求，保证生态文明健康发展的大势所趋。降低了制造成本，保障了产品质量安全并且节约资源。

2）对结构进行改进以满足自动化、智能化

现在的包装物结构难以实现包装过程中多层包装物翻折、金属箱封口、挂扣等操作自动化；多层包装物封装过程中，内、外包装物之间易产生夹层药、箱间药，存在安全隐患。对其结构、尺寸、外观形式进行改进，便于用户使用操作，同时又能减小安全风险，适应生产自动化的需求，因此，对包装物结构进行改进，以适应自动化、智能化制造的需要，是含能材料包装物的发展趋势之一。

3）采取电子信息技术

目前含能材料包装物外包装标识，采用油漆粉刷的方式，流程复杂，效率低下；内包装标识采用纸质装箱单的方式，工艺原始，操作不便；铅封采用人工挂铅块，并铅封的方式，难以实现自动化操作。随着信息技术的快速发展，采用直接在包装物粘贴标识的方式实现包装物信息标识，并实现电子铅封，以便实现包装产品信息化管理，通过电子识别，快速掌握产品相关信息，系统可自动识别，并对其进行码垛，完成包装的包装箱进行装车前整理，从而实现整个过程的自动化、连续化、无人化和智能化。

总之，通过对未来含能材料产品用包装技术发展趋势的分析，优化包装物的材料和结构，适应自动化、智能化制造的需要是未来含能材料产品包装技术发展的重要趋势。