一種微乳液敏化劑的研制及應(yīng)用研究

陸麗園，張東杰，王作鵬

（煤炭科學(xué)研究總院爆破技術(shù)研究所，安徽 淮北，235039）

炸藥爆轟“熱點(diǎn)”起爆機(jī)理[1]認(rèn)為，如果在乳化基質(zhì)中均勻混入一定數(shù)量、直徑為0.5～100μm的微小氣泡，乳化基質(zhì)即具有了雷管起爆感度，可穩(wěn)定爆轟。在基質(zhì)中混入氣泡的過(guò)程即是敏化。敏化技術(shù)是乳化炸藥生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前國(guó)內(nèi)采用的乳化炸藥敏化技術(shù)大致可分為機(jī)械敏化、物理敏化和化學(xué)敏化三大類?；瘜W(xué)敏化是利用某些化學(xué)物質(zhì)，如亞硝酸鹽、碳酸氫鹽等，在特定條件下發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生微小氣泡，通過(guò)機(jī)械攪拌混合均勻，使產(chǎn)生的氣體在乳化基質(zhì)中均勻分散，形成爆轟所必須的“熱點(diǎn)”，最終達(dá)到敏化目的。化學(xué)敏化法敏化效果好、成本低，是目前乳化炸藥生產(chǎn)中最常用的敏化方法。

目前化學(xué)敏化劑的使用方法主要有兩種：一種是將敏化劑直接溶于水中配制成水溶液，再按一定的比例在攪拌作用下直接加入到乳化基質(zhì)中。由于乳化基質(zhì)是一種W/O的乳狀液，油水間的排斥作用使得亞硝酸鈉水溶液很難在乳化基質(zhì)中均勻分散，導(dǎo)致敏化效果不理想；另一種方法是將敏化劑也制成W/O型的乳狀液[2]（發(fā)泡膏），然后使其與乳化基質(zhì)相混勻，從而獲得氣泡均勻分布的成品乳化炸藥。這種改進(jìn)的乳化炸藥化學(xué)發(fā)泡法，利用 W/O型乳狀液之間的親和力，使敏化劑乳狀液均勻分布在乳化基質(zhì)中，從而獲得均勻分布的氣泡。

微乳液是由兩種互不相溶液體在表面活性劑界面膜作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn)定、各向同性、外觀透明或半透明的分散體系，是一種質(zhì)點(diǎn)比乳狀液分散得更微細(xì)的體系[3-5]，其分散相膠團(tuán)粒徑為 10～100nm。近年來(lái)，隨著微乳液理論的發(fā)展，其應(yīng)用研究也在不斷深入。本文研制了一種微乳液敏化劑，利用微乳液所具有的更小的粒徑以及更大的比表面積，可以提供給敏化劑更多的與乳化基質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)，使敏化劑更均勻地分布在乳化基質(zhì)中，從而提高敏化反應(yīng)的效率和氣泡的均勻度，并將其應(yīng)用于巖石乳化炸藥和車制乳化炸藥。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 微乳液敏化劑的配制

1.1.1 試劑與儀器

儀器：電子天平，恒溫磁力攪拌器，超速離心機(jī)。

試劑：乳化劑A，助劑B，0#柴油，亞硝酸鈉。

1.1.2 配制步驟

（1）油相的配制：稱取一定量的乳化劑 A、助劑B和0#柴油于燒杯中，混合均勻；

（2）水相的配制：將亞硝酸鈉溶解于水中，制成濃度為30%的亞硝酸鈉溶液；

（3）在攪拌狀態(tài)下緩慢地將水相滴加到油相中，直至水相滴加完畢。此時(shí)溶液呈黃色透明狀，即為微乳液敏化劑。

1.2 微乳液的判定

（1）外觀：微乳液呈透明或半透明，澄凈，粘度低，而一般乳液不透明，粘度較高[4]。在配制過(guò)程中清楚地觀察到了溶液由黃色渾濁粘稠狀溶液變成黃色透明低粘度溶液，繼續(xù)滴加水相，黃色透明溶液又變成乳白色不透明粘稠溶液。中間生成的黃色透明低粘度溶液即為微乳液。

（2）離心沉降試驗(yàn)：微乳液經(jīng)離心機(jī)超速離心后依然保持透明，不分層，即使當(dāng)時(shí)分層也可很快恢復(fù)；普通乳液為非穩(wěn)定體系，經(jīng)離心后分層，且不能恢復(fù)[4]。

將制得的微乳液放入超速離心機(jī)中以 2 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心1～2min，取出后觀察乳液，依然保持透明不分層，證明該乳液為微乳液。

通過(guò)外觀與離心沉降實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)該乳液為微乳液。

1.3 微乳液敏化劑的應(yīng)用

將微乳液敏化劑分別應(yīng)用于巖石乳化炸藥和現(xiàn)場(chǎng)混裝車制乳化炸藥中。為對(duì)比敏化效果，將微乳液敏化劑與常規(guī)敏化劑進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)敏化劑是指將亞硝酸鈉配制成濃度為20%的水溶液直接加入，控制亞硝酸鈉的加入量均為乳化基質(zhì)質(zhì)量的0.08%。乳化基質(zhì)的配方采用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥配方和巖石乳化炸藥配方。制備好的基質(zhì)在50℃時(shí)加入敏化劑，快速攪拌均勻，比較其敏化速度與敏化效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 敏化速度

采用巖石乳化炸藥基質(zhì)配方，測(cè)定了不同敏化劑敏化的炸藥密度隨時(shí)間的變化情況，如圖1所示。

圖1 炸藥密度——時(shí)間曲線Fig.1 The curve of density vs time of explosion

從圖1中可以看出，采用微乳液敏化劑敏化的炸藥密度達(dá)到1.20g/mL的時(shí)間為8min，而常規(guī)敏化劑則需15min；微乳液敏化劑敏化反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間為15min，此時(shí)炸藥密度為1.12g/mL，而常規(guī)敏化劑所需時(shí)間為20min，密度為1.18g/mL。表明微乳液敏化劑比常規(guī)敏化劑敏化速度快，制得的炸藥密度更低。

2.2 對(duì)炸藥粘度的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入微乳液敏化劑后基質(zhì)明顯變稀，而加入常規(guī)敏化劑的基質(zhì)粘度未有顯著變化。采用現(xiàn)場(chǎng)混裝車制乳化炸藥基質(zhì)配方，對(duì)比測(cè)定了基質(zhì)的粘度與炸藥的粘度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同敏化劑敏化的炸藥的粘度（50℃）Tab.1 The viscosity of explosive using different sensitizer（50℃）

從表1中可以看出，微乳液敏化劑可以有效降低基質(zhì)粘度，這對(duì)車制乳化炸藥實(shí)現(xiàn)可泵送性具有重要的意義。

2.3 顯微觀察結(jié)果

用顯微鏡觀察使用不同敏化劑敏化的巖石乳化炸藥中的氣泡情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同敏化劑敏化的炸藥顯微照片（×640）Fig.2 Micrograph of explosive sensitized by different sensitizer

從圖2中可以看出，對(duì)于常規(guī)敏化劑敏化的基質(zhì)，氣泡大小不均勻，單位面積內(nèi)的有效氣泡少，而微乳液敏化劑敏化的基質(zhì)，氣泡比較均勻，單位面積內(nèi)的氣泡數(shù)量多，敏化效果好。

2.4 機(jī)理分析

化學(xué)敏化效果的好壞取決于有效氣泡的數(shù)量、氣泡在乳化基質(zhì)中分布的均勻度以及氣泡的穩(wěn)定性[6]。為了使化學(xué)敏化產(chǎn)生均勻分布的有效氣泡，必須使敏化劑能均勻地分布在乳化基質(zhì)中。敏化劑分布不均勻不僅會(huì)影響乳化炸藥中形成的氣泡的尺寸與分布，也會(huì)影響其反應(yīng)效率。

乳化基質(zhì)是一種W/O的特殊乳化體系，水相氧化劑鹽（硝酸銨）被油膜所包覆，直接加入亞硝酸鈉水溶液，由于油水間存在排斥作用，不利于亞硝酸鈉水溶液在乳化基質(zhì)中分散，難以達(dá)到混合均勻，造成亞硝酸鈉在基質(zhì)中的濃度不均勻，直接導(dǎo)致生成的氣泡大小不均。過(guò)大的氣泡會(huì)逸出造成浪費(fèi)，即使不逸出，過(guò)大的氣泡（直徑大于100μm）也被認(rèn)為是無(wú)效的氣泡，不能形成有效的熱點(diǎn)，只有直徑在0.5～100μm的氣泡才是有效氣泡。另一方面，混合不均勻也會(huì)減少亞硝酸鈉與基質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)，影響氣泡的生成速度。微乳液敏化劑是一種W/O型微乳液，它將亞硝酸鈉水溶液分割成粒徑很小的液滴（微乳液通常包含比相同體積常規(guī)乳液多1 000倍的液滴），這些小液滴具有與乳化基質(zhì)相同的 W/O型結(jié)構(gòu)，有利于微乳液敏化劑在基質(zhì)中均勻分散，這些被均勻分散的小液滴相當(dāng)于一個(gè)個(gè)微反應(yīng)器，使敏化反應(yīng)能夠均勻地進(jìn)行，生成的氣泡就會(huì)比較均勻，大小適中；同時(shí)這些被分割得很小的液滴具有很大的表面積，大大增加了敏化劑與硝酸銨接觸的機(jī)會(huì)，使敏化反應(yīng)加快。

3 結(jié)論

所研制的微乳液敏化劑應(yīng)用于巖石乳化炸藥和現(xiàn)場(chǎng)混裝車制乳化炸藥，結(jié)果表明該微乳液敏化劑比常規(guī)敏化劑敏化速度快，生成的氣泡大小均勻，單位體積內(nèi)有效氣泡數(shù)量多，還能有效降低炸藥的粘度，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)混裝車制乳化炸藥的敏化，達(dá)到易泵送的目的。

[1]惠君明，陳天云. 炸藥爆炸理論[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[2]戴維.威廉.普雷斯特，威廉.約翰.約克. 乳化炸藥的化學(xué)發(fā)泡法:中國(guó),89101636.8[P].1989-10-4.

[3]P. Becher, Emulsions theory and practice[M]. New York：Reinhold,1965.

[4]崔正剛,殷福珊.微乳化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1999.

[5]梁文平.乳狀液科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[6]汪旭光.乳化炸藥（第二版）[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社，2008.