CN109896913A - 一种新型点火药及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3％～9％；主氧化剂：50％～70％；辅助氧化剂：0％～15％；燃料：15％～25％；燃烧催化剂：1％～4％。本发明还公开了一种新型点火药的制备方法。本发明制备得到的点火药解决了现有点火药应用范围窄、能量低、安全性能差、制备工艺复杂的问题，具有安全性能好、能量较高、热稳定性好、燃速调节范围较宽的技术效果，同时该点火药不易吸湿，整个生产、装配、使用过程无粉尘危害，是一种新型安全、环保的点火药。

Description

一种新型点火药及其制备方法

技术领域

本发明属于含能材料技术领域，具体涉及一种新型点火药及其制备方法。

背景技术

点火药是一类很重要的火工药剂，常用来接受外界刺激点燃其它药剂，如发射药、推进剂等。点火药性能将直接影响整个弹药系统的正常工作，因此它在装药系统中占据着非常重要的位置。目前点火药的主要类型有黑火药、B-KNO₃点火药、Mg-PTFE点火药、Al-KClO₄点火药。黑火药是一种常用的点火药，其火焰感度较高、比容较大，但其爆热则较小，难以点燃一些钝感的火药或烟火剂。硼系点火药是一种高能点火药，其爆热很大，但比容较小，难以形成足够大的点火压力，因此难以迅速点燃某些推进剂或烟火药。

章文义对新型硼基点火药进行了研究，通过实验对比确定硼基点火药的配方为硼/硝酸钾70％，黑火药30％。机械感度和火焰感度介于硼/硝酸钾和黑火药之间，应用实验表明，硼基点火药可以提高火药和气体发生剂的燃速；张志方对Mg/PTFE基高能点火药配方设计实验进行了研究，通过正交试验以及点火试验确定了最优配方为Mg 64％，PTFE 28％，NaF 1.5％，MnO₂6.2％，NaN₃0.3％，配方的爆热为8645J/g，其摩擦感度为0，撞击感度为14％，其燃烧温度大于2100℃；李玲霞等研究了铝粉和高氯酸钾粒径及标准火药加入量对Al/KClO₄点火药的爆热的影响，铝粉粒径是影响点火药爆热的内在因素，铝粉平均粒径越小点火药爆热值越高，平均粒径在为9.34μm时该点火药剂爆热值最高为9952J/g，接近理论计算值；成一研究了三种点火药的点火性能，黑火药火焰感度良好，比容较大，但爆热较小，B点火药爆热很大，但比容较小，难以形成足够大的点火压力，K₁K点火药具有较大的爆热和比容,其燃烧迅速，其中黑火药的爆热为3.08kJ/g，比容为250L/kg，B/KNO₃点火药的爆热为6.28kJ/g，比容为97L/kg，K₁K点火药的爆热为5.13kJ/g，比容为387L/kg。

岩煤、煤层气领域禁止使用金属粉，防止生成灼热的金属化合物粒子将煤层或者煤层气引燃，因此Mg-PTFE点火药、Al-KClO₄点火药等系列的点火药均不适用于此领域。煤矿井下湿度较高，易吸潮的点火药应用受限，黑火药感度较高，能量低，爆热为3080J/g，比容为250L/kg，且易吸潮；B-KNO₃点火药对潮气较敏感，爆热高于黑火药，为6280J/g，但比容较小，为97L/kg，难以形成足够大的点火压力。因此，急需研制一种新型点火药用于岩煤、煤层气压裂。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型点火药及其制备方法，解决了现有点火药应用范围窄、能量低、安全性能差、制备工艺复杂的问题，由本发明制备的点火药成本较低，工艺性能，安全性能好，能量高，比容高，点火温度较低，燃速可调范围宽，制备过程简单，是一种新型安全的点火药。

本发明涉及如下技术方案：

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3％～9％；主氧化剂：50％～70％；辅助氧化剂：0％～15％；燃料：15％～25％；燃烧催化剂：1％～4％。

优选地，所述包覆剂包括液体橡胶和油脂。

优选地，所述液体橡胶为端羟基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、液体聚醚、液体聚醚多元醇、液体聚氨酯橡胶中的一种或几种。

优选地，所述油脂为液体石蜡、三乙酸甘油酯、氧-乙酰基柠檬酸三乙酯、乙酰柠檬酸三丁酯、己二酸二辛酯、癸二酸二异辛酯中的一种或几种。

优选地，所述主氧化剂为高氯酸钾。

优选地，所述辅助氧化剂为硝酸钾、硝酸胍中的一种或组合。

优选地，所述燃料为单质硅粉、有机-无机杂化分子钙钛矿型高能物质(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]中的一种或组合，其中M⁺为Na⁺、K⁺、Ru⁺、NH₄ ⁺中的一种。

优选地，所述燃烧催化剂为氧化铁、氧化铜、酞菁铜、氧化钴、二茂铁及其衍生物中的一种或几种。

优选地，所述主氧化剂、辅助氧化剂、燃料及燃烧催化剂的粒度级配范围为5μm～200μm。

本发明还公开了一种新型点火药的制备方法，包括如下步骤：

(1)按上述选定配方比例称量，先将包覆剂、燃烧催化剂、燃料加入到混合机中混合均匀，混合温度为30～50℃；

(2)然后将主氧化剂和辅助氧化剂分批加入到混合机内混合均匀，制得湿粉状点火药。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明点火药不含金属粉，成本较低，点火可靠，能被普通电引火头点燃；

2)本发明点火药能量较高，点火温度较低，爆热、比容较高，安全性能较好，热稳定性好，燃速在20mm/s～100mm/s范围内可调，燃速调节范围较宽；

3)本发明点火药的吸湿性较低，明显低于黑火药与B/KNO₃点火药，爆热与比容均高于黑火药；

4)本发明点火药无需造粒、过筛工艺，制备过程简单，同时整个生产、装配、使用过程无粉尘危害，可以连续化生产，是一种新型安全、环保的点火药。

5)本发明采用液体橡胶和油酯作为包覆剂体系，在敏感燃料的表面包覆一层性能良好的保护膜，从而降低其机械感度，提高运输和使用的安全性。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实例对本发明的技术方案进行以下详细说明，本发明未描述的技术手段按本领域内常规方式进行，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明公开了一种新型点火药配方，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3％～9％；主氧化剂：50％～70％；辅助氧化剂：0％～15％；燃料：15％～25％；燃烧催化剂：1％～4％。

其中，所述包覆剂包括液体橡胶和油脂，所述液体橡胶为端羟基聚丁二烯(HTPB)、端羧基聚丁二烯(CTPB)、聚乙烯醇、聚乙二醇、液体聚醚、液体聚醚多元醇、液体聚氨酯橡胶中的一种或几种；所述油脂为液体石蜡、三乙酸甘油酯(TA)、氧-乙酰基柠檬酸三乙酯(ATC)、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)、己二酸二辛酯(DOA)、癸二酸二异辛酯(DOS)中的一种或几种。本发明采用液体橡胶和油酯作为包覆剂体系，通过液体橡胶包覆敏感燃料，从而降低其机械感度，油脂一方面可以改善氧化剂与液体橡胶的粘附性，防止高氯酸钾沉降，另一方面可以隔绝水分，降低点火药的吸湿性。

所述燃料为单质硅粉(Si)、有机-无机杂化分子钙钛矿型高能物质(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃](H₂dabco为三乙撑二胺，整个分子简称DAP)中的一种或几种，其中M⁺为Na⁺、K⁺、Ru⁺、NH₄ ⁺中的一种。

所述燃烧催化剂为氧化铁(Fe₂O₃)、氧化铜(CuO)、酞菁铜、氧化钴、二茂铁及其衍生物中的一种或几种。

所述主氧化剂为高氯酸钾(KP)，由于高氯酸钾的机械感度较低，从而使点火药的机械感度较低，安全性能较好；所述辅助氧化剂为硝酸钾(KN)、硝酸胍(GN)中的一种或组合；上述主氧化剂、辅助氧化剂、燃料及燃烧催化剂的粒度级配范围为5μm～200μm。

本发明通过调节氧化剂的粒度以及燃烧催化剂的含量，使得点火药的燃速在20mm/s～100mm/s范围内可调，该燃速的测试方法为电阻应变测压法，即测量点火药在密闭爆发器中燃烧时产生的燃气压力随时间变化的规律(即P-t曲线)，然后根据相关P-t曲线参数求出点火药的燃速。

本发明点火药经燃烧生成的产物主要为KCl、二氧化碳以及水氮气，生成的KCl具有灭火功能，不易引燃煤层和煤层气。

本发明还公开了上述新型点火药的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)按上述选定配方比例称量，先将包覆剂、燃烧催化剂、燃料加入到混合机中混合均匀，混合温度为30～50℃；

(2)然后将主氧化剂和辅助氧化剂分批加入到混合机内混合均匀，制得湿粉状点火药。

本发明点火药制备过程中无需通过造粒、过筛工艺，生产过程中不易产生粉尘，制成的湿润状点火药粉可以直接装填在点火器具中，因此整个生产、装配、使用过程无粉尘危害，是一种新型安全、环保的点火药。

实施例1

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3.0％HTPB+3.0％DOS；主氧化剂：54％KP；辅助氧化剂：15％KN；燃料：16％Si+8％DAP(M⁺为NH₄ ⁺)；燃烧催化剂：0.5％Fe₂O₃+0.5％CuO。

其制备方法如下：

(1)按配方比例称量，将HTPB、DOS、Fe₂O₃、CuO手工混合均匀，然后加入到立式混合机中，将DAP加入到立式混合机内，混合温度30℃，混合5min；然后将Si加入到立式混合机内混合5min；

(2)将KN加入到立式混合机内混合5min；现将1/2KP加入到立式混合机内混合10min；再将1/2KP加入到立式混合机内混合10min，混合完毕后，出料得到点火药粉。

实施例2

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3.0％HTPB+3.0％ATBC；主氧化剂：69％KP；燃料：16％Si+8％DAP(M⁺为NH₄ ⁺)；燃烧催化剂：0.5％Fe₂O₃+0.5％二茂铁。

其制备方法如下：

(1)按配方比例称量，将HTPB、ATBC、Fe₂O₃、二茂铁手工混合均匀，然后将其加入到立式混合机中，将DAP加入到立式混合机内，混合温度40℃,混合10min；然后将Si加入到立式混合机内混合10min；

(2)先将1/2KP加入到立式混合机内混合10min；再将1/2KP加入到立式混合机内混合10min；混合完毕后，出料得到点火药粉。

实施例3

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：4.5％CTPB+4.5％ATBC；主氧化剂：50％KP；辅助氧化剂：15％KN；燃料：24％DAP(M⁺为K⁺)；燃烧催化剂：2％二茂铁。

其制备方法如下：

(1)按配方比例称量，将CTPB、ATBC、二茂铁混合均匀，然后加入到立式混合机内，混合温度为45℃，混合时间10min；将DAP加入到立式混合机内，混合10min；

(2)先将KN加入到立式混合机内，混合10min；然后将1/2的KP加入到立式混合机内，混合10min；将上述混合的药粉与剩余的KP一同加入到三维运动混合机内混合10min，混合完毕后，出料得到点火药粉。

实施例4

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：2.5％HTPB+2.5％ATBC；主氧化剂：60％KP；辅助氧化剂：10％GN；燃料：10％Si+14％DAP(M⁺为NH₄ ⁺)；燃烧催化剂：1％辛基二茂铁。

其制备方法如下：

(1)按配方比例称量，将HTPP、ATBC、辛基二茂铁混合均匀，然后将其与DAP一同加入到立式混合机中进行混合，混合温度35℃，混合时间5min；将Si加入到立式混合机内，混合5min；

(2)将GN加入到立式混合机内，混合5min；先将1/2KP加入到立式混合机内混合10min；再将1/2KP加入到立式混合机内混合10min，混合完毕后，出料得到点火药。

实施例5

一种新型点火药，包括如下质量百分比的组分：包覆剂：4％液体聚醚+4％ATBC；主氧化剂：60％KP；辅助氧化剂：14％GN；燃料：15％Si；燃烧催化剂：1％CuO+2％二茂铁。

其制备方法如下：

(1)按配方比例称量，将液体聚醚、ATBC、CuO、二茂铁，手工混合均匀后加入到立式混合机，然后加入Si进行混合，混合温度50℃，混合时间10min；

(2)将GN加入到立式混合机内，混合10min；先将1/2KP加入到立式混合机内，混合10min；再将1/2KP加入到立式混合机内混合10min，混合完毕后，出料得到点火药。

对实施例1-5制备的点火药进行相关性能参数的测试，摩擦感度的测试条件为3.92MPa，90°；撞击感度的测试条件为10kg，50cm，测试结果如下所示：

性能参数	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						摩擦感度/％	4	8	20	16	4
撞击感度/％	0	4	20	4	4
						静电感度(mJ)	156.5	157.4	159.6	150.2	151.6
爆热(J/g)	4810.9	4926.8	4971.5	4852.3	4831.8
						比容(L/kg)	332.4	333.3	380.2	324.6	365.2
燃温(K)	3636.27	3783.26	3858.63	3704.9	3755.7
						热分解温度(℃)	305.2	302.8	310.3	308.4	304.7
5s延滞期爆发点(℃)	325	332.2	342.0	339.5	362.1

从上表可以看出实施例1-5点火药的摩擦感度小于20％，撞击感度小于20％，静电感度大于150mJ，5s延滞期爆发点大于320℃，说明点火药安全可靠，安全性能较好；热分解温度大于300℃，说明点火药的热稳定性好；爆热大于4500J/g，比容大于300L/kg，说明点火药的能量较高。

综上所述，本发明提供了一种新型点火药及其制备方法，通过采用液体橡胶和油酯作为包覆剂体系制备得到点火药，该点火药不含金属粉，成本较低，制备工艺简单，安全性能较好，能量较高，比容较高，点火温度较低，燃速可调节范围较宽，制备过程中无需造粒工艺，生产过程中无粉尘，可以连续化生产，是一种安全、环保的新型点火药。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种新型点火药，其特征在于包括如下质量百分比的组分：包覆剂：3％～9％；主氧化剂：50％～70％；辅助氧化剂：0％～15％；燃料：15％～25％；燃烧催化剂：1％～4％。

2.根据权利要求1所述的新型点火药，其特征在于：所述包覆剂包括液体橡胶和油脂。

3.根据权利要求2所述的新型点火药，其特征在于：所述液体橡胶为端羟基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、液体聚醚、液体聚醚多元醇、液体聚氨酯橡胶中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的新型点火药，其特征在于：所述油脂为液体石蜡、三乙酸甘油酯、氧-乙酰基柠檬酸三乙酯、乙酰柠檬酸三丁酯、己二酸二辛酯、癸二酸二异辛酯中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的新型点火药，其特征在于：所述主氧化剂为高氯酸钾。

6.根据权利要求1所述的新型点火药，其特征在于：所述辅助氧化剂为硝酸钾、硝酸胍中的一种或组合。

7.根据权利要求1所述的新型点火药，其特征在于：所述燃料为单质硅粉、有机-无机杂化分子钙钛矿型高能物质(H₂dabco)²⁺[M⁺(ClO₄ ^-)₃]中的一种或组合，其中M⁺为Na⁺、K⁺、Ru⁺、NH₄ ⁺中的一种。

8.根据权利要求1所述的新型点火药，其特征在于：所述燃烧催化剂为氧化铁、氧化铜、酞菁铜、氧化钴、二茂铁及其衍生物中的一种或几种。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的新型点火药，其特征在于：所述主氧化剂、辅助氧化剂、燃料及燃烧催化剂的粒度级配范围为5μm～200μm。

10.一种根据权利要求1-8任意一项所述的新型点火药的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)按上述选定配方比例称量，先将包覆剂、燃烧催化剂、燃料加入到混合机中混合均匀，混合温度为30～50℃；

(2)然后将主氧化剂和辅助氧化剂分批加入到混合机内混合均匀，制得湿粉状点火药。