水膠炸藥水含量的研究①

董聰慧， 馬志鋼， 邵子豪， 黃孝楠， 潘桂森（安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001）

水膠炸藥水含量的研究①

董聰慧， 馬志鋼， 邵子豪， 黃孝楠， 潘桂森
（安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001）

水膠炸藥的水含量隨膠粘劑種類及環(huán)境溫度的改變而變化.在氧化劑水溶液黏稠度相同的情況下，以聚丙烯酰胺為膠粘劑的水膠炸藥組分水含量少.在保證炸藥威力的情況下，當環(huán)境溫度降低時應(yīng)增加水膠炸藥水含量.

水膠炸藥；水含量；膠粘劑

0　引言

漿狀炸藥是最早的含水炸藥，20世紀50年代末由美國科學家M.A.Cook和加拿大礦山技術(shù)人員H.E.Farman共同研制成功.初期的漿狀炸藥是含有氧化劑、可燃劑，并以炸藥性原料作敏化劑的炸藥，這種炸藥中的固體是以懸濁狀態(tài)分散于膠化狀態(tài)的水（或其它液體）中［1］.水膠炸藥是杜邦公司的 G.R.Cattermole于 1972年首先提出的［2］.在漿狀炸藥的基礎(chǔ)上，將敏化劑換成了有機胺硝酸鹽，并且使用了新的交聯(lián)技術(shù)，提高了炸藥的安全性和穩(wěn)定性.

作為水膠炸藥的基本組分，水有一系列的優(yōu)點.第一，無機鹽氧化劑溶于水形成飽和溶液，提高了炸藥的密度，解決了銨油炸藥密度低的問題；第二，水與膠粘劑和交聯(lián)劑共同形成的水凝膠體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以水膠炸藥穩(wěn)定性良好；第三，水作為基本組分，用以水抗水的方法從根本上解決了硝酸銨易吸濕的問題；第四，水的比熱容較大，蒸發(fā)吸熱，所以其沖擊感度、摩擦感度及火焰感度都很低，這樣可以保證在生產(chǎn)、運輸、貯存及使用過程中的安全性.

水含量對水膠炸藥的爆炸性能有一定的影響，國內(nèi)外學者就水對各類漿狀炸藥爆炸性能的影響進行了許多研究.研究發(fā)現(xiàn)水含量影響水膠炸藥的臨界直徑、最小起爆藥量、爆速、威力和做功能力［3～7］.

由以上分析可以看出水膠炸藥組分中水含量至關(guān)重要.水的蒸發(fā)潛熱大，在提高了炸藥安全性的同時也降低了炸藥威力，在滿足產(chǎn)品流動塑性的情況下水膠炸藥配方中的水含量應(yīng)盡量降低［8］.膠粘劑種類和溫度是影響水膠炸藥水含量的關(guān)鍵性因素，因此，本文將討論：（1）膠粘劑種類對水膠炸藥配方中水含量的影響；（2）溫度對水膠炸藥組分中水含量的影響.

1　膠粘劑種類對水含量影響

水膠炸藥中的膠粘劑必須同時具備以下兩個條件.首先，是能溶解于水而使溶液增稠；其次是能和某些特定的交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)作用而使溶液凝膠化.能溶解于水的膠粘劑的分子結(jié)構(gòu)中必須含有大量的親水基團，而膠粘劑若要發(fā)生交聯(lián)作用，其分子結(jié)構(gòu)中必須具備可供交聯(lián)的特殊基團.因此，水膠炸藥膠粘劑的結(jié)構(gòu)特點是，分子中具有大量親水基團，而且具有能供交聯(lián)的基團.水膠炸藥的膠粘劑按來源不同可分為植物膠粘劑和化學膠粘劑兩大類.植物膠粘劑是從自然界的植物中直接提取的，典型的有古爾膠、田菁膠、槐豆膠和皂角膠等.而化學膠粘劑則是通過化工生產(chǎn)的方法，由人工合成的，典型的有聚丙烯酰胺、改進的聚丙烯酰胺（即部分水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺與丙烯酸的共聚物）等.

我國學者對這兩種類型的膠粘劑做了許多探索工作.1976年白銀金屬公司［9］研究了以聚丙烯酰胺做膠粘劑的漿狀炸藥可大幅度降低炸藥的含水量.1980年汪旭光［10］探索出以田菁膠為膠粘劑的漿狀炸藥性能良好.2005年陳蘇敏［11］分別用這兩類膠粘劑制作水膠炸藥，給出了兩種水膠炸藥的配方.汪旭光［2］總結(jié)了以田菁膠為膠粘劑的水膠炸藥配方，和以聚丙烯酰胺為膠粘劑的水膠炸藥配方，發(fā)現(xiàn)前者的水含量大于后者.

圖1　田菁膠分子結(jié)構(gòu)

圖2　聚丙烯酰胺水溶膠體結(jié)構(gòu)

植物膠粘劑中田菁膠使用較廣范，本文以田菁膠為例分析植物膠黏劑的性質(zhì).田菁膠分子結(jié)構(gòu)如圖1所示.可以看到田菁膠分子結(jié)構(gòu)中有豐富的非離子型醇羥基，這種基團對水分子有很大的親合力，所以田菁膠分子能夠吸收數(shù)倍于本身的水，進而發(fā)生溶脹水合作用.因此，在確定以田菁膠為膠粘劑的水膠炸藥的水含量時，要考慮到田菁膠溶脹水合所需的水分.

化學膠粘劑中聚丙烯酰胺水溶膠體應(yīng)用較廣泛，本文以聚丙烯酰胺為例分析化學膠黏劑.聚丙烯酰胺水溶膠體的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.聚丙烯酰胺水溶膠體是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物的水溶膠體.聚丙烯酰胺水溶膠體是丙烯酰胺在水中聚合而成的，丙烯酰胺聚合反應(yīng)的產(chǎn)物不是純的聚丙烯酰胺，而是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物的水溶膠體.因此，聚丙烯酰胺的成膠過程即是是丙烯酰胺的聚合反應(yīng)過程，所以聚丙烯酰胺水溶膠體本身就是很好的膠粘劑.

綜上所述，田菁膠分子中含有大量的支鏈，當田菁膠作為水膠炸藥的膠粘劑時，溶脹水合所需要的水量相對較多.因此當設(shè)計水膠炸藥配方時，在氧化劑水溶液黏稠度相同的情況下，組分中的水含量要相對多一些.聚丙烯酰胺水溶膠體分子結(jié)構(gòu)中沒有支鏈，當聚丙烯酰胺水溶膠體作為水膠炸藥的膠粘劑時，成膠所需的水含量相對較少.因此，當設(shè)計水膠炸藥配方時，在黏稠度相同的情況下，組分中的水含量可以相對少一些，這有利于提高水膠炸藥的爆炸性能.

圖3　硝酸銨溶解度隨溫度變化曲線

2　溫度對水膠炸藥水含量影響

隨著環(huán)境溫度的變化，水膠炸藥配方中的水含量也要隨之改變，國內(nèi)外許多研究人員進行了這方面的研究.Melvin A.Cooks在其著作中定義了漿狀點的概念，即在重力穩(wěn)定的含鋁漿狀爆破劑中，游離水的含量為漿狀點.書中討論了溫度變化對漿狀點的影響.指出小的水含量對應(yīng)高溫度，大的水含量對應(yīng)低溫度［12］.呂春緒［13］提出應(yīng)根據(jù)季節(jié)變化改變水膠炸藥的含水量.

水膠炸藥的氧化劑一般為硝酸銨和硝酸鈉，氧化劑和可燃劑的水溶液在膠粘劑和交聯(lián)劑共同作用下形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的水凝膠結(jié)構(gòu)，水凝膠結(jié)構(gòu)解決了固體硝酸銨易吸濕的問題.但是水膠炸藥中硝酸銨濃度很大，因此，在確定水膠炸藥的配方時要考慮硝酸銨溶液的析晶問題.而影響硝酸銨溶液析晶的主要因素是溫度［14］.

在標準大氣壓下，硝酸銨飽和溶液濃度隨溫度變化曲線如圖3所示［15］.從圖中可以看出溫度升高，硝酸銨的溶解度增大；溫度降低，硝酸銨的溶解度減小.當冬季溫度降低時，硝酸銨溶解度減小，若仍然使用溫暖環(huán)境下水膠炸藥的配方，那么就會出現(xiàn)硝酸銨析晶的現(xiàn)象.因此，在生產(chǎn)低溫度下使用的水膠炸藥時，應(yīng)在保證水膠炸藥爆炸威力的前提下增加配方中的水含量，防止硝酸銨析晶.而且增加含水量，能延緩交聯(lián)速度，可保證膠體的塑性.當夏季溫度升高時，硝酸銨溶解度增大，可在保證凝膠體系穩(wěn)定的前提下減少水膠炸藥中的水含量.水含量的減少有利于增強水膠炸藥爆炸威力，而且可使水凝膠結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.

綜上所述，當環(huán)境溫度低時，在保證水膠炸藥爆炸威力的前提下，為了防止硝酸銨因溶解度降低而析晶，應(yīng)增加水膠炸藥的水含量.當環(huán)境溫度高時，可以適當減少水含量，這有利于提高炸藥爆炸性能.

3　結(jié)論

（1）當水膠炸藥以田菁膠為膠粘劑時，在滿足能量要求的情況下，水膠炸藥的水含量要相對多些.當水膠炸藥以聚丙烯酰胺水溶膠體為膠粘劑時，水膠炸藥的水含量可以相對少些.

（2）當環(huán)境溫度低時，在保證炸藥威力的前提下，應(yīng)當增加水膠炸藥配方中的水含量，以防止硝酸銨溶液析晶.當環(huán)境溫度高時，可以適當減少水膠炸藥配方中的水含量，減少水含量有利于提高炸藥的爆炸性能.

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Study on Water Content of Water-Gel Explosive

DONG Cong-hui， MA Zhi-gang， SHAO Zi-hao， HUANG Xiao-nan， PAN Gui-sen
（Institute of Chemical Engineering，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China）

This paper mainly discussed the requirements of adhesive type and environment temperature on water content of water-gel explosive.On the condition of same viscosity of aqueous oxidant solution，water-gel explosive with Polyacrylamide adhesive has low content of water.On the condition of high brisance，water content of water-gel explosive should be increased when environment temperature reduces.

water-gel explosive；water content；adhesive

TQ560

A

1008-1402（2015）06-0938-03

2015-11-04

董聰慧（1990-），女，杏林樺甸人，安徽理工大學化學工程學院在讀碩士，主要從事民用爆破器材技術(shù)與研究.