乳化基質(zhì)在炸藥動(dòng)壓減敏作用中的影響

朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學(xué)化工學(xué)院, 安徽淮南 232001)

乳化基質(zhì)在炸藥動(dòng)壓減敏作用中的影響

朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學(xué)化工學(xué)院, 安徽淮南 232001)

乳化炸藥在工程爆破中出現(xiàn)減敏現(xiàn)象,為研究這一現(xiàn)象用水作為傳壓介質(zhì),試驗(yàn)中不斷變換主發(fā)藥包與次發(fā)藥包之間的距離,并且讓次發(fā)藥包在主發(fā)藥包水中爆炸產(chǎn)生的動(dòng)壓作用下隨后起爆,觀測(cè)和分析次發(fā)藥包中乳化基質(zhì)的變化;試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著主發(fā)藥包與次發(fā)藥包之間距離不斷的減小,次發(fā)藥包受動(dòng)態(tài)壓力不斷增大,次發(fā)藥包中乳化炸藥的爆轟性能也逐漸降低,次發(fā)藥包中乳化基質(zhì)的分散相的粒徑也逐漸增大,基質(zhì)的破乳、析晶現(xiàn)象越發(fā)明顯。

乳化炸藥; 基質(zhì); 動(dòng)態(tài)壓力; 減敏

1 引言

1969年6月3日H.F.布盧姆(B1uhm)于美國(guó)專利3,447,978號(hào)中首次透露出一類水基硝銨類炸藥,即乳化炸藥。乳化炸藥泛指一類用乳化技術(shù)制備的油包水(W/O)乳膠型抗水工業(yè)炸藥,它是以氧化劑水溶液的細(xì)微液滴為分散相,懸浮在含有分散氣泡或空心玻璃微球或其它多孔性材料的似油物質(zhì)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)中,形成一種油包水型特殊乳狀液,使其獲得了非常良好的抗水性能。

同時(shí)由于乳化炸藥中的氧化劑以細(xì)微液滴的分散相水溶液存在,氧化劑與可燃劑接觸面積增大并且以非常緊密的方式接觸,氧化劑和還原劑間的距離幾乎接近與單質(zhì)炸藥分子中氧化還原基團(tuán)的距離,其起爆、傳爆及其爆轟性能明顯優(yōu)于其它工業(yè)炸藥接近于理想狀態(tài),是工業(yè)炸藥的發(fā)展方向。

然而也正是由于乳化炸藥這種比較特殊的油包水型乳化結(jié)構(gòu),當(dāng)外界壓力產(chǎn)生變化的同時(shí)炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)因壓力的改變而隨之產(chǎn)生不同程度的變化,從而炸藥的密度和感度也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生不同程度的變化。例如:在深水爆破中當(dāng)水的靜壓力超過一定值時(shí)就會(huì)使水下藥包的密度不斷增加,感度也隨之不斷下降;當(dāng)乳化炸藥體受到一個(gè)在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)壓力作用時(shí)(比如沖擊波、應(yīng)力波、壓力脈沖等),炸藥的起爆感度就會(huì)下降更為明顯,甚至出現(xiàn)拒爆壓死現(xiàn)象;前者稱為乳化炸藥靜壓下的減敏效應(yīng),后者則稱為動(dòng)壓下的減敏效應(yīng)。

在巖土和礦山爆破中常常使用微差起爆來減小爆破震動(dòng),首先起爆的炮孔會(huì)產(chǎn)生的沖擊波或應(yīng)力波,這些動(dòng)態(tài)壓力會(huì)對(duì)臨近的尚未起爆的炮孔中的乳化炸藥裝藥產(chǎn)生作用,使其密度增大,感度大幅下降,發(fā)生減敏現(xiàn)象,在施工時(shí)容易出現(xiàn)不同程度半爆、拒爆等現(xiàn)象。通過對(duì)乳化炸藥的結(jié)構(gòu)分析,掌握動(dòng)態(tài)壓力作用下乳化炸藥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,對(duì)乳化炸藥受壓后進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)變化的比較,從乳化炸藥本身找出動(dòng)態(tài)壓力下的減敏現(xiàn)象的原因,對(duì)乳化炸藥的進(jìn)一步發(fā)展有著積極的作用。

2 乳化炸藥的減敏

通過對(duì)乳化炸藥的基本結(jié)構(gòu)及敏化方式的分析,可以初步判斷引起乳化炸藥減敏現(xiàn)象的主要原因是動(dòng)態(tài)壓力對(duì)敏化氣泡載體的破壞。

敏化劑在乳化炸藥中形成的氣泡的尺寸在炸藥爆炸時(shí)容易形成熱點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)態(tài)壓力作用于乳化炸藥時(shí),玻璃微球或膨脹珍珠巖會(huì)不同程度的發(fā)生破碎,其有效氣泡載體減少,而根據(jù)熱點(diǎn)原理,只有熱點(diǎn)尺寸相當(dāng)小時(shí)(例如<10-6m、即1μm以下)才能出現(xiàn)相當(dāng)高的溫度;而尺寸較大時(shí),熱點(diǎn)的溫度較低;當(dāng)尺寸再大(>10-5m)甚至出現(xiàn)等溫壓縮,不會(huì)出現(xiàn)能導(dǎo)致強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)的熱點(diǎn),這些熱點(diǎn)只能引發(fā)炸藥的熱分解,最后直至消失也不會(huì)引發(fā)爆炸,最終炸藥發(fā)生減敏現(xiàn)象。吳紅波,顏事龍,劉鋒等人在《敏化劑類型對(duì)乳化炸藥減敏程度的影響》一文中針對(duì)這些現(xiàn)象已作了詳細(xì)的闡述。

同時(shí)在動(dòng)壓作用下乳化炸藥中乳化基質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變化,動(dòng)態(tài)壓力的作用可能會(huì)加速乳化基質(zhì)絮凝和聚結(jié)的過程,從而導(dǎo)致破乳現(xiàn)象的發(fā)生,同樣會(huì)產(chǎn)生減敏效應(yīng)。

為了解乳化基質(zhì)對(duì)動(dòng)壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響,并排除敏化劑減敏的干擾因素,可先將制備好的乳化基質(zhì)在不同的動(dòng)態(tài)壓力下加壓,得到不同程度受壓已經(jīng)減敏的基質(zhì),然后將完好的敏化載體添加到其中制成乳化炸藥,將它們的爆炸性能與基質(zhì)未受壓的正常的乳化炸藥比較,同時(shí)對(duì)受壓后乳化基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察,可以更直觀的體現(xiàn)乳化基質(zhì)對(duì)動(dòng)壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響作用的大小,對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)乳化炸藥減敏機(jī)理具有一定的意義。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.1 藥包的制備

藥包的制備分主發(fā)藥包和次發(fā)藥包,主發(fā)藥包為2 g鈍感RDX,次發(fā)藥包為10 g乳化炸藥。

主發(fā)藥包外殼由牛皮紙卷制而成,并進(jìn)行了防水處理。裝藥長(zhǎng)度為20mm,裝藥密度在1.05 g/cm3左右,長(zhǎng)徑比約為20/30≈1.53<4,因而可看作集中藥包,如圖1所示。

圖1 主發(fā)藥包結(jié)構(gòu)示意圖

次發(fā)藥包用聚乙烯薄膜包裝,制成呈球體狀。因?yàn)榫垡蚁┍∧け容^柔軟,可以較敏感的感受外界壓力。但是在受到?jīng)_擊波作用之后,包裹乳化炸藥的聚乙烯薄膜厚度要適中,不能破裂,否則會(huì)使部分乳化炸藥散落在水中,從而造成藥量損失。

3.1.2 爆炸水池

爆炸水池是一個(gè)直徑5.5 m,深3.62 m,璧厚8 mm的鋼桶結(jié)構(gòu)。水池上方有一橫梁,橫梁上有一小型吊車,在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下吊車可以將安裝藥包的鐵架子運(yùn)送到水下指定的位置。根據(jù)水池爆炸測(cè)試規(guī)程,為了消除來自水面和底部的邊界效應(yīng),將藥包置于水池軸心水深的2/3處,即水下2.4 m,如圖2、圖3所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)

圖3 爆炸水池

3.1.3 水下測(cè)量設(shè)備

測(cè)量系統(tǒng)由HZP2型自由場(chǎng)壓電壓力傳感器、PEPG06高輸入阻抗放大器、美國(guó)Agilent公司生產(chǎn)的54845A型示波器,以及低噪聲電纜組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

水是均勻介質(zhì),能夠均勻傳遞壓力,且在水中沖擊波的衰減速度較快,對(duì)實(shí)驗(yàn)室來說,以水為傳壓介質(zhì)是能夠較為逼真地模擬真實(shí)炮孔中炸藥所受的動(dòng)態(tài)壓力的一種方法。

實(shí)驗(yàn)利用主發(fā)藥包先在水中爆炸產(chǎn)生水中沖擊波,次發(fā)藥包在主發(fā)藥包產(chǎn)生的沖擊波預(yù)動(dòng)壓作用下稍后起爆,通過變換兩者之間的距離觀測(cè)次發(fā)藥包的減敏現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)首先在鐵架上固定次發(fā)藥包的受壓距離,在鐵架子中央,務(wù)必使兩藥包中心處于同一水平線上,如圖4所示。

圖4 藥包受壓前后布置圖

在爆炸水池中先引爆主發(fā)藥包,爆炸沖擊波在水中瞬間傳播至次發(fā)藥包,對(duì)之產(chǎn)生沖擊壓縮作用,通過調(diào)整主、次發(fā)藥包之間的距離,來控制的次發(fā)藥包所受的沖擊波強(qiáng)度。

取出次發(fā)藥包,水浴加熱到50℃～60℃時(shí)加入敏化劑,插入一發(fā)8#雷管并重新固定在鐵架子上,與傳感器的距離確定為41.5 cm,在爆炸水池中引爆。傳感器捕捉到壓力信號(hào),在示波器上顯示。壓力信號(hào)包括沖擊波和氣泡波,它們的主要性能參數(shù)都可以由示波器的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得。

為了便于比較,測(cè)試條件必須是相同的,包括藥包在水中的位置、裝藥量和測(cè)量距離等。因此,在同一組實(shí)驗(yàn)中,次發(fā)藥包與壓力傳感器之間的距離應(yīng)該是固定不變的,這樣一來,捕捉到的沖擊波只會(huì)隨著藥包本身的爆炸性能的變化而變化。從而,通過沖擊波壓力信號(hào)的強(qiáng)弱,就可以比較藥包的爆炸威力和反應(yīng)程度。

確定次發(fā)藥包與傳感器之間的距離時(shí),主要考慮了傳感器的性能和壓力信號(hào)的大小,在滿足測(cè)量要求的前提下,為保護(hù)壓力傳感器,延緩其使用壽命,應(yīng)該盡量將該距離確定得遠(yuǎn)一些。同時(shí),也減小了藥包尺寸對(duì)測(cè)量誤差的影響。實(shí)驗(yàn)中,使用了同一型號(hào)的壓力傳感器,經(jīng)過多次試驗(yàn),確定了41.5 cm的測(cè)量距離,當(dāng)然在同組實(shí)驗(yàn)中只能選擇一個(gè)距離。

同時(shí)在測(cè)量受壓藥包的沖擊波之前,先在同樣的測(cè)試條件下,分別測(cè)量同批未受壓的乳化炸藥和單獨(dú)一發(fā)8#工業(yè)電雷管的沖擊波,分別對(duì)應(yīng)于次發(fā)藥包全爆和被沖擊波壓死的情況。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

從實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)中可以很清楚的看出基質(zhì)未受壓的乳化炸藥的壓力峰值在130～140 mV之間,單發(fā)雷管的壓力峰值約為45.2 mV。而基質(zhì)受壓后的乳化炸藥,由于所受動(dòng)態(tài)壓力的不斷增大其壓力峰也值由130 mV左右逐漸降至50 mV左右,即從近乎全爆狀態(tài)降至幾乎被沖擊波壓死的情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分證明了乳化基質(zhì)對(duì)動(dòng)壓作用下乳化炸藥減敏作用的影響程度。見表1、表2、表3。

表1 8#雷管標(biāo)定(距離傳感器41.5 cm處測(cè)得)

表2 未受壓乳化炸藥爆炸威力的測(cè)試結(jié)果

表3 受動(dòng)壓作用后乳化炸藥爆炸威力的測(cè)試結(jié)果(距離傳感器41.5 cm處測(cè)得)

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)壓力作用下,乳化基質(zhì)的連續(xù)相與分散相之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),分散相的平均曲率變小,在界面膜的某些部位分散相與分散相之間的油膜被擠出,分散相液滴發(fā)生聚結(jié),致使分散相變大,體系的均一性變差,對(duì)化學(xué)反應(yīng)極為不利。

在乳化炸藥整個(gè)體系中,作為的玻璃微球粒徑分布范圍為6.19～89.67μm,珍珠巖粒徑分布范圍為20～130μm,敏化載體中包含氣泡的尺寸一般小于100μm,而水相液珠的直徑一般小于6μm,油膜的厚度為10-3～10-2μm。所以說敏化載體大部分將以第三相的狀態(tài)存在于乳化炸藥中即大部分的敏化載體接觸的是油相,油相包裹著水相整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 受壓前的乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)的接觸面示意圖

一般情況下乳化炸藥兩相界面的滲透壓為零,連續(xù)相既不會(huì)自發(fā)的流入,也不會(huì)自發(fā)地流出,處于一種極端平衡的狀態(tài),體系的穩(wěn)定性非常良好,但在諸如沖擊波的動(dòng)態(tài)壓力的作用下,水相粒子聚結(jié)變大,使敏化載體與兩相液膜間的接觸面積變小,這時(shí)可能出現(xiàn)兩類情況,一是氣泡分散于油、水之間,一是氣泡直接接觸于水相,或直接分散于水相之中,如圖6所示。

圖6 受壓后的乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)的接觸面示意圖

定義S為敏化載體與油水兩相界面的平均接觸面積,乳化炸藥的感度越高S越大。與受壓前乳化炸藥的分散結(jié)構(gòu)相比較就不難能夠得出S在減小。根據(jù)乳化炸藥的爆轟機(jī)理,S的減小同時(shí)導(dǎo)致了敏化載體形成熱點(diǎn)后引發(fā)兩相間化學(xué)反應(yīng)的效率降低,敏化載體相對(duì)尺寸的變化也導(dǎo)致了乳化炸藥爆轟性能的降低和減敏甚至拒爆現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

在動(dòng)態(tài)壓力作用下,乳化炸藥的基質(zhì)中分散相粒子的粒徑不斷變大,油相膜被擠出,致使水相的液滴也不斷聚結(jié)變大,從而導(dǎo)致體系的均一性變的非常之差,使兩相間的化學(xué)反應(yīng)速率大幅下降;同時(shí)由于乳化炸藥體系整體結(jié)構(gòu)的變化,敏化載體和油、水兩相界面膜的接觸面積逐漸變小,使得體系中形成的熱點(diǎn)引發(fā)油、水兩相間的化學(xué)反應(yīng)的效率大幅降低,于是減敏現(xiàn)象不可避免的出現(xiàn)。這兩個(gè)方面的原因也是導(dǎo)致了乳化炸藥減敏的重要因素。

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TQ560

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1671-4733(2011)01-0021-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2011.01.007

2011-02-26

朱晶(1984-),女,浙江蘭溪人,碩士,研究方向?yàn)槊裼帽破鞑?電話:13956433022。