振动粉碎技术能够实现0.5～5μm的AP微粉制备,但其成本高、粉碎效率较低,并且粉碎时氟利昂等制冷剂是处于连续气化状态,对环境造成污染。此外,这种设备工作时噪声大、系统自动化程度较低、设备清洗难度较大,致使操作人员的人工劳动强度增大,生产成本较高。因而工业化大规模生产较难采用。

机械研磨粉碎技术通过对力场强度、粉碎时间、物料浓度、分散剂及研磨介质等进行调控,可实现0.1～5μm的AP浆料可控制备。若对制得的浆料干燥处理不当,会导致干燥后产品团聚、结块,丧失微细氧化剂颗粒的优异性能。更重要的是,由于氧化剂易溶于水,须采用有机溶剂作为分散介质,大批量粉碎与干燥时的安全风险也较大,进一步制约了该技术在微纳米氧化剂大批量制备方面的工程化应用。

(1)流化床式气流粉碎技术

流化床式气流粉碎技术已实现5～20μm的AP微粉的大批量、稳定生产,所制备的产品也已经在固体推进剂中获得工业化应用。但该技术难以实现小于5μm的AP微粉制备,因为要制备获得更小粒度的AP产品,不仅需要更高压力、更快流速的压缩空气产生更强的粉碎力场,还需要更高的分级叶轮转速来产生更强的分级力场。由于分级叶轮转速很难大幅度提高,分级能力有限,使得AP颗粒在尚未被粉碎至5μm以下就已经穿过分级叶轮排出粉碎室而无法进一步细化。此外,该技术所制备的微细AP颗粒形状规整度也略差。

(2)扁平式气流粉碎技术

扁平式气流粉碎技术基于离心力场和向心力场的相互作用实现粗细氧化剂颗粒自行分级,避免了流化床式气流粉碎机靠分级叶轮高速旋转进行粗细颗粒分级所带来的安全风险以及分级粒度受限的难题。不仅能够大批量、稳定生产5～20μm的AP微粉,还能批量化制备粒度更小的氧化剂产品,如新近研究的“多级引射耦合加速气流粉碎技术”已能够实现0.8～3μm微细AP产品的粒度可控调节和批量化制备。此外,粉碎室内的磨削力场还能够削去微细颗粒的表面棱角,使产品颗粒的形状比较规则。若进一步优化粉碎机结构及粉碎流场与力场,还能够制备小于3μm的类球形AP产品。

高氯酸锂等氧化剂吸湿性很强,在相对湿度小于40%时也会快速吸湿,并且吸湿后形成结晶水的结合能很大,需在150℃以上、在净化气体保护下,才能将样品烘干至含水率小于0.1%。高氯酸锂在吸湿后再次烘干时会发生团聚结块,颗粒越小,团聚结块问题越凸显,结块形成的“硬饼”难以破碎(分散)且发生颗粒长大。这严重制约了高氯酸锂在低特征信号固体推进剂中的应用,是当前微纳米氧化剂制备面临的一大瓶颈难题。

二硝酰胺铵(ADN)是新一代高能固体推进剂所急需的高能氧化剂,目前基于柔性压碎过筛技术,已能够实现40～120目ADN样品的批量化制备,初步响应了高能固体推进剂小型发动机装药的需求。然而ADN能量高、感度也高,微纳米化制备过程的安全风险高,当前气流粉碎等技术无法直接用于微纳米ADN产品的批量化制备。随着高能固体推进剂配方进一步优化、定型和批产,对更小粒度ADN产品的制备需求也将越来越迫切,如平均粒度5～7μm、8～13μm、18～22μm等不同级段的产品。如何安全、可控实现微纳米ADN等高能氧化剂的批量化制备,是当前微纳米氧化剂制备面临的另一大瓶颈难题。

设计并合成吸湿性和感度与AP相当或更低、特征信号低、能量与ADN相当或更高的新型氧化剂,以利于大批量微纳米化处理,为高能推进剂等火炸药产品的研制和应用提供各种粒度级别的原材料保障,是需要重点发展的研究方向。

当前采用气流粉碎技术制备微纳米AP等氧化剂时,已能够实现粗颗粒原料自动化输送、加料、粉碎、出料,相关自动化技术的研究和应用大大提高了微纳米氧化剂制备过程的效率和产品质量的稳定性,降低了人机面对面作业的安全风险和粉尘吸入风险。然而,微纳米氧化剂的烘干、过筛、计量分装等尚需人工介入,急需结合微纳米氧化剂易吸湿、易团聚、腐蚀性强、可燃爆等特点,研究突破这些工序的自动化处理技术,实现微纳米氧化剂制备全流程自动化技术工程应用,全面提升微纳米氧化剂制备过程的安全、质量和效率。

研究和发展微纳米氧化剂制备过程的数值仿真技术,重点针对粉碎、输送、加料、过筛等物料动态处理工序,建立氧化剂物性和安全特征参量数据库,融合先进检测、数字孪生与人工智能等技术,实现微纳米氧化剂制备的过程可观测、参数可监测、结果可预测,为不同氧化剂的微纳米化制备工艺适用性甄别、工艺参数快速确立和工艺试验验证提供科学的、系统的数据依据,支撑微纳米氧化剂制备技术朝着数字化、智能化方向发展。

刘杰

2024年4月