水相組分對(duì)混裝乳化炸藥的性能影響研究

趙明生，張 力，韋 劍，黃勝松

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550002；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng) 550002)

混裝乳化炸藥主要用于爆破作業(yè)，其爆轟性能和乳膠基質(zhì)長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響爆破效果，水相材料作為混裝炸藥中的關(guān)鍵性材料嚴(yán)重影響炸藥作業(yè)能力。張陽(yáng)等[1]分析了乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性影響因素不但與儲(chǔ)存環(huán)境有關(guān)，還受到乳膠基質(zhì)配方中各組分含量的影響；盧文川等[2]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)將油相組分中的柴油用用生物柴油替換后乳化基質(zhì)的穩(wěn)定性急劇下降；葉輝等[3]通過(guò)高低溫循環(huán)試驗(yàn)和自然儲(chǔ)存試驗(yàn)表明，由復(fù)合乳化劑制備的乳化基質(zhì)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于由單一乳化劑。目前對(duì)混裝乳化炸藥的研究主要集中在混裝乳化炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性上[4-5]，開(kāi)展混裝乳化炸藥水相組分含量對(duì)混裝乳化炸藥爆轟性能及乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的研究對(duì)混裝乳化炸藥的應(yīng)用推廣具有重要意義。

1 配方實(shí)驗(yàn)

為研究水相組分中硝酸銨和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混裝乳化炸藥爆轟參數(shù)及乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，將油相材料的組分及各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為定值，設(shè)計(jì)5組水相配方(見(jiàn)表1)，理論計(jì)算5組不同配方的爆轟參數(shù)并制備乳膠基質(zhì)，通過(guò)高低溫循環(huán)、模擬運(yùn)輸振動(dòng)、結(jié)合顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)等方法綜合分析評(píng)價(jià)乳膠基質(zhì)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。本次實(shí)驗(yàn)儀器主要用到生物顯微鏡、乳化器、循環(huán)浴、高低溫交變實(shí)驗(yàn)箱。根據(jù)B-W規(guī)則建立爆炸反應(yīng)方程式并分別計(jì)算出不同配方的爆熱、爆容和爆速。

表1 水相組分不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)配方及參數(shù)

從表1可以看出，1#～5#水相配方中隨著硝酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)從75%增加到79%時(shí)，爆熱從2 360.32 kJ/kg提高到2 658.43 kJ/kg；爆容從846.04 L/kg下降到818.61 L/kg；爆速和爆熱與硝酸銨含量成正相關(guān)，爆容與之相反；水相溶液的析晶點(diǎn)隨著硝酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少而降低。實(shí)際生產(chǎn)，如果水相溶液析晶點(diǎn)過(guò)高，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的保溫要求較高，在生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)析晶給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

2 乳膠基質(zhì)制備

按照表1中各組分的比例制備水相、油相，制備0.5 kg乳膠基質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。乳膠基質(zhì)的制備工藝為：將乳化器電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到0.8 krpm，在30 s內(nèi)將水相溶液全部加入到油相材料中，待水相溶液添加完成且觀察到有乳狀液出現(xiàn)時(shí)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到1.4 krpm，對(duì)乳膠基質(zhì)進(jìn)行高速剪切150 s。制備工藝參數(shù)如表2所示、乳膠基質(zhì)的制備及樣品分別如圖1、圖2所示。

表2 乳膠基質(zhì)制備工藝參數(shù)

圖1 乳膠基質(zhì)的制備Fig.1 Preparation of emulsion matrix

圖2 乳膠基質(zhì)樣品Fig.2 Emulsion matrix sample

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況，將乳膠基質(zhì)自然儲(chǔ)存作為對(duì)照組，高低溫循環(huán)作為實(shí)驗(yàn)組，通過(guò)自然儲(chǔ)存天數(shù)及循環(huán)次數(shù)多少來(lái)評(píng)價(jià)乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的好壞，主要方法有乳膠基質(zhì)自然老化法和加速老化法，基于溫度沖擊和振動(dòng)沖擊試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)加速老化，通過(guò)觀察乳膠基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生吸晶、產(chǎn)生氣泡等明顯變化的時(shí)間間隔[7-8]以此判斷其儲(chǔ)存穩(wěn)定性好壞。

3.1 高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)室將乳膠基質(zhì)的自然儲(chǔ)存天數(shù)與高低溫循環(huán)次數(shù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3)，進(jìn)一步驗(yàn)證儲(chǔ)存穩(wěn)定性。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料[6-7]并結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備將高低溫循環(huán)參數(shù)設(shè)置為：高溫設(shè)定為46 ℃，維持時(shí)間為12 h；低溫設(shè)置為-15 ℃，維持時(shí)間為12 h，每24 h為1個(gè)循環(huán)。

表3 高低溫循環(huán)次數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Stability test results of emulsion matrix

從表3和圖3可以看出，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到19%時(shí)，隨著水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加乳膠基質(zhì)高低溫循環(huán)次數(shù)從3次增加到5次，自然儲(chǔ)存天數(shù)從52 d增加到66 d，說(shuō)明增加水質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定的提高。

4 結(jié)論

1)理論計(jì)算結(jié)果表明，爆熱、爆速均隨水相中硝酸銨的增加而增大，爆容反之減小。硝酸銨含量從75%增加至79%時(shí)，爆熱從2 360.32 kJ/kg提高到2 658.43 kJ/kg，爆容從846.04 L/kg下降到818.61 L/kg，爆速理論值從4 573 m/s上升到4 855 m/s。

2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有利于儲(chǔ)存穩(wěn)定，水相中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15%增加到19%時(shí)水相溶液析晶點(diǎn)從79.6 ℃下降到63.4 ℃，隨著水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加乳膠基質(zhì)高低溫循環(huán)次數(shù)從3次增加到5次，自然儲(chǔ)存天數(shù)從52 d增加到66 d。

3)有效控制水相組份中的硝酸銨和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于提高乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性和保證炸藥的穩(wěn)定爆轟，在實(shí)際工程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體可爆性和乳膠基質(zhì)的運(yùn)輸距離合理控制水相材料中的硝酸銨和水的配比，實(shí)現(xiàn)混裝乳化炸藥的作功能力和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)。