摘要
为了提高锆/四氧化三铅（Zr/Pb3O4）混合药剂的混合均匀性和工艺安全性，以海藻酸钠（SA）为微胶囊黏合剂，通过液相连续流混合，在水相中利用SA与C
点火药是指在一定的外部初始脉冲作用下能发生爆燃，产生高温气体、热残渣并伴有大量热量，从而点燃起爆药或烟火药的物
锆/四氧化三铅（Zr/Pb3O4）是一种应用广泛的点火药，但是锆粉本身静电感度比较高，干燥处理安全性低；传统的耐水药采用硝化棉（NC）进行造粒，而NC本身热安定性差，导致生产过程中操作安全性低。基于以上考虑，本研究采用实验室自制的微胶囊造粒仪，通过液相连续流混合，在水相中利用SA与C
四氧化三铅（Pb3O4），分析纯，60 μm，上海精化科技研究所；锆粉（Zr），分析纯，5 μm，株洲润峰新材料有限公司；海藻酸钠（sodium alginate，Sigma‑Aldrich）、氯化钙（CaCl2）、无水乙醇（C2H5OH），分析纯，国药集团化学试剂有限公司。
微胶囊仪：实验室自制；数字式三维视频显微镜：KH‑7700 Hirox；热重分析‑差示扫描量热仪（TG‑DSC）：STA 449C德国耐驰有限公司；高速摄影仪：UX50日本Photron；BAM撞击感度仪：BFH 12爱迪赛恩有限公司；BAM摩擦感度仪：FSKM 10爱迪赛恩有限公司；高功率数控超声波清洗器：KQ‑200KDE昆山市超声仪器有限公司；电子天平：PWN124ZH/E奥豪斯仪器（常州）有限公司；智能恒温定时磁力搅拌器：B13‑3上海司乐仪器有限公司；水浴烘箱：AHX‑871南京理工大学机电总厂；电热鼓风干燥箱：WG 71天津市泰斯特仪器有限公司。
（1）Zr/Pb3O4粉末的混合
Pb3O4在使用前先放置水浴烘箱中24 h，烘箱温度设置为50 ℃，然后过250目筛。Zr在使用前要先抽滤，之后放置水浴烘箱中24 h，烘箱温度设置为50 ℃。Pb3O4处理好后，先过250目筛，之后与Zr进行混合。具体过程：将Zr和Pb3O4按一定的比例进行混合，先手混一遍，再过3遍以上150目筛，用防静电袋封装，每次混药不超过10 g。
（2）CA/Zr/Pb3O4微胶囊的制备
CA/Zr/Pb3O4微胶囊制备过程如
图1 CA/Zr/Pb3O4微胶囊制备过程
Fig.1 Preparation process of CA/Zr/Pb3O4 microcapsules
具体步骤为：① 配置一定浓度的SA胶溶液，将SA胶与Zr/Pb3O4均匀混合，玻璃棒搅拌后超声10 min；② 设置仪器参数，包括电压、震动频率和气压的调节；③ 利用N2将配置好的料液压入仪器，仪器利用电场和震动将料液均匀分散，并滴入CaCl2溶液中，SA与C
（3）NC/Zr/Pb3O4传统工艺的制备：将制备好的Zr/Pb3O4粉末与1%的NC胶均匀混合，在机械搅拌的条件下，缓慢倒入去离子水中，实验结束后将其抽滤、洗涤、烘干，过筛。
（4）表征和性能测试
密闭爆发器实验：参照国军标GJB736.16A-2019点火压力‑时间曲线测定，容量为25 mL，药量为（300±2） mg，点火头电阻为1.5 Ω。
药剂形貌、粒度和球形度的表征：视频三维电子显微镜。
流散性：参照国军标GJB5891.4-2006安息角法。
假密度：参照国军标GJB1047.10-1990假密度的测定。
TG‑DSC分析：热重分析‑差示扫描量热仪，试样皿为氧化铝坩埚，CA样品质量为（5±0.2） mg，Zr/Pb3O4粉末及CA/Zr/Pb3O4微胶囊样品质量为（1±0.1） mg，气氛为流动氩气，温度范围为室温至1000 ℃，升温速率10 K·mi
火焰感度：参照国军标GJB5891.25-2006火焰感度试验。采用Neyer’s D‑最优化
燃速和火焰长度：高速摄影设备记录药剂的激光点火燃烧图像。
静电感度：参照国军标GJB5891.27-2006静电火花感度试验，测试条件：电容为500 pF，不串联电阻，电极间间隙为0.12 mm，气泵压力为3~4 MPa，电压最高25 kV。利用Neyer’s D‑最优化法计算得到50%发火电压，按E=0.5C
撞击感度：BAM撞击感度仪测试药剂撞击感度，药量（20±0.2） mg，落锤质量10 kg，高度100 cm，试验15发。
摩擦感度：BAM摩擦感度仪测试药剂摩擦感度，药量（20±0.2） mg，试验15发。
为了探究SA的最佳含量，对Zr/ Pb3O4及SA含量分别为1%、2%、3%、4%的CA/Zr/Pb3O4微胶囊进行了密闭爆发器实验，得到p‑t曲线及SA含量与最大压力pmax的关系如
a. p‑t curves
b. SA content vs. pmax
图2 Zr/Pb3O4粉末与不同SA含量下的CA/Zr/Pb3O4微胶囊的密闭爆发器实验结果
Fig.2 Closed bomb results of Zr/Pb3O4 powder and CA/Zr/Pb3O4 microcapsules with different SA contents
对未包覆的Zr/Pb3O4粉末以及SA含量不同的CA/Zr/Pb3O4微胶囊的电容燃烧压力随时间的变化曲线进行数据处理，得到不同SA含量的最大峰压、升压时间和升压速率（
采用数字式三维视频显微镜对制备的CA/Zr/Pb3O4微胶囊和NC/Zr/Pb3O4颗粒的形貌进行了表征，结果如
a. CA/Zr/Pb3O4
b. NC/Zr/Pb3O4
图3 CA/Zr/Pb3O4微胶囊与NC/Zr/Pb3O4颗粒的视频三维电子显微镜图像（50×）
Fig.3 Video 3D electron microscope image of CA/Zr/Pb3O4 microcapsules and NC/Zr/Pb3O4 particles at 50 times magnification
采用软件Image J对CA/Zr/Pb3O4微胶囊和传统工艺制备的NC/Zr/Pb3O4颗粒进行粒度测
a. CA/Zr/Pb3O4
b. NC/Zr/Pb3O4
图4 CA/Zr/Pb3O4微胶囊与NC/Zr/Pb3O4颗粒的粒径分布
Fig.4 Size distribution of CA/Zr/Pb3O4 microcapsules and NC/Zr/Pb3O4 particles
形状因子（shape factor）是表征颗粒形状的参数，有九种定义方法，其中圆度（circularity）是基于二维图像分析的形状因子定义方法，可以用来表征球形度，易于测量，可同时测量多个颗粒。圆度的形状因子是表面积与体积比的二维等效
| （1） |
式中，Фcircularity为圆度的投影形状因子；A为颗粒的投影面积，c
采用视频三维电子显微镜得到CA/Zr/Pb3O4微胶囊的原始图像，然后用Image J对图像进行边缘提
流散性是点火药的重要物理性能之一。安息
a. CA/Zr/Pb3O4 microcapsules （background subtraction； Gaussian blur； binarization； edge extraction and analysis）
b. NC/Zr/Pb3O4 particles （background subtraction； Gaussian blur； binarization； edge extraction and analysis）
图5 CA/Zr/Pb3O4微胶囊与NC/Zr/Pb3O4颗粒轮廓提取过程
Fig.5 Contour extraction process of CA/Zr/Pb3O4 microcapsules and NC/Zr/Pb3O4 particles
| （2） |
式中，θ为安息角，（°）；H为圆锥体高度，cm；R为圆锥体半径，cm。
参照GJB5891.4-2006的安息角法测定点火药的流散性。称取20.0 g CA/Zr/Pb3O4，倒入漏斗中，底面放一坐标纸，物体自由下落至坐标纸上形成一圆锥体，用测量工具测得圆锥体的H和R，带入
Note： M is the mass of the sample； H is the height of the cone； R is the radius of the cone； θ is the angle of repos.
假密度是点火药的重要物理性能之一。参照GJB1047.10-1990的方法测定CA/Zr/Pb3O4和NC/Zr/Pb3O4的假密度计算公式为：
| （3） |
式中，m为接受器与试样的质量，g；m0为接收器质量，g；V为接收器容积，c
采用
Note： m is the mass of the receiver and the sample； m0 is the mass of the receiver； V is the volume of the receiver； ρ is the false density.
为了探究Zr/Pb3O4粉末及其微胶囊的热分解反应历程，利用热重分析‑差示扫描量热仪（Thermogravimetric Analysis‑Differential Scanning Calorimeter，TG‑DSC）对CA、Zr/Pb3O4粉末以及制备得到的CA/Zr/Pb3O4微胶囊进行热分析测试。，实验在氩气气氛下进行，温度范围为室温~1000 ℃，升温速率为10 K·mi
图6 CA的TG曲线
Fig.6 TG curve of CA
图7 CA、CA/Zr/Pb3O4微胶囊、Zr/Pb3O4粉末的DSC曲线对比
Fig.7 DSC curves comparisons of CA、CA/Zr/Pb3O4 microcapsules and Zr/Pb3O4 powder
静电感度、撞击感度和摩擦感度的结果见
火焰感度的测试结果为，CA/Zr/Pb3O4微胶囊的发火特征高度在65.38 mm左右，Zr/Pb3O4粉末的发火特征高度为81.83 mm左右，说明CA的加入会在一定程度上降低点火药的火焰感度。
为了获得Zr/Pb3O4粉末和CA/Zr/Pb3O4微胶囊的燃速和火焰长度，采用高速摄影设备记录各样品的激光点火燃烧图像，高速摄影拍摄速度为5000帧/s。将被测样品在60 MPa压力作用下压入半透明PC（聚碳酸酯）管内，管内径为2 mm、外径为30 mm、长度为 50 mm。利用（100±2） mm长的导火索点燃药剂，并用高速摄影相机记录下药剂的燃烧过程。
a. Zr/Pb3O4 powder
b. CA/Zr/Pb3O4 microcapsule
图8 Zr/Pb3O4粉末和CA/Zr/Pb3O4微胶囊的燃烧过程
Fig.8 Combustion process of Zr/Pb3O4 powder and CA/Zr/Pb3O4 microcapsule
a. Zr/Pb3O4 powder
b. CA/Zr/Pb3O4 microcapsules
图9 Zr/Pb3O4粉末和CA/Zr/Pb3O4微胶囊的火焰长度
Fig.9 Flame length of Zr/Pb3O4 powder and CA/Zr/Pb3O4 microcapsule
（1）以SA为黏合剂，通过液相连续流混合，在水相中利用SA与C
（2）CA/Zr/Pb3O4微胶囊的撞击感度大于100 J，摩擦感度大于360 N静电感度大于156.25 mJ，其发火特征高度65.38 mm左右，表明CA的加入会在一定程度上影响点火药的点火性能；高速摄影结果表明CA/Zr/Pb3O4微胶囊燃速偏差为6.86，远低于Zr/Pb3O4粉末的燃速偏差12.04，证明CA/Zr/Pb3O4微胶囊燃烧一致性好，燃速更稳定。CA/Zr/Pb3O4微胶囊的火焰长度比Zr/Pb3O4火焰长17.1 mm，粒子更多。
（3）本实验所采用的微胶囊制备方法通过液相连续流混合，提高了药剂混合的一致性和生产过程的安全性，为后续实现人机隔离的自动化生产奠定了基础。
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