无烟火药是怎么回事？给你配方你会造吗？

摘要：没错，自拿破仑战争以来，军事指挥官都反映在被射击烟雾笼罩的战场上发号施令非常困难。在枪支使用的火药产生的浓烟中，无法看清视觉信号。除非有强风，否则，几枪之后，使用火药弹药的士兵的视线就会被巨大的烟雾所遮挡，而且随着射速的提高，这个问题也变得更加严重。

没想到一提起黑火药，大家兴趣这么高，那么咱们继续：

黑火药在英语中就是“gunpowder”分解一下 gun （枪）powder（粉末），如果直译就是“枪药”。

但是，黑火药只能是当时有限条件下的“枪药”选择，它的弊端太多了。以至于后来“枪药”被“无烟火药”所替代。

从“无烟火药（Smokeless powder）”这个名字来说，它首先要解决的痛点就是“烟”，或者可以认定无烟火药的卖点就是“Smokeless”。

那么问题来了——“烟”真的是黑火药的痛点吗？还真别说！“烟”是黑火药最大的痛点，没有之一！

如果看前面的一个动图，你会觉得开一枪没有多大烟，似乎不成什么问题，但是如果是早期“排队枪毙”的线性作战，事情就不是想象的那么简单了。

当一群士兵开火几轮后战场上的能见度会急剧下降，在排队枪毙的过程中士兵和指挥官所面临的问题就不是对方或者己方的伤亡情况，而是目标在哪里了。

没错，自拿破仑战争以来，军事指挥官都反映在被射击烟雾笼罩的战场上发号施令非常困难。在枪支使用的火药产生的浓烟中，无法看清视觉信号。除非有强风，否则，几枪之后，使用火药弹药的士兵的视线就会被巨大的烟雾所遮挡，而且随着射速的提高，这个问题也变得更加严重。

回过头来我们看——黑火药是由硝酸钾（氧化剂）+硫磺（助燃）+木炭（还原剂）构成的三元配方，它燃烧后不仅释放气体推动弹丸，还带来大量固体残渣和烟尘。

相比之下，无烟火药的本质是高氮含能有机物的热分解反应，其产物几乎全是气体，故称“无烟”。

但是，这里就有一个军迷们长久以来的一个误解，一提到“无烟火药”就认为这玩意是“硝化棉”，然而事实并非如此！

要知道的是，人这种生物很好玩，面对问题的时候首先想到的并不是发明一个新的事物来替代老事物，而是想着如何“改良”，通过改进老事物来取得一定效果。

在“黑火药冒烟很严重”的问题凸显出来之后，人们并没有去发明硝化棉，而是采用了往黑火药中加添加剂的方式降低黑火药爆炸时候烟雾的产生的方法。

首先被选择的是一系列的钡盐，例如氯化钡、硫酸钡、硝酸钡。

钡盐有一种特性，就在高温下更倾向于成为气体而不是以固体颗粒的形式存在，而在火药燃烧爆炸的过程中，失去了阴离子的钡离子就会和一些黑火药爆炸的产物结合而起到消除烟雾的特性。

如果说几千年前中国人的老祖宗是炼丹术士在炼丹的时候误打误撞的发明了黑火药，那么在开发无烟火药的过程中，西方人在200-300年前依然是采用了炼丹术士的各种想法，在火药中加二氧化硅、铝粉、镁粉、食盐、骨头粉、石膏……各种可以尝试的配方其实比当年炼丹还魔障。

但是这些“加加减减”的思路，很快就暴露了根本性问题——黑火药的逻辑就是“冒烟”，它的结构天然决定了它一定冒烟。你可以往里加硝酸钡，它确实能让反应更彻底一点，少点灰；也可以加二氧化硅，做点吸附；甚至加骨头粉和盐，把炼丹那一套都搬进来。但最后你会发现——这些东西也只是“修容粉”，遮不住本质。真正的“无烟”，必须从底层架构上推翻黑火药的构成方式。

终于，到了19世纪末，欧洲人终于从“加点啥”的炼丹思路中醒过来，意识到不能再靠“补丁”改药了，而是得另起炉灶。这个时候，“硝化棉”登场了。

1884年，法国化学家 Paul Vieille 终于做了“火药史上的哥白尼式革命”——他不再纠结于怎么把黑火药“改良”，而是从根上提出了新药思路：使用高氮有机物——硝化棉，来直接释放气体能量而不产生烟雾。

Poudre B

这种火药被命名为 Poudre B（B药），正式取代黑火药成为法国军队制式装药。“Poudre”这个词是法语的“粉末”的意思，等同于咱们前面提到的Powder。于是“火药B”就被法军迅速装备了。为了迷惑敌人，法国人管这种绿色的小片状物叫做“白火药”。

“白火药”由68.2%的不溶性硝化纤维素、29.8%的用乙醚胶化的可溶性硝化纤维素和2%的石蜡制成。

必须的吐槽时刻到了：

有很多粉丝和W君提过，法国的各种配方都是精确到小数点后0.1的。例如这里的68.2%和29.8%的比例，并不会像咱们写0.5%或者69%这样的比例。好像是法国人的精度更高一样。

但实质上是——法国的数学计数法是极其混乱的。法语的数字是十进制和十六进制以及倍率混合法的一个数字体系。法语6是six、7是sept、10是dix，60是soixante、70是soixante-dix（60和10）、80是quatre-vingts（四个20）……90是quatre-vingt-dix（4个20再加10）……

至于68.2%和29.8%分别是soixante-huit virgule deux pour cent和vingt-neuf virgule huit pour cent，比起其他实验正确的写法更为方便一些

^!^ 日常乳法

方子就是法国人的方子，但是要注意一下，里面的硝化纤维素也就是硝化棉分了两种，其中一大部分是不溶性的硝化纤维素、另一部分是用乙醚处理过的硝化纤维素。

硝化棉的生产工艺W君是可以毫不避讳的告诉大家，毕竟这是很基础的有机化学课本里面的内容，而且这个工艺没什么秘密而言。

以纤维素为原料一般的情况下就是脱脂棉或者木浆，加上浓硫酸和浓硝酸，冰浴反应5-15分钟。

这是一个典型的硝化反应，在浓硫酸的环境下，硝酸的硝基（-NO2）取代了纤维素中的羟基（-OH）形成硝化纤维素。

我们来看其中的机理：纤维素是一种高分子有机化合物（C6H10O5）ₙ

在它的单体中有大量的羟基（-OH），浓硫酸有脱水作用，会夺取包含羟基的官能团中的OH生成水（H₂O），而失去羟基的部分则由硝基取代——典型的酯化反应。

但是，你会发现纤维素的单体内并不只包含一个羟基（-OH），在取代的过程中并不能保证羟基（-OH）全部被取代为硝基——硝化反应不完全。

这就导致了取代完全与否与最终硝酸纤维素产物的性质有密切关联。

所以，这就是为什么“白火药”中的硝化纤维素会分成两种——不是“法国人强迫症”，也不是“工艺凑数”，而是因为硝化反应本身并不全等。反应条件、反应时间、反应位点，都会影响羟基被硝酸酯化的程度，而不同程度的硝化产物就具有了不同的物理性质。

有的能炸但太硬；有的能溶但推力不足。最终只能像混凝土一样，把粗骨料（不溶性高氮棉）和细骨料（可溶性中氮棉）按比例混在一起，加点润滑剂压一压，炸得干净还不冒烟，这才是工程。

更为夸张的是，实际上至今在我们身边硝酸纤维素并不少见，很多的油漆、胶卷、乒乓球的原料就是没有完全酯化的硝化纤维素。

这里就有一个硝化纤维素的含氮量的概念了。刚刚提到（C6H10O5）ₙ是纤维素的分子式，其单体是C6H10O5，如果不聚合的话，给单体加一个H2O我们就可以看到C6H12O6这玩意就是葡萄糖。所以纤维素可以看作是由 β-1,4 连接的葡萄糖单元构成，每个葡萄糖单元上有三个羟基（分别在C2、C3、C6位）。所以理论上，每个单元可以发生最多三个位点硝化。因此硝化纤维素的单体中就包含了单硝酸酯、二硝酸酯和三硝酸酯三种不同的单体。这里就引入了氮的概念了。理论上如果一条纤维素分子上所有的羟基都被硝酸酯化其含氮量为14.14%，这就是一种典型的高能炸药了，但如果其中含有大量的单硝酸酯、二硝酸酯它的含氮量就会大幅度降低，有可能不足10%这种东西就点着了，也只是安静的缓燃并不会有推进作用。

刚刚提到的硝化反应需要冰浴，这是一个在实验室中控制温度的方式，在加料阶段反应物要小于5摄氏度、而在反应阶段要保持5-12度的反应温度，在反应结束的时候要保持温度小于10度。

具体的温度控制曲线和反应时间决定了最后硝化纤维的含氮量。温度是一个维度，时间也是！温度差一分钟，含氮量的偏差可以飙出1%；同时硝化纤维素的生成环境中含有硝酸和硫酸，在湿润的液体环境中还算稳定，但是在干燥环境下反应物对酸性极其敏感。如果不能彻底的清除反应物中的酸性，那么最终得到的就是一坨很不稳定的烈性炸药——随时可能爆炸。

同样的，原料的品质和纯度也是影响所有反应的重要因素，大批量生产硝化纤维素的时候通常需要先用一小部分样品来在实验室中进行测定和实验生产，以确定这一批原料的工艺曲线。实验室定义出的工艺曲线还得用工业设备去还原忠实执行。这就不是一个手工作坊可以自己完成的事情了。所以，就像标题说的一样，如果给你配方给你工艺，你也无法制造出真正可以用的硝化纤维素。

其实很多民科在讨论物理学，这玩意对身体没啥伤害，但很少见到民科们做实验搞化学吧？原因很简单，第一是胆子小的人不敢搞，第二是胆子大的人没撑到出“成果”的那一天。

刚刚还提到了原料，现在很多伪军迷还在唠闲嗑，说西方没有了我们的长绒棉就无法制造硝酸纤维素了。这又是一个自吹自擂的“误解”。

虽然硝酸纤维素现在叫做硝酸棉，但是现代工业中造就不用棉花制作硝酸纤维素了。

棉花并不是“最好的”硝化纤维素原料，虽然棉花的主要成分是纤维素（>90%），几乎不含木质素、半纤维素等不必要杂质，适合直接用于硝化反应，但是棉花纤维为中空结构，导致制成的硝化棉在某些高强度用途（如高性能无烟火药）中机械强度不足。而且棉花是天然产品，受到批次影响严重，絮棉被你可能无感，但在在如军事、火箭推进剂等高端应中，杂质、水分、粒径分布等影响就特别的明显了。

现在制作纤维素的东西是木浆，尤其是α-纤维素木浆，这个东西主要用途是制造高档纸张，次要用途就是做硝化纤维素。

只不过这种东西都是经过硫酸漂白的，放在照片上看很多人觉得这玩意就是棉花，导致了很多人就以此推断现在纤维素的制造还是用棉花。

那么为什么放弃天然纤维素的源泉棉花不去用，还得大费周折去除木质素、半纤维素去使用工业半成品木浆呢？

这件事，我们这样看——你在市场上买到的苹果、橘子几乎每一个口味都不一样或者酸点或者甜一点，但你在市场上买到的果汁无论你是在什么季节、什么地区买到的果汁，只要是一个品牌的喝起来都不会有变化。这就是工业品和农业品的区别了，在生产加工的过程中，工业品可以依靠添加添加剂、调整工艺细节保证出品的品质稳定，而对于农业品来说就是靠天吃饭了。

在生产硝化纤维素的过程中，其实有一个可以按批次迅速生产的木浆就远胜于直接拿棉花做硝酸纤维素的起点了。

再高端的硝酸纤维素的生产原料甚至都已经不是木浆了，而是类似于嫘萦丝的人造纤维。