过氯酸铵产品的防静电性能探索

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作者：曾建红 李军峰 姚齐春 单位：黎明化工研究院

高氯酸铵(AP)是固体火箭推进剂的主要组分，其晶体产品易吸潮结块，特别是在湿热季节、长期存放和堆团挤压时更为明显。产品结块就是由原来松散的状态，相互黏结成团块，根据结块的程度，一般分为轻度结块、局部结块和严重结块。轻度结块的物品通过轻微振动即能恢复自由流动状态；局部结块是部分物品结成团块；严重结块是指整袋或散装时整堆结成一体。结块破坏了产品自由流动状态，给产品的储存、搬运、加工等带来很大不便，使用时需要进行破碎处理，这对易燃易爆性质的AP晶体产品来说，具有极大的安全隐患。因此在AP工业生产中，需对AP晶体产品进行防结块处理。防结块措施很多，如加强产品球形度控制、粒度控制、加入防结块添加剂、改变贮存条件等。目前，国内AP晶体产品防结块添加剂的选择大致有2种：一是添加表面活性剂，用表面活性剂来改变AP晶体产品表面的疏水性及其表面特性。此法表面活性剂添加量极少，不会改变AP晶体产品纯度，因此，在AP晶体产品中加入少量的表面活性剂作为防结块添加剂，得到普遍采用。国内固体推进剂用AP一般采用外表面包覆十二烷基硫酸钠的方法进行防结处理，不过，用此法防结的AP产品，在干燥、收集、搬运、加工等过程中极易产生和携带静电且难以消除，在生产和使用过程中，尚需解决防静电和安全问题。二是用一些具有防静电功能的惰性粉末进行包覆，使颗粒表面相互隔开，防止颗粒之间相互接触而产生搭桥作用，从而起到防结块作用。如美国军用标准MIL–A–82667/2中规定，在Ⅰ型2级细粒度AP中允许含有质量分数0.15%~0.22%的添加剂，该添加剂具有防静电、防结块功能。含有该添加剂的AP假体积电阻由1017Ω降低到106Ω量级，已属于静电导体范围，AP产品静电荷产生量大为减少，即使有少量静电荷产生也很快被消除，静电消除率达90%以上。但惰性粉末包覆也存在一些问题，防静电添加剂若添加量太少，防结块效果差；若添加量太大，产品纯度难以控制在产品质量标准之内，即杂质含量超标，并且会影响固体推进剂的能量、燃烧、力学等性能。因此，结合二者的优势，使用尽可能少的防静电添加剂使AP产品达到防静电、防结块功能，又不影响产品的纯度，是文中实验研究的目的。

1实验部分

1.1主要试剂及仪器球形AP：纯度(质量分数，下同)＞99.5%，平均粒径(200±25)μm，黎明化工研究院；表面活性剂：化学纯；惰性粉末添加剂：食品级；搅拌器；锥形混合器。

1.2实验方法称取AP固体200g于1000mL烧杯中，加入600mL蒸馏水，加热溶解，冷却至室温备用。取上述AP饱和溶液500mL，置于1000mL烧杯中，加入表面活性剂搅拌，然后加入800g球形AP，搅拌一定时间后过滤掉母液，将得到的已吸附表面活性剂的AP晶体产品用离心机甩干，再用红外灯烤干。将烤干的AP产品装入锥形混合器，加入惰性粉末添加剂，混合一定时间后，装入相应大小的塑料袋中，封口。用5kg重的铁块加压1周时间，观察试样结块状况。

1.3实验流程AP产品在防结块操作过程中，惰性防结粉末的加入方法一般是与烘干的AP晶体产品一起投入到专用混合器中进行混合包覆。而表面活性剂的添加方法有多种，如使表面活性剂参与无机盐结晶而使无机盐达到防结块目的，该法中结晶母液的回收利用会影响其他工序的正常操作。把表面活性剂溶入水中，用喷淋方式把表面活性剂水溶液添加到AP产品中，烘干，该法表面活性剂在AP晶体产品中分布不均匀，还会影响其他工序正常操作。目前普遍采用的方法是将表面活性剂溶解于AP溶液中，再把AP晶体产品加入到该溶液中搅拌一定时间，然后离心过滤掉AP溶液，将得到的AP晶体产品烘干。这样，产品表面均匀包覆上一层表面活性剂“膜”，此“膜”疏水作用良好，对AP晶体防吸潮、防结块起重要作用。该法不改变AP晶体原来的内部结构，含表面活性剂的AP滤液可回收循环使用，表面活性剂不进入AP生产的其他工序，因而不会影响生产。

2结果与讨论

2.1防结剂的添加量对AP产品防结的影响

2.1.1表面活性剂的添加量实验表面活性剂在AP产品防结过程中的添加量受到两方面的限制：一是使用方面的限制，添加量越多，搅拌时产生的泡沫越大，过滤越困难；二是受表面活性剂在高氯酸铵饱和溶液中的溶解度的限制，当表面活性剂添加量超过一定值，多余的表面活性剂在AP饱和溶液中不溶解，对AP产品防结没有实际意义。因此，在AP晶体产品防结过程中，表面活性剂的添加量以AP产品能达到防结块目的且AP产品所吸附的表面活性剂含量不超过有关标准规定的指标要求为前提，同时还要严格控制防结母液中所含Cl－及Ca2+的累积量。表1为表面活性剂的添加量实验结果。图1为表面活性剂的添加量与被AP产品所吸附的量关系。从实验结果可看出，表面活性剂的添加量与吸附量存在不对称关系，随着表面活性剂添加量增多，被AP产品所吸附的量增长缓慢，对AP产品的防结作用不明显，反而加重了后续工段的处理量。因此，AP产品进行防结时，表面活性剂的添加量为0.060~0.090g/kg。

2.1.2惰性粉末防结剂的添加量实验在AP产品用惰性粉末添加剂进行包覆防结时，惰性粉末添加应适量。另外，惰性粉末添加剂的粒度以及混合方式、混合效果，对AP产品的包覆防结具有一定影响，惰性粉末添加剂粒度越细，包覆防结效果越好。惰性粉末添加剂的防结实验结果以及对AP纯度的影响结果（表略）实验结果表明，每千克AP添加惰性粉末质量≥1.5g时，AP产品不结块，但其对AP产品的纯度影响较大。

2.1.3复合防结剂的添加量实验在AP产品进行防结过程中，使用单一的表面活性剂作为防结剂，其使用量少，防结效果好，对AP产品的纯度几乎没有影响，但在干燥、收集、搬运、加工等过程中极易产生和携带静电且难以消除，在生产和使用过程中，尚需解决防静电和安全问题；而使用单一的惰性粉末作为防结剂，能消除AP产品在干燥、收集、搬运、加工等过程中产生和携带的静电，但添加量较大，对AP产品的纯度产生了较大影响。如果先用表面活性剂对AP产品进行防结处理，然后再用少量惰性粉末添加剂进行包覆而达到消除静电目的，AP产品的纯度又能满足质量标准要求。使用复合防结剂的实验结果。实验结果显示，当每千克AP惰性粉末的添加质量为0.3~0.75g，且表面活性剂的添加质量为0.04~0.06g时，使用该复合防结剂进行防结的AP产品，纯度满足质量标准要求，同时又满足防结块要求。

2.2防结AP产品的静电实验常用的颗粒电荷的测量方法有法拉第筒法(Faradaycup)和密立根法(Millikan)。法拉第筒法可用于测量多个颗粒的电荷总量，该电荷量为正、负电荷中和后的宏观结果。该法无法测量单个颗粒的电荷量。密立根法是用来测量单个油滴带电量的方法，该法可用于自然状态下颗粒静态电荷的测量。AP产品主要是大量颗粒宏观电荷总量的测量，因此，法拉第筒法是较适用的测量方法，其静电测试装置（图略）将物料从不锈钢滑槽上端倒入，物料沿滑槽下滑时摩擦产生静电，然后滑入法拉第筒，由静电电压表读取静电电压数即可。然后根据库仑定律公式(1)计算出带电物体的电荷(Q)，其结果（式略）为了直观而明了地观察AP产品的防静电状况，用如下方法进行对比实验：把定量的AP样品装入称质量后的统一规格的190mm×280mm聚氯乙烯塑料袋中，封上袋口，将袋中AP在袋内来回振荡1min，解开袋口，将袋中AP自然倒出，然后再称量塑料袋质量。因为AP在塑料袋中来回振荡过程中会产生静电，部分AP附着在塑料袋上，由此可称量塑料袋装料前后的质量来观察，对比不同AP产品所产生静电的大致情况，实验结果（表略）实验结果表明，使用复合防结剂防结的AP产品，其防静电效果与美国军用标准MIL–A–82667/2中规定的产品相差不大，且产品纯度完全满足质量标准要求。

3结论

当每千克AP添加惰性粉末的质量为0.3~0.75g，且表面活性剂的添加质量为0.04~0.06g时，使用该复合防结剂进行防结的AP产品，纯度满足质量标准要求，同时又满足防结块要求。②使用复合防结剂防结的AP产品，其防静电效果与美国军用标准MIL–A–82667/2中所规定的允许含有质量分数0.15%~0.22%添加剂的Ⅰ型2级细粒度的AP产品相差不大，且产品纯度完全满足质量标准要求。