油相材料和乳化劑對乳化炸藥爆轟性能的影響

徐飛揚，吳紅波，夏曼曼，李洪偉，章彬彬，雷 戰(zhàn)

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油相材料和乳化劑對乳化炸藥爆轟性能的影響

徐飛揚，吳紅波，夏曼曼，李洪偉，章彬彬，雷 戰(zhàn)

（安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南，232001）

為研究油相材料和乳化劑對乳化炸藥爆轟性能的影響，分別采用乳化劑A-油相C、乳化劑B-油相C、乳化劑B-復合蠟、Span80-復合蠟、T152-復合蠟制備乳化炸藥。利用水下爆炸實驗獲得其沖擊波壓力——時間曲線，并計算峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能和總能量等水下爆炸能量參數。實驗結果表明：由乳化劑A-油相C、T152-復合蠟制備的乳化炸藥的比沖擊波能、比氣泡能和總能量值較高，說明乳化劑和油相材料的種類對乳化炸藥的做功能力具有顯著影響，且與油相材料相比，乳化劑對乳化炸藥的爆轟性能的影響更為明顯。

乳化炸藥；油相材料；乳化劑；爆速；水下爆炸；爆轟性能

乳化炸藥是油包水（W/O）型爆炸性混合物，因其原料來源廣泛，生產工藝簡單，具有防水、安全、環(huán)保和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在國內外工程爆破中得到了廣泛應用[1-3]。油相材料和乳化劑作為乳化炸藥的關鍵組分，其組分選取得當不僅能降低成本，改善乳化炸藥的穩(wěn)定性，而且還能提高其爆炸性能。褚萬偉等[4]研究了復合油相材料的物化性質對乳化炸藥殉爆距離、猛度、抗水性能和穩(wěn)定性的影響；周新利等[5]研究了乳膠基質油相含量對乳化炸藥爆炸性能的影響；王道陽[6]等研究表明：將地溝油經化學方法轉化成生物柴油，用其制備的乳化炸藥與傳統(tǒng)乳化炸藥相比，其爆速、放熱量明顯得到了提高；程揚帆等[7]運用水下爆炸法研究了敏化方式對MgH2型儲氫乳化炸藥爆轟性能的影響；錢海等[8]通過水下爆炸實驗研究了鋁粉含量和粒徑對乳化炸藥做功能力的影響。

本文擬采用不同的油相材料和乳化劑制備乳化炸藥，通過水下爆炸實驗[9-11]表征乳化炸藥輸出能量特性，定量分析油相材料和乳化劑對乳化炸藥爆轟性能的影響，為選擇合適的乳化炸藥油相材料和乳化劑提供理論指導。

1 實驗

1.1 原料

硝酸銨、硝酸鈉、復合蠟、乳化劑A（蘇州豐倍生物科技有限公司）、乳化劑B（安徽江南化工股份有限公司）、油相C（內蒙古日盛民爆有限公司）、Span-80、T-152、樹脂微球（雅化集團三臺化工有限公司）。

1.2 炸藥制備

乳化炸藥配方如表1所示。

表1 乳化炸藥配方

Tab.1 Composition of emulsion explosive

按表1稱取水相材料，加熱溶解至115℃，分別采用乳化劑A-油相C、乳化劑B-油相C、乳化劑B-復合蠟、Span80-復合蠟、T152-復合蠟（以下簡稱1#、2#、3#、4#、5#）作為復合油相材料且加熱熔化至95℃，倒入乳化罐中攪拌2min（攪拌速度1 230r/min）制得乳膠基質，待乳膠基質冷卻至60℃，加入樹脂微球敏化成乳化炸藥。

1.3 實驗儀器與測試方法

1.3.1 爆速測試

根據 GB/T 13228-91的規(guī)定，選用DDBS-20型多段時間間隔測量儀（測時精度不低于0.1μs，開封市精工儀表廠），采用測時儀法[12]對乳化炸藥爆速進行測試。每組樣品平均測試2~3次，求其平均值。

1.3.2 水下爆炸測試

水下爆炸法是目前測試炸藥做功能力最常用的方法之一，具有實驗結果重復性好、實驗成本低和可靠性高等優(yōu)點。水下爆炸測試系統(tǒng)由爆炸水池、藥包和測量系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，ICP（Integrated Circuit Piezoelectric）型水下爆炸壓力傳感器，由美國PCB公司生產，壓力量程34.475 MPa，分辨率0.000 7 MPa；HDO4034高分辨率多用途數字儲存示波器，由美國力科公司制造，最高采樣頻率2.5GHz。水下爆炸實驗中樣品質量為10g球形藥包，藥包中插入8號工業(yè)導爆管雷管，將藥包固定在距傳感器0.5m處的六角架上，藥包中心與傳感器的敏感元件保持在同一水平面上。實驗時，通過橫梁上的行車將六角架放入水池中心水深2/3處（此時來自水面和池底的反射波可以近似相互抵消[13]，同時也可滿足沖擊波和氣泡的測試要求[14]），即水深2.4m處。調試儀器，設置儀器參數，引爆炸藥，示波器將記錄水下爆炸沖擊波壓力——時間曲線。通過對波形的分析和處理，可以得到其沖擊波相關參數。

圖1 水下爆炸測試系統(tǒng)示意圖

2 測試結果與分析

2.1 爆速測試結果

乳化炸藥制備24h后進行爆速測試，每組測試2次，結果取平均值，結果見表2。

表2 乳化炸藥爆速值 （m·s-1）

Tab.2 Detonation velocity of emulsion explosives

由表2爆速測試結果可知：油相材料同為C時，與使用1#制備的乳化炸藥相比，2#制備的乳化炸藥爆速值提高了11.01%；而油相材料同為復合蠟時，5#制備的乳化炸藥與3#、4#相比，分別提高了7.28%、9.14%；而在乳化劑同為B的情況下，3#與2#比，其爆速值卻降低了2.1%。該實驗結果表明乳化劑和油相的匹配對乳化炸藥爆速有顯著影響，且乳化劑對乳化炸藥爆速的影響較之油相更為明顯。

2.2 沖擊波參數的計算

本文通過水下爆炸試驗中的比沖擊波能、比氣泡能和總能量等爆轟參數來全面表征炸藥的做功能力[15]，并以此來判斷油相材料和乳化劑對乳化炸藥爆轟性能的影響。

2.2.1 比沖擊波能

根據水下爆炸相似率，有效比沖能表達為[16]：

式（1）中：E為有效比沖擊波能，J/kg；為測量點到爆心的距離，m；為裝藥量，kg；ρ為水的密度，取1 000kg/m3；c為水中聲速，取1 460m/s；（）為測量點處沖擊波壓力隨時間變化曲線。

2.2.2 比氣泡能

比氣泡能可用下式計算[17]：

式（2）~（4）中：E為比氣泡能，J/kg；t為第1次氣泡脈動周期，s；、1都是由給定水池、裝藥位置和裝藥量確定的常數；為炸藥的質量，kg；ρ為水的密度，kg·m-3；p為測點處的靜水壓，Pa；T為修正后的氣泡脈動周期，s；P為測試時水面的實測大氣壓，Pa；0為水面標準大氣壓，取101 325Pa；P為裝藥深度處的總靜水壓力，Pa。

2.2.3 總能量

炸藥水下爆炸總能量的計算公式[18]為：

式（5）~（7）中：E為炸藥試樣輸出的總能量，MJ/kg；k為藥型系數，對于球形藥包取k=1，非球形取k=1.02~1.10；為沖擊波損失系數（·E為單位質量炸藥原本傳到水中的沖擊波能）；P-J為炸藥爆轟C-J壓力；0為炸藥試樣的密度，g/cm3；為水中裝藥的爆速，m/s。

2.3 水下爆炸測試結果

通過水下爆炸實驗得到不同油相材料和乳化劑制備的乳化炸藥壓力——時間曲線，如圖2所示。

結合式（1）~（7），計算得到乳化炸藥水下爆炸沖擊波參數，如表3所示。

圖2 乳化炸藥水下爆炸壓力——時間曲線

表3 乳化炸藥水下爆炸沖擊波參數

Tab.3 Shock wave parameters of emulsion explosives

據表3數據，做能量分布圖，如圖3所示。

圖3 乳化炸藥能量分配圖

由圖2和表3可知，油相材料同為C的情況下，1#乳化炸藥峰值壓力P比2#提高了8.76%；油相材料同為復合蠟時，5#乳化炸藥峰值壓力與3#、4#相比分別提高了11.01%、6.45%；乳化劑同為B時，2#乳化炸藥峰值壓力P與3#相比提高了3.1%。在能量方面，2#乳化炸藥的水下爆炸能量大于1#；5#乳化炸藥的水下爆炸能量比3#、4#分別提高了3.49%、13.08%。由此可知乳化劑和油相的匹配對乳化炸藥做功能力亦有顯著影響，且乳化劑對乳化炸藥做功能力的影響更為突出。1#（乳化劑A-油相C）、5#（T152-復合蠟型）乳化炸藥的爆轟參數值高于其他組合，分析認為是其乳化劑與油相材料的匹配效果更佳，乳化劑的乳化效果更好，油相材料在乳化劑的作用下，通過自身的大分子長鍵結構，經乳化機高速剪切后，使分散相（氧化劑水溶液）與油相材料緊密相連，形成的界面膜的強度較大、緊密程度較高（在乳化工藝、敏化方式、裝藥直徑、藥卷直徑、約束條件等相同的情況下），從而更利于爆轟波的傳遞與激發(fā)。因此，可以認為乳化炸藥的爆轟性能與乳化炸藥中乳化劑和油相的匹配密切相關，乳化劑和油相材料選取得當，兩者的匹配效果就會更好，對氧化劑溶液的“包裹”作用更加完全，從而提高了乳化炸藥成品的爆轟性能。

3 結論

乳化劑和油相材料匹配對乳化炸藥爆轟性能有顯著影響，乳化劑A-油相 C、T152-復合蠟型乳化炸藥的比沖擊波能、比氣泡能和總能量高于其他3種組合。與油相材料相比，乳化劑對乳化炸藥的爆轟性能的影響更為明顯，表明選擇合適的乳化劑可大大提高乳化炸藥的爆速和水下爆炸能量。

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Influence of Oil Phase Materials and Emulsifiers on the Detonation Properties of Emulsion Explosives

XU Fei-yang, WU Hong-bo, XIA Man-man, LI Hong-wei, ZHANG Bin-bin, LEI Zhan

(School of Chemical Engineering, An hui University of Science and Technology, Huainan, 232001)

In order to study the effects of oil phase materials and emulsifiers on the detonation properties of emulsion explosives, emulsifier A-oil phase C, emulsifier B-oil phase C, emulsifier B-compound wax, Span80-compound wax and T152-compound wax were used to prepare emulsion explosive respectively. The pressuretime curves of those were acquired by underwater explosion experiments, underwater explosion energy parameters of peak pressure, specific shock wave energy, specific bubble energy and total energy were obtained by analyzing the curves. Results show that compared with other combinations, the specific shock wave energy, specific bubble energy and total energy of emulsion explosives, whose combination is emulsifier A-oil phase C, T152-compound wax are better, which means that oil phase materials and emulsifiers have significant impact on the work capability of emulsion explosives. With the help of experimental data and theoretical analysis, it can be concluded that the emulsifier has more obvious influence on detonation performance of emulsion explosives than the oil phase material.

Emulsion explosives；Oil phase material；Emulsifier；Detonation velocity；Underwater explosion；Detonation property

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.011

1003-1480（2017）06-0041-04

2017-09-19

徐飛揚(1992-)，男，在讀碩士研究生，主要從事含能材料熱分析研究。

安徽省教育廳科學研究重大項目(KJ2015ZD18)。