無煙火藥是怎么回事？給你配方你會造嗎？

沒想到一提起黑火藥，大家興趣這么高，那么咱們繼續：

黑火藥在英語中就是“gunpowder”分解一下 gun （槍）powder（粉末），如果直譯就是“槍藥”。

但是，黑火藥只能是當時有限條件下的“槍藥”選擇，它的弊端太多了。以至于后來“槍藥”被“無煙火藥”所替代。

從“無煙火藥（Smokeless powder）”這個名字來說，它首先要解決的痛點就是“煙”，或者可以認定無煙火藥的賣點就是“Smokeless”。

那么問題來了——“煙”真的是黑火藥的痛點嗎？還真別說！“煙”是黑火藥最大的痛點，沒有之一！

如果看前面的一個動圖，你會覺得開一槍沒有多大煙，似乎不成什么問題，但是如果是早期“排隊槍斃”的線性作戰，事情就不是想象的那么簡單了。

當一群士兵開火幾輪后戰場上的能見度會急劇下降，在排隊槍斃的過程中士兵和指揮官所面臨的問題就不是對方或者己方的傷亡情況，而是目標在哪里了。

沒錯，自拿破侖戰爭以來，軍事指揮官都反映在被射擊煙霧籠罩的戰場上發號施令非常困難。在槍支使用的火藥產生的濃煙中，無法看清視覺信號。除非有強風，否則，幾槍之后，使用火藥彈藥的士兵的視線就會被巨大的煙霧所遮擋，而且隨著射速的提高，這個問題也變得更加嚴重。

回過頭來我們看——黑火藥是由硝酸鉀（氧化劑）+硫磺（助燃）+木炭（還原劑）構成的三元配方，它燃燒后不僅釋放氣體推動彈丸，還帶來大量固體殘渣和煙塵。

相比之下，無煙火藥的本質是高氮含能有機物的熱分解反應，其產物幾乎全是氣體，故稱“無煙”。

但是，這里就有一個軍迷們長久以來的一個誤解，一提到“無煙火藥”就認為這玩意是“硝化棉”，然而事實并非如此！

要知道的是，人這種生物很好玩，面對問題的時候首先想到的并不是發明一個新的事物來替代老事物，而是想著如何“改良”，通過改進老事物來取得一定效果。

在“黑火藥冒煙很嚴重”的問題凸顯出來之后，人們并沒有去發明硝化棉，而是采用了往黑火藥中加添加劑的方式降低黑火藥爆炸時候煙霧的產生的方法。

首先被選擇的是一系列的鋇鹽，例如氯化鋇、硫酸鋇、硝酸鋇。

鋇鹽有一種特性，就在高溫下更傾向于成為氣體而不是以固體顆粒的形式存在，而在火藥燃燒爆炸的過程中，失去了陰離子的鋇離子就會和一些黑火藥爆炸的產物結合而起到消除煙霧的特性。

如果說幾千年前中國人的老祖宗是煉丹術士在煉丹的時候誤打誤撞的發明了黑火藥，那么在開發無煙火藥的過程中，西方人在200-300年前依然是采用了煉丹術士的各種想法，在火藥中加二氧化硅、鋁粉、鎂粉、食鹽、骨頭粉、石膏……各種可以嘗試的配方其實比當年煉丹還魔障。

但是這些“加加減減”的思路，很快就暴露了根本性問題——黑火藥的邏輯就是“冒煙”，它的結構天然決定了它一定冒煙。你可以往里加硝酸鋇，它確實能讓反應更徹底一點，少點灰；也可以加二氧化硅，做點吸附；甚至加骨頭粉和鹽，把煉丹那一套都搬進來。但最后你會發現——這些東西也只是“修容粉”，遮不住本質。真正的“無煙”，必須從底層架構上推翻黑火藥的構成方式。

終于，到了19世紀末，歐洲人終于從“加點啥”的煉丹思路中醒過來，意識到不能再靠“補丁”改藥了，而是得另起爐灶。這個時候，“硝化棉”登場了。

1884年，法國化學家 Paul Vieille 終于做了“火藥史上的哥白尼式革命”——他不再糾結于怎么把黑火藥“改良”，而是從根上提出了新藥思路：使用高氮有機物——硝化棉，來直接釋放氣體能量而不產生煙霧。

Poudre B

這種火藥被命名為 Poudre B（B藥），正式取代黑火藥成為法國軍隊制式裝藥。“Poudre”這個詞是法語的“粉末”的意思，等同于咱們前面提到的Powder。于是“火藥B”就被法軍迅速裝備了。為了迷惑敵人，法國人管這種綠色的小片狀物叫做“白火藥”。

“白火藥”由68.2%的不溶性硝化纖維素、29.8%的用乙醚膠化的可溶性硝化纖維素和2%的石蠟制成。

必須的吐槽時刻到了： 有很多粉絲和W君提過，法國的各種配方都是精確到小數點后0.1的。例如這里的68.2%和29.8%的比例，并不會像咱們寫0.5%或者69%這樣的比例。好像是法國人的精度更高一樣。 但實質上是——法國的數學計數法是極其混亂的。法語的數字是十進制和十六進制以及倍率混合法的一個數字體系。法語6是six、7是sept、10是dix，60是soixante、70是soixante-dix（60和10）、80是quatre-vingts（四個20）……90是quatre-vingt-dix（4個20再加10）…… 至于68.2%和29.8%分別是soixante-huit virgule deux pour cent和vingt-neuf virgule huit pour cent，比起其他實驗正確的寫法更為方便一些 ^!^ 日常乳法

方子就是法國人的方子，但是要注意一下，里面的硝化纖維素也就是硝化棉分了兩種，其中一大部分是不溶性的硝化纖維素、另一部分是用乙醚處理過的硝化纖維素。

硝化棉的生產工藝W君是可以毫不避諱的告訴大家，畢竟這是很基礎的有機化學課本里面的內容，而且這個工藝沒什么秘密而言。

以纖維素為原料一般的情況下就是脫脂棉或者木漿，加上濃硫酸和濃硝酸，冰浴反應5-15分鐘。

這是一個典型的硝化反應，在濃硫酸的環境下，硝酸的硝基（-NO2）取代了纖維素中的羥基（-OH）形成硝化纖維素。

我們來看其中的機理：纖維素是一種高分子有機化合物（C6H10O5）?

在它的單體中有大量的羥基（-OH），濃硫酸有脫水作用，會奪取包含羥基的官能團中的OH生成水（H?O），而失去羥基的部分則由硝基取代——典型的酯化反應。

但是，你會發現纖維素的單體內并不只包含一個羥基（-OH），在取代的過程中并不能保證羥基（-OH）全部被取代為硝基——硝化反應不完全。

這就導致了取代完全與否與最終硝酸纖維素產物的性質有密切關聯。

所以，這就是為什么“白火藥”中的硝化纖維素會分成兩種——不是“法國人強迫癥”，也不是“工藝湊數”，而是因為硝化反應本身并不全等。反應條件、反應時間、反應位點，都會影響羥基被硝酸酯化的程度，而不同程度的硝化產物就具有了不同的物理性質。

有的能炸但太硬；有的能溶但推力不足。最終只能像混凝土一樣，把粗骨料（不溶性高氮棉）和細骨料（可溶性中氮棉）按比例混在一起，加點潤滑劑壓一壓，炸得干凈還不冒煙，這才是工程。

更為夸張的是，實際上至今在我們身邊硝酸纖維素并不少見，很多的油漆、膠卷、乒乓球的原料就是沒有完全酯化的硝化纖維素。

這里就有一個硝化纖維素的含氮量的概念了。剛剛提到（C6H10O5）?是纖維素的分子式，其單體是C6H10O5，如果不聚合的話，給單體加一個H2O我們就可以看到C6H12O6這玩意就是葡萄糖。所以纖維素可以看作是由 β-1,4 連接的葡萄糖單元構成，每個葡萄糖單元上有三個羥基（分別在C2、C3、C6位）。所以理論上，每個單元可以發生最多三個位點硝化。因此硝化纖維素的單體中就包含了單硝酸酯、二硝酸酯和三硝酸酯三種不同的單體。這里就引入了氮的概念了。理論上如果一條纖維素分子上所有的羥基都被硝酸酯化其含氮量為14.14%，這就是一種典型的高能炸藥了，但如果其中含有大量的單硝酸酯、二硝酸酯它的含氮量就會大幅度降低，有可能不足10%這種東西就點著了，也只是安靜的緩燃并不會有推進作用。

剛剛提到的硝化反應需要冰浴，這是一個在實驗室中控制溫度的方式，在加料階段反應物要小于5攝氏度、而在反應階段要保持5-12度的反應溫度，在反應結束的時候要保持溫度小于10度。

具體的溫度控制曲線和反應時間決定了最后硝化纖維的含氮量。溫度是一個維度，時間也是！溫度差一分鐘，含氮量的偏差可以飆出1%；同時硝化纖維素的生成環境中含有硝酸和硫酸，在濕潤的液體環境中還算穩定，但是在干燥環境下反應物對酸性極其敏感。如果不能徹底的清除反應物中的酸性，那么最終得到的就是一坨很不穩定的烈性炸藥——隨時可能爆炸。

同樣的，原料的品質和純度也是影響所有反應的重要因素，大批量生產硝化纖維素的時候通常需要先用一小部分樣品來在實驗室中進行測定和實驗生產，以確定這一批原料的工藝曲線。實驗室定義出的工藝曲線還得用工業設備去還原忠實執行。這就不是一個手工作坊可以自己完成的事情了。所以，就像標題說的一樣，如果給你配方給你工藝，你也無法制造出真正可以用的硝化纖維素。

其實很多民科在討論物理學，這玩意對身體沒啥傷害，但很少見到民科們做實驗搞化學吧？原因很簡單，第一是膽子小的人不敢搞，第二是膽子大的人沒撐到出“成果”的那一天。

剛剛還提到了原料，現在很多偽軍迷還在嘮閑嗑，說西方沒有了我們的長絨棉就無法制造硝酸纖維素了。這又是一個自吹自擂的“誤解”。

雖然硝酸纖維素現在叫做硝酸棉，但是現代工業中造就不用棉花制作硝酸纖維素了。

棉花并不是“最好的”硝化纖維素原料，雖然棉花的主要成分是纖維素（>90%），幾乎不含木質素、半纖維素等不必要雜質，適合直接用于硝化反應，但是棉花纖維為中空結構，導致制成的硝化棉在某些高強度用途（如高性能無煙火藥）中機械強度不足。而且棉花是天然產品，受到批次影響嚴重，絮棉被你可能無感，但在在如軍事、火箭推進劑等高端應中，雜質、水分、粒徑分布等影響就特別的明顯了。

現在制作纖維素的東西是木漿，尤其是α-纖維素木漿，這個東西主要用途是制造高檔紙張，次要用途就是做硝化纖維素。

只不過這種東西都是經過硫酸漂白的，放在照片上看很多人覺得這玩意就是棉花，導致了很多人就以此推斷現在纖維素的制造還是用棉花。

那么為什么放棄天然纖維素的源泉棉花不去用，還得大費周折去除木質素、半纖維素去使用工業半成品木漿呢？

這件事，我們這樣看——你在市場上買到的蘋果、橘子幾乎每一個口味都不一樣或者酸點或者甜一點，但你在市場上買到的果汁無論你是在什么季節、什么地區買到的果汁，只要是一個品牌的喝起來都不會有變化。這就是工業品和農業品的區別了，在生產加工的過程中，工業品可以依靠添加添加劑、調整工藝細節保證出品的品質穩定，而對于農業品來說就是靠天吃飯了。

在生產硝化纖維素的過程中，其實有一個可以按批次迅速生產的木漿就遠勝于直接拿棉花做硝酸纖維素的起點了。

再高端的硝酸纖維素的生產原料甚至都已經不是木漿了，而是類似于嫘縈絲的人造纖維。

這種東西就是把纖維素利用氫氧化鈉處理后在經過陳化的過程后噴霧到硫酸中，最終形成新的纖維組織結構。

由于粗細、成分都經過了更細致的生產控制，因此用這些人造纖維所生產出的硝酸纖維素的品質和穩定性就得到了更好的保障，也就更就廣泛的應用在了航空航天軍事等領域中。

到此，你應該了解完硝酸纖維素了。

不過，硝酸纖維素并不是唯一的無煙火藥，在早期的彈藥發射藥中還嘗試過硝化木屑+硝酸甘油的做法，這也是一種當年流行的無煙火藥，甚至在現代雙基發射藥的雙基就是特指硝化纖維素+硝酸甘油。而三基發射藥則又在前兩者的基礎上加上了硝基胍。

至于新的無煙發射藥，其實現在看起來又回歸了黑色，其實和前面給大家講的一樣，依然也在外面包覆了石墨層，用途其實還是為了維持發射藥的穩定性。但這玩意就是頂著“白色槍藥”的名字，表現出“黑色槍藥”外觀，而干“無煙槍藥”的事情了。