乳化炸藥高溫化學敏化效果影響因素分析

白代文 萬里紅 尹敏義 趙志高

(江西國泰七零九科技有限公司，江西 宜春 330808)

1 引言

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，其充分發(fā)揮了乳化劑的作用，使分散相鹽類水溶液能夠均勻地分散在油相介質(zhì)中，最終形成油包水(W∕O)型的復合物乳膠狀炸藥，這樣的油包水型結(jié)構(gòu)又使得其具有抗水性能好、安全性高和實際應(yīng)用廣泛等諸多優(yōu)點。一般而言，乳化炸藥敏化的方式主要有物理敏化、物理化學敏化以及化學敏化三種方式。而高溫敏化工藝一般采用化學敏化方式較為普遍，且化學敏化方式成本低廉、計量準確、敏化效果好、生成炸藥的爆炸性能指標較高、爆炸產(chǎn)生的毒氣少等優(yōu)點，因而得到學界的一致看好。但高溫敏化炸藥目前也面臨一定的局限性，就是高溫化學敏化條件下的乳化基質(zhì)容易受到內(nèi)外因素的影響，而出現(xiàn)發(fā)泡過快或者爆速不合格的現(xiàn)象，公司自引進深圳金奧博科技公司的JWL-Ⅲ型乳化炸藥高溫敏化工藝技術(shù)以來，經(jīng)過多年的生產(chǎn)摸索實踐，通過調(diào)整敏化溫度，選用合適的油相材料以及調(diào)整發(fā)泡劑的添加量等措施可以顯著改善這種現(xiàn)象。

2 化學敏化機理

目前，國內(nèi)乳化炸藥連續(xù)自動化生產(chǎn)線中較多采用的是亞硝酸鈉，水以及發(fā)泡劑和促進劑的混合溶液來作為乳化炸藥的發(fā)泡劑，其發(fā)泡機理如下：

NH4NO3+NaNO2→NH4NO2+NaNO2

NH4NO2→N2↑+2H2O

亞硝酸銨分解產(chǎn)生的氮氣以微小氣泡的形式分散在乳化炸藥的基質(zhì)中，通過機械均勻混合攪拌，使氣體在乳膠基質(zhì)中均勻分散、滯裂，產(chǎn)生的氣泡使乳化基質(zhì)的密度降低，形成有利于起爆和傳爆的熱點中心，最終達到敏化目的，改善炸藥的性能。

但是采用這種高溫化學敏化方式來敏化乳化炸藥時，想要達到理想狀態(tài)，就要保證乳化炸藥中的氣泡分布均勻，大小合適，并且應(yīng)該穩(wěn)定地儲存在炸藥基質(zhì)中，不易發(fā)生較大的狀態(tài)變化。有人通過長期以來的生產(chǎn)試驗和研究觀察，認為化學氣泡的直徑在 100μm 左右為最佳，小于 100μm 的氣泡應(yīng)當控制在 75% 以上，氣泡直徑遠大于 100μm 時就變?yōu)闊o效氣泡，爆轟時無法形成有效的熱點，因此，化學氣泡的分布均勻性對乳化炸藥的整體爆轟性能和儲存穩(wěn)定性能非常有利。

3 對乳化炸藥敏化效果及爆炸性能因素的分析

乳化炸藥的敏化效果以及爆炸性能受多種因素的影響，根據(jù)多年的生產(chǎn)實踐證明，敏化溫度、油相材料及發(fā)泡劑添加量等均對炸藥的敏化效果及爆炸性能產(chǎn)生影響。同時，依據(jù)工業(yè)炸藥的傳爆機理可知，大直徑藥卷爆轟性能(如φ70mm)一般要優(yōu)于小直徑(φ32mm)的爆轟性能，且隨著裝藥直徑的增大而爆速呈上升趨勢。原因是當裝藥直徑越大，起爆后，參與爆炸反應(yīng)的物質(zhì)越多，反應(yīng)速度越快，且爆轟成長更加穩(wěn)定，爆速值更高，不易受外界因素干擾。反之，裝藥藥卷直徑較小(比如：φ32mm)，其爆轟反應(yīng)慢，爆速低，反應(yīng)過程受起爆能量、藥卷包覆強度、炸藥敏化狀態(tài)等外界因素影響多。

3.1 敏化溫度

敏化溫度對乳化炸藥的爆炸性能有顯著的影響，企業(yè)根據(jù)摸索試驗，測試出適合工藝要求的最佳敏化溫度范圍在84℃～88℃。一般而言，高溫快速化學敏化采用的促進劑在80℃下才發(fā)生水解反應(yīng)并產(chǎn)生獨立質(zhì)子，溫度越高，化學反應(yīng)加快，產(chǎn)氣的速率快，在生產(chǎn)過程中容易生成大氣泡，不利于形成炸藥爆轟過程中所需要的有效熱點，溫度過低，則不能滿足水油相工藝溫度要求，這就要求化學敏化劑及促進劑混合水溶液均勻分散速度與化學反應(yīng)速率相匹配，才能確保產(chǎn)生的氣泡形成微小氣泡及時均勻分散到乳膠基質(zhì)中，且要保證生產(chǎn)的正常進行。經(jīng)試驗測試，直徑(φ32mm)乳化炸藥敏化溫度在84℃～90℃區(qū)間內(nèi)炸藥爆速的變化。見表一、圖一。

圖一 不同敏化溫度條件下炸藥爆速變化情況

表一 不同敏化溫度條件下炸藥爆速變化情況

工藝參數(shù)：水相占比93.5%～94.0%，油相占比6.0%～6.5%，發(fā)泡劑外加0.40%～0.43%，水相溫度92～95℃，油相溫度92～95℃。

由上表和折線圖的變化趨勢可看出：在84～88℃的溫度范圍內(nèi)，乳化基質(zhì)的黏度適中既利于發(fā)泡劑向正方向反應(yīng)進行，敏化劑與炸藥反應(yīng)速度適中，也利于提高乳化炸藥的敏化效果，達到較好的爆炸性能，在乳化炸藥的儲存過程中，可減少敏化氣泡的損失，增加乳化炸藥穩(wěn)定性。敏化溫度在87.6℃時，炸藥爆速達到了最大值；而在87.6℃～90℃區(qū)間，炸藥與敏化劑反應(yīng)速度加快，敏化效果下降，炸藥的爆速呈明顯的下降趨勢。下圖是不同敏化溫度顯微鏡下放大一百倍后敏化藥的氣泡分布情況：

圖二 不同溫度條件下炸藥敏化氣泡對比

由上圖可見，在溫度在90℃的情況下，會明顯降低乳化基質(zhì)的粘度，加快發(fā)泡劑的反應(yīng)速度，生成明顯的大氣泡或集聚成大氣泡，或氣泡逃逸后局部無氣泡而使炸藥敏化不均勻，從而對形成熱點不利，影響乳化炸藥的敏化效果，降低乳化炸藥的爆炸性能。

當敏化溫度在85.6℃時，相比較而言，乳化基質(zhì)與發(fā)泡劑反應(yīng)適中，基質(zhì)溫度對氣泡的形成和均勻分散較為有利，氣泡分散大小均勻，無明顯的大氣泡、無氣泡等現(xiàn)象，獲得了較好的敏化效果，同時也有利于提高炸藥爆轟反應(yīng)的速度和穩(wěn)定性，獲得較高的爆速性能。

3.2 油相材料

在乳化炸藥體系中，油相材料構(gòu)成乳膠體的連續(xù)相，決定乳化炸藥外觀狀態(tài)，對乳化炸藥爆炸性能及貯存穩(wěn)定性有重要影響。其主要作用是形成包覆內(nèi)相粒子的油膜，當乳化劑存在時，它與氧化劑鹽水溶液一起形成W/O型乳化液。顯而易見，油相是乳化炸藥的關(guān)鍵組分之一，高溫化學敏化所選油相材料，除應(yīng)具備制造普通乳化炸藥用的油相材料一般要求外，還應(yīng)具有在高溫下油膜強度大、韌性足，能保持微小氣泡不聚集和逸出等性能。近幾年來，為實際生產(chǎn)需要，國內(nèi)眾多企業(yè)開始使用一體化復合油相，這種油相材料由復合乳化劑、礦物油、凡士林、復合蠟、微晶蠟(地蠟)等按一定配比組成。有跡象表明，微晶蠟中含有大量的環(huán)狀化合物，其具有極強的親油能力，并能與油形成安定的均一的混合物，利用這一特性，在乳化炸藥油相材料中添加0.1%～0.3%的微晶蠟，就能顯著的改善乳膠質(zhì)量，增強油膜韌性。

3.3 水相溶液的pH值

水相溶液的pH值即表征水溶液中H+的濃度，水相溶液的pH值的不同對敏化反應(yīng)的速率有極大的影響，進而會影響到乳化炸藥的密度和其他的爆炸性能。

當pH值為2～3時，化學敏化后炸藥密度偏大，爆速低。這是因為 pH 值小，H+濃度大，高溫下化學反應(yīng)速率快，產(chǎn)生氣泡的速度也快，由于分散不及時導致部分氣泡大而破裂，產(chǎn)生了無效氣泡，引起炸藥密度增大；當 pH 值為4.0 ～ 5.4的范圍時，化學敏化速度與分散速率相當，因此獲得了較好的密度、貯存穩(wěn)定性及爆炸性能。

3.4 發(fā)泡劑的添加量

水相溶液中發(fā)泡劑添加量的多少也是影響產(chǎn)品發(fā)泡效果的主要因素。發(fā)泡劑的主要作用是使通過與乳膠基質(zhì)的充分均勻混合，使乳膠基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生大量微小的氣泡，使原本不具備雷管感度的乳膠基質(zhì)有更高的敏度。實踐證明根據(jù)水相溶液的 pH值的不同，選擇合適的發(fā)泡劑添加量，是保證產(chǎn)品發(fā)泡效果的有效途徑。當過量添加發(fā)泡劑時，會導致藥卷發(fā)泡速度過快，氣泡聚集而造成的有效氣泡減少，大氣泡較多，從而造成產(chǎn)品性能下降。反之，當發(fā)泡劑量不足時，會導致發(fā)泡速度過慢，造成藥卷狀態(tài)軟、內(nèi)含敏化藥呈黑色，另外往往還會有發(fā)泡后效的問題產(chǎn)生，但這個可以通過生產(chǎn)過程中隨時增加發(fā)泡劑量或隨時增加促進劑量來適當調(diào)整藥卷發(fā)泡狀態(tài)，從而彌補發(fā)泡不足的現(xiàn)象。

經(jīng)過我們長期的實踐摸索，我們發(fā)現(xiàn)在正常的生產(chǎn)條件下，發(fā)泡劑的配比情況如下：配制采用A劑+B劑的方式，其中A劑起到抑制發(fā)泡速度過快的作用。通常情況下，A劑占5% ～15%，B劑占30% ～40%，水占35%，亞硝酸鈉占20%。

4 結(jié)語

對乳化炸藥的最終性能產(chǎn)生影響的因素有很多，以上我們就其中幾個重要影響因素進行了闡述。在控制眾多可變因素在適當?shù)姆秶畠?nèi)，來探究這幾個因素的對成品炸藥性能的影響程度，得出以下結(jié)論：

(1)敏化溫度：乳化炸藥在84～88℃的溫度范圍內(nèi)，炸藥的敏化效果最優(yōu)，能夠獲得較高的爆速性能，高于88℃以上時，炸藥的爆速性能會隨之下降；

(2)油相材料：粘稠度通常對于保持微小的敏化氣泡是最為重要的；

(3)水相溶液的pH值：當pH值為2～3時，化學敏化后炸藥密度偏大，爆速低；當 pH 值為4.0 ～ 5.4的范圍時，化學敏化速度與分散速率相當，因此獲得了較好的密度、貯存穩(wěn)定性及爆炸性能；

(4)發(fā)泡劑的添加量：一般認為，炸藥外加0.40%～0.43%g發(fā)泡劑為宜。