火炸药属高绝缘材料，电阻率一般在10¹²~10¹⁶ Ω·cm之间，因此在制药、倒药、混药、轮碾、粉碎、切片过筛、气流输送、气力粉碎及炮弹装药等许多工艺过程中，由于人体的各种活动、工装机具的接触-分离和被加工对象之间的摩擦剥离等，导致电子转移产生静电荷，当两物质分开时，电荷未能及时导走，可能产生静电积累^[1-3]；绝大多数火炸药不仅是高绝缘易起静电的粉体，其总的表面积非常大，而且也都属于易燃易爆的活性介质，当静电积累到一定程度就会与周围物体形成一定场强，当静电场强达到环境击穿场强，很容易发生静电放电导致的燃爆灾害事故^[4-5]。据统计，由于静电而引起的火炸药燃爆事故占火炸药生产总事故的10%左右，国内外曾发生过很多起由于物质静电积累而导致的事故，造成大量人员伤亡以及财产的损失。典型事例介绍如下：

1969年我国某化工厂单基无烟药混同工序，在混药时突然发生爆炸，造成27人死亡，直接经济损失近百万元。经过分析，专家组认为是药剂与输送带之间的机械摩擦产生静电火花而引发事故的；1985年1月11日，美国部署在前西德的潘兴Ⅱ导弹发生发动机爆炸事故，造成3人死亡，16人受伤，损失惨重。经过深入的调查研究，事故原因归结为复合材料壳体与运输车上的支架摩擦起电，在推进剂药柱局部形成高电场，击穿药柱并形成静电放电，药柱被点燃，进而发生爆炸^[6]。

从上述事例可以看出火炸药一旦积累了一定量静电荷将很有可能成为危险源，关于这方面研究已有不少报道。刘钧等^[7]对不同粒度RDX静电积累量进行了测试，发现粒度越大其带电量越小。陆明等^[8]的研究也表明，静电积累值随着RDX的质量增加而线性增加，存在一个角度对应着最大静电量值，当滑槽角度小于这个角度时，静电积累量随着角度的增加而上升，当滑槽角大于这个角度后，电量又迅速下降。本工作在前人的基础上选取与火工药剂电阻接近的石英砂为试验样品，研究了不同测试条件下的静电积累量及其变化规律，为减少静电放电引爆火工药剂事故的发生，提高火工药剂在静电环境的安全性，提供一定的基础理论指导。

实验所需试样石英砂均为市售分析纯，将所买石英砂用稀硝酸浸泡洗除表面杂质，用清水洗净烘干。用不锈钢筛对产品进行干态筛分，得到不同粒度的样品，放入干燥器中，待用。在对石英砂静电积累量测试过程中均选择粒度为110~420 μm的石英砂进行测量。

实验用高氯酸碳酰肼系列、叠氮化铅以及斯蒂芬酸铅等火工药剂均根据成熟的合成工艺路线制得^[9-11]。同样用不锈钢筛对产品进行筛分，得到90~380 μm的产品，放入干燥器中，待用。

静电积累量是表征火工药剂与其他物质摩擦产生静电并积累的难易程度的物理量，符号为Q，单位为nc·g^-1。静电积累量测试原理如图 1所示。将一定量的样品由滑盒1倒入某种具有一定长度与倾斜角度的滑槽2内，样品从滑槽上滑下，与滑槽表面摩擦带上一定量的静电荷，带电的样品滑入接药容器法拉第筒4中，数字天平5可记录样品的质量，电荷量则由数字电荷仪7测出，数字电压仪6则读出样品经过滑槽底端时所带的电压(由电压探头3采集)，这三组数据通过计算机数据采集与软件系统8输入计算机中，最后由计算机9采集、处理数据。图 2为测试装置示意图。

图 1(Fig. 1)

图 1 静电积累量测试原理图 1—滑盒, 2—滑槽, 3—电压探头, 4—法拉第筒, 5—数字天平, 6—数字电压仪, 7—数字电荷仪, 8—计算机数据采集与软件系统, 9—计算机 Fig.1 Schematic diagram of the electrostatic accumulation test apparatus 1—slip box 2—chute, 3—voltage probe, 4—faraday cup, 5—digital balance, 6—digital voltage meter, 7—digital charge meter, 8—computer data acquisition software system, 9—computer

图 2(Fig. 2)

图 2 静电积累量测试装置图 Fig.2 Test apparatus for electrostatic accumulation

实验选用了夹布胶木盛药盒(滑盒)，铝、夹布胶木、有机玻璃、普通牛皮纸、虫胶漆牛皮纸、不锈钢和碳钢等不同材质的滑槽。在实验过程中除单独列出外，其余测试条件均为，滑槽材料虫胶漆牛皮纸，倾斜角度45°，长度60 cm，样品量5 g，石英砂粒度200~240 μm。

选取表 1所示4种粒度规格的石英砂在相同条件下(测试条件：环境温度19 ℃，湿度30%)对其静电积累量进行测试。图 3为石英砂静电积累量随粒度的变化关系。由图 3可知，随着石英砂粒度的增大，其静电积累量逐渐减少。当石英砂粒度为125 μm左右时，积累的电荷量最大为-5 nc·g^-1，粒度达到400 μm时，静电积累量已经减少到不足-0.5 nc·g^-1。这主要是由于随着石英砂粒度的减少，其比表面积越来越大，导致颗粒与滑槽的接触面积增大，摩擦面积加大，静电积累量增加。另外，研究测试了试样通过滑槽的下滑时间，并据此计算出不同粒度石英砂与滑槽表面的摩擦系数，结果见表 1，在其他条件相同的情况下，粒度越小其下滑时间越长，摩擦系数越大，石英砂带电量越高，这与前面利用经验解释的结果一致。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同粒度石英砂通过滑槽的下滑时间和摩擦系数 Tab. 1 Sliding in time and the friction coefficient of different particle sizes of quartz particle size/μm sliding time/ms friction coefficient 380~420 480 0.26 250~290 529 0.39 200~240 586 0.50 110~150 639 0.58

表 1 不同粒度石英砂通过滑槽的下滑时间和摩擦系数 Tab.1 Sliding in time and the friction coefficient of different particle sizes of quartz

图 3(Fig. 3)

图 3 粒度对石英砂静电积累量的影响 Fig.3 Effect of particle size on electrostatic accumulation of quartz

石英砂质量对其电荷量的影响规律如图 4所示(测试条件：环境温度10 ℃，相对湿度24%，滑槽材料：不锈钢滑槽)。由图 4可知，当试样用量为2.5 g时，积累的电荷量为-2 nc。随着石英砂质量的增大，电荷量增加，当质量为12.5 g时，累计静电量达到-8 nc以上。原因是，随着石英砂用量的增加，与滑槽摩擦的量增加，易产生静电荷，使电荷量增加。

图 4(Fig. 4)

图 4 质量对石英砂电荷量的影响 Fig.4 Effect of quartz mass on charge quantity of quarts

滑槽长度对石英砂静电起电量的影响规律如图 5所示(测试条件：环境温度14 ℃，相对湿度38%)。由图 5可知，下滑长度为10 cm时，石英砂摩擦起电量为-1.1 nc·g^-1，随着下滑长度的增加，其静电积累量呈指数增加。当下滑长度到了80 cm的时候，其质量电荷密度已经达到-2.8 nc·g^-1左右。这是因为，下滑长度越长，其摩擦路途越长，下滑过程中积累的静电荷就越多，同时也增加了下滑时间，导致在下滑过程中流散的静电荷也有所增加，所以电荷增加速度渐趋缓慢。

图 5(Fig. 5)

图 5 下滑长度对石英砂静电积累量的影响 Fig.5 Effects of flume length on electrostatic accumulation of quartz

滑槽倾斜角度对石英砂静电积累量的影响规律如图 6所示，(测试条件：环境温度10 ℃，相对湿度24%，滑槽材料：普通牛皮纸、导电胶皮、不锈钢)。测试结果表明：随着滑槽角度的增加，积累的电荷量越来越少。这是因为，角度越大，下滑速度越快，介质与滑槽未能充分摩擦便滑入法拉第筒中，导致部分介质没有充分带电。而通过这三种滑槽对比来看，普通牛皮纸滑槽受角度的影响最大且最容易积累静电荷，当滑槽倾斜角度从30°增大到65°时，石英砂静电积累量降低了近三分之一；而不锈钢滑槽由于本身可以导电，不容易积累静电荷，样品在整个下滑过程中产生的积累量很少，并且随滑槽倾斜角度的变化影响也较小。

图 6(Fig. 6)

图 6 滑槽角度对石英砂静电积累量的影响 Fig.6 Effect of inclination of flume on electrostatic accumulation of quartz

滑槽材质不同，其静电积累量值往往有很大差别。表 2给出了几种常见滑槽材质对石英砂静电积累量的影响结果，(测试条件：环境温度12 ℃，相对湿度26%)。从表 2中可以看出，不锈钢与碳钢滑槽的静电积累量只有-0.71, -0.57 nc·g^-1，而乳胶皮与有机玻璃等滑槽产生的积累电荷量比不锈钢产生的积累电荷量6倍还多。这是因为在其他条件都固定的情况下，石英砂带电量的大小决定于两者摩擦力的大小，摩擦系数越大，石英砂所带电量越高。因此火炸药在过筛和使用过程中要慎重选择滑槽材料，在与之接触较多的场合，尽量避免使用与之摩擦后带电量高的材料。

表 2(Tab. 2)

表 2 滑槽材质对石英砂静电积累量的影响 Tab. 2 Effect of material of flume on electrostatic accumulation of quartz number chute materials charge mass density/nc·g-1 1 stainless steel -0.71 2 shellac varnish kraft paper -2.69 3 kraft paper -3.08 4 conductive rubber -2.06 5 insulating rubber -1.35 6 emulsion skin -4.78 7 carbon steel -0.57 8 organic glass -4.46

表 2 滑槽材质对石英砂静电积累量的影响 Tab.2 Effect of material of flume on electrostatic accumulation of quartz

湿度对石英砂静电积累量的影响规律如图 7所示(测试条件：环境温度18 ℃)。测试结果表明：石英砂的静电积累量与环境湿度有着良好的线性关系。主要原因是因为当环境湿度较高时，物体吸附的水分子增多，导致介质物体表面电导率提高，从而使静电荷泄漏能力增强，使静电荷的衰减速率大大加快，有效地限制了静电积累的产生。环境温度对石英砂静电积累量的影响要小于湿度，研究在相对湿度为36%的条件下测试了不同环境温度下石英砂的静电积累量，结果如图 8所示。测试结果表明：石英砂的带电量随着温度的增加而升高，并且其线性趋势非常良好。这是因为在空气湿度不变的情况下，环境温度的改变能够引起杂质迁移率的改变以及表面吸附水的变化，从而使药剂电阻率发生变化，影响静电积累量。

图 7(Fig. 7)

图 7 相对湿度对石英砂静电积累量的影响 Fig.7 Effect of humidity on electrostatic accumulation of quartz

图 8(Fig. 8)

图 8 环境温度对石英砂静电积累量的影响 Fig.8 Effect of environment temperature on electrostatic accumulation of quartz

对叠氮化铅、斯蒂芬酸铅、苦味酸钾和高氯酸碳酰肼过渡金属配合物系列火工药剂的电阻率及静电积累量进行了测试，测试结果见表 3(测试条件：环境温度12 ℃，湿度38%，电阻率测试电压为100 V)。从表 3可以看出，火工药剂均属于高电阻率物体，其电阻率最高的甚至会达到10¹⁵数量级。对于斯蒂芬酸铅(LTNR)来说，相同条件下其静电积累量最高，因此在使用过程中要特别小心。而加了晶型控制剂糊精与聚乙烯醇的叠氮化铅(LA)，其静电积累值明显小于纯叠氮化铅，因此糊精与聚乙烯醇可以作为良好的抗静电剂使用。

表 3(Tab. 3)

表 3 常见火工药剂的电阻率与静电积累量 Tab. 3 Resistivity and electrostatic accumulation of the common initiating explosives name surface resistivity /Ω volume resistivity /Ω·cm charge mass density /nc·g-1 GTX 2.09×1013 6.94×1015 3.21 LA 9.18×1013 7.56×1014 8.10 LTNR 3.72×1014 1.67×1014 -10.18 dextrin LA 2.77×1012 3.19×1012 -3.18 polyvinyl alcohol LA 1.97×1015 8.86×1015 7.92 GTM 4.61×1014 1.47×1015 1.6 GTN 2.22×1013 8.77×1013 3.58 KPA 7.65×1011 2.53×1012 -

表 3 常见火工药剂的电阻率与静电积累量 Tab.3 Resistivity and electrostatic accumulation of the common initiating explosives

(1) 静电积累量随着滑槽材质的变化会发生大的改变，且与环境温度、滑槽长度和样品质量成正比，与环境湿度、滑槽倾斜角度和样品粒度成反比。

(2) 对常见火工药剂如斯蒂芬酸铅、叠氮化铅系列以及高氯酸碳酰肼系列起爆药的电阻率与静电积累量进行了测试，结果发现，常见起爆药均属于高电阻率物质，最高可达10¹⁵数量级，而斯蒂芬酸铅在相同条件下最易积累静电荷。

(3) 糊精与聚乙烯醇的加入能够很大程度降低叠氮化铅的静电积累量。