浅谈发射药制造中静电产生机理及控制范文

摘要：为提升发射药生产过程的安全性，对其在制造过程中静电产生机理及控制措施进行研究。通过对发射药制造过程易产生静电的主要工序进行分析，根据发射药制造过程中静电产生的机理，分别提出了控制发射药制造过程中接触带电、摩擦带电和升温带电的措施，并进行试验验证。结果表明：控制静电产生的主要措施是改变设备表面的功函数，增加导电剂和环境湿度，减少电荷的迁移和使电荷平衡。

关键词：发射药；静电；控制措施

引言

静电是一种处于静止状态或不做定向运动的电荷。静电放电是导致发射药燃烧爆炸事故发生的主要因素之一。在发射药制造过程中，制造发射药所用原料及发射药药粒之间和相关设备相互摩擦运动就会产生静电。由于发射药是高绝缘性物体，其体积电阻率高达1013Ω•m以上，是电的不良导体，导致发射药及原材料自我释放静电的能力较差，就会使产生的大量静电不断被积累。带有静电的发射药和与之有电位差的物体接触时，就会出现静电放电现象。当放电能量大于发射药及其周围可燃气体的最小点火能时，就存在引发燃烧爆炸事故的可能性；因此，发射药制造过程中的静电现象是造成燃烧、爆炸事故重要原因之一。在发射药防静电技术研究方面，国内卫水爱等研究了发射药生产过程中静电锥体放电规律[1]，钱仲研究了发射药生产防静电问题[2]，董朝阳等研究了发射药制造中的静电在线检测及消除[3]。但国内外对发射药制造过程中静电产生的机理和控制方法研究报道较少。国外在含能材料静电研究方面主要集中在粉体材料的静电产生与防护研究方面。发射药制造一般采用溶剂法工艺，主要产生静电和静电积累的工序是固体原料加料、烘干及混同包装工序。笔者分析了溶剂法发射药制造过程中产生静电的机理，提出了控制发射药制造过程中防止静电危害的措施。

1发射药制造过程静电产生的机理

1.1接触带电由于物质分子中质子所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，所以物质在自然状态下都呈现出电中性，即不带电状态。当发生电荷转移，物体正、负电荷失去平衡时，则成为带电体。物体产生静电的过程包括使物体间发生正负电荷转移并最终导致物体正负电荷平衡被破坏的所有过程[4]。对于发射药制造过程，固体物料与设备的接触，发射药粒之间及与设备的摩擦是产生静电的主要方式。当2个固体物质(包括颗粒)互相接触时，电荷会根据2种物质表面的电子或离子的能量不同而从一个物体向另一个物体转移，并直至达到电荷的平衡[5]。两者分离后，失去电子的物体带正电，而得到电子的则带负电。接触分离起电是指2种不同性质的物体表面相互接触并迅速分离后，分别带上数量相等、电性相反的静电电荷的过程。量子力学和能带理论认为，接触带电的机理是由于物体接触表面初始费米能级的差异引起电荷的转移[6]。费米能级可表示为功函数。功函数是指从物体中发射一个电子所需要的最小能量。当2个物体相互接触的表面距离小于25μm时，如果它们的功函数有差异，则以此为驱动力，电子会在2个物体接触面之间发生转移，最终在接触面空隙中形成偶电层。当偶电层的电位差补偿了两侧物质原始功函数之差时，电子就会停止转移并达到平衡状态。此时，若令两物体快速分离，形成的偶电层无法完全消散，就会使两物体分别带上多余的正负电荷，成为带电体。两物体的功函数相差越大，偶电层转移的电荷数量就会越多，接触面两边的电位差就会越大，分离后携带的电量也会越多。功函数越小越容易失去电子带正电荷，功函数越大越容易得到电子带负电荷。2种物质在静电序列中相差距离的大小，体现了它们相互接触之后接触电位的高低[7]。在发射药制造过程中，塑化机的物料加料过程是固体物料通过加料器加入塑化机中。固体物料一般为绝缘体，加料器多为金属导体，两者的功函数存在差异。固体物料与加料器的接触摩擦易形成接触带电，这就是加料过程中使固体物料产生静电主要原因。利用斜槽法(钢槽)对固体材料RDX进行静电积累试验，测量固体材料RDX通过不同斜槽长度后静电电荷积累值，试验结果见表1。由表可见：随着斜槽长度增加，固体材料RDX与斜槽的接触摩擦量增大，使固体材料RDX与斜槽之间接触分离的次数增多，导致静电积累量增大。

1.2摩擦带电摩擦起电本质上与接触带电类似，只是物质之间的摩擦使得接触点增多、接触面积增大，甚至会使接触面温度升高。这些都促进了电荷的转移，使静电产生速率更大。无论是相似物质，还是不同物质间都会发生摩擦起电。2个相似物质间产生的电荷可以与不同物质间一样多[8]。实际上，除2种不同的物质摩擦以外，当同一材料的两物体分开时，也能够因摩擦起电而生成基本的静电电荷。对于绝缘体，由于其中的电子状态具有空间局域性，即使内部到处都存在低能态的空位，电子仍可被高能态捕获。摩擦为接触表面的高能态捕获电子提供了释放途径。当绝缘体颗粒之间摩擦时，为一个表面的高能态电子提供了与另外一个表面的低能态空穴紧密接触的机会，从而导致了高能态电子向另一个颗粒表面低能态空穴的跃迁。当摩擦接触双方发生分离，在分离过程中界接触面状态没有完全消失前，界面能级由于分离力的作用升高，界面处聚集的电荷会迁移回绝缘体，导致两者分离后每个表面上均留下了剩余电荷，使绝缘体带电。摩擦起电对摩擦能量和速度最为敏感，所产生的静电电荷随摩擦速度增加而增加，摩擦能量对电荷转移的影响要大于物质性质的影响。这是因为摩擦过程中的动能使得接触表面电子或离子的能级发生变化，从而影响了电荷的转移过程。在发射药制造过程中，混同包装作业都将使发射药药粒之间产生摩擦，使其产生静电。对发射药摩擦起电进行试验，将发射药粒装入棉纤维布袋中，测量翻动两次的间断摩擦和翻动10次的连续摩擦后的静电电位，试验结果见表2。由表可见：摩擦使发射药的静电增加，摩擦状态越剧烈，产生的静电越大。

1.3升温带电物质由原子构成，而原子由带正电的质子和带相同负电的电子组成，物质整体显中性。根据量子力学理论，在单个原子中，电子具有一系列分离的能级。如果物体内含有若干个相同的原子，那么原先每个原子中具有相同能量的所有价电子，现在处于共有化状态。这些被共有化的外层电子，由于泡利不相容原理的限制，不能处于相同的能级上，这就使得原来相同的能级分裂成若干个和原能级相近的新能级。新能级具有一定能量范围，形成了不同能级的能带。在能量较低的能带中，所有能级均被电子占据，而能量较高的能带则没有电子。在绝对零度时，能带中的电子首先占据能带中的最低能级，填充满后再继续填充次低级的能级，依次类推。当温度高于绝对零度时，电子会具有一定的热能，因此有些电子会具有稍高于费米能级的能量，并留下一些稍低于费米能级的空穴。当物质被加热时，费米能级附近的电子获得热能，在两物体相互接触面发生电子迁移。两物体分离后，产生带电现象。在发射药制造过程中，发射药烘干过程是使药粒加热过程，由于温度的作用，使药粒之间接触面发生电子迁移，使药粒产生带电。对发射药升温带电进行试验，将发射药由20℃加热到60℃，保温40h，测量加热前后发射药的静电电位，试验结果见表3。

2发射药制造过程静电控制措施

2.1控制接触带电的措施两接触物体由于得失电子的能力不同，电子由易失去电子的物体表面转移到相对易得到电子的物体表面，使两物体的接触面间产生一个偶电层。若这时两物体分离，则各自带了相反的摩擦电荷。在发射药制造过程中，加入塑化机的固体物料与加料器表面存在接触分离过程，是产生静电的重要因素。固体物料与加料器表面接触是两不同电介质间的接触摩擦过程，此时所形成的偶电层电荷面密度可由下式[9]表示：式中：0为真空电容率；1、2分别为固体物料和加料器表面的相对介电常数；e为电子电量；1、2分别为固体物料和加料器表面的偶电层厚度；1、2分别为固体物料和加料器表面的功函数。功函数表示了物体发射一个电子的最小能量。从上式可知：要减少固体物料与加料器表面接触摩擦产生的静电，就要使两者的功函数尽可能一致。可通过对固体物料或加料器表面进行改性材料涂覆，用调整涂覆材料的功函数的大小，使(12)的值趋于零来达到减少静电产生的目的。对于制式发射药，其配方组分是确定的，对固体物料进行涂覆将改变发射药的组分，影响发射药的性能，而对加料器表面进行改性材料涂覆，在不改变发射药原料的条件下，是消除静电的一种实用方法。加料器表面涂覆改性材料前后固体物料静电变化试验结果对比见表4。由表可见：通过采用加料器表面涂覆改性材料，使加料器表面涂层得失电子的能力与固体物料得失电子的能力相同或相近，从而减少固体物料的接触摩擦起电量。

2.2控制摩擦带电的措施摩擦产生静电是由于两物体接触面发射电子迁移造成的。由于发射药是绝缘体，发生电子迁移不能使物体所带正负电荷量达到平衡，导致静电产生。为减少或消除静电，就要使物体所带正负电荷量迅速达到平衡，能产生这种效果的外界因素就是增加物体的导电性。通过对发射药药粒表面进行石墨光泽，使发射药表面具有导电性，减少物体间电荷量的不平衡性，从而减少或消除静电。在发射药制造过程中，对发射药摩擦起电试验中的发射药粒加入石墨作为导电剂，将发射药粒进行石墨光泽后装入棉纤维布袋中，测量翻动2次的间断摩擦和翻动10次连续摩擦后的静电电位，试验结果见表5。由表可见：在发射药中则加导电剂，使摩擦对发射药产生的静电大幅度减小。

2.3控制升温带电的措施物体升温时，物体内费米能级的电子获得能量而易于发生迁移。由于发射药是绝缘体，将导致产生静电。改变环境条件也可增加发射药表面导电性。通过提高环境湿度来增加发射药表面的导电性。当空气湿度提高时，空气中的水分子作热运动，撞击到物质表面的几率增大，水分子容易被物体吸收或者附着在表面，形成一层很薄的水膜，由于水分子的强极性以及溶解在水中杂质的作用，可降低物体的表面电阻率。在发射药制造过程中，将烘干环境的相对湿度由30%提高到75%，试验结果见表6。由表可见：通过增加环境湿度，使升温造成的发射药产生的静电大幅度减小。

3结论

发射药制造过程中产生静电的主要方式是接触带电、摩擦带电和升温带电，其机理是发射药中电荷的迁移导致其正负电荷不平衡而产生的。控制发射药制造过程中静电产生的措施是减少电荷的迁移和使电荷平衡的方法。笔者通过改变设备表面的功函数，使之与发射药功函数相近，从而减少接触起电；通过增加导电剂减少摩擦起电；通过增加环境湿度减少升温起电。

参考文献：

[1]卫水爱,白春华,李春光.发射药生产过程中静电锥体放电规律数值模拟研究[J].兵工学报,2017(5):892-899.

[2]钱仲.发射药生产防静电问题的研究[J].军械工程学院学报,2000,12(增刊):143-148.

[3]董朝阳,郭茂林,李国峰.发射药制造中的静电在线检测及消除[J].兵器装备工程学报,2017(5):27-30.

[4]刘尚合,武占成.静电放电及危害防护[M].北京:北京邮电大学出版社,2004:127-134.

[6]吴宗汉.基础静电学[M].北京:北京大学出版社,2010:102-105.

[7]中国物理学会.静电起电问题[M].北京:静电科研组,1980:392-406.

[9]方俊鑫,殷之文.电介质物理学[M].北京:科学出版社,1998:132-137.

作者：张洪林 李洪叶 刘宝民 崔立明 李欣馨 王旭东 单位：辽宁庆阳特种化工有限公司院士工作站