鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

潮 捷 ，黃文堯，吳紅波，檀 鑫，孫寶亮，黃孟文，章萬(wàn)龍

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235000；3.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

水膠炸藥是以硝酸銨、硝酸鈉等無(wú)機(jī)鹽溶液為氧化劑，以硝酸一甲胺為可燃劑型敏化劑，并加入膠凝劑和交聯(lián)劑等添加劑制得的含水炸藥，其抗水性好、能量密度高，現(xiàn)已成為工業(yè)炸藥的主要品種之一[1]。目前，我國(guó)常用的含水炸藥有乳化炸藥和水膠炸藥兩類，對(duì)比兩種炸藥在礦山爆破應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)水膠炸藥的爆轟可靠性、穩(wěn)定性和爆炸能量均優(yōu)于乳化炸藥[2]。但現(xiàn)有的水膠炸藥在礦山爆破中對(duì)于中硬度以上的巖石爆破破巖能量水平頗顯不足[3]。針對(duì)炸藥的爆炸性能不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量研究。程揚(yáng)帆等[4]研究在乳化炸藥中添加MgH2含能物質(zhì)和改變炸藥的敏化方式來(lái)提高炸藥威力；錢(qián)海等[5]研究鋁粉對(duì)乳化炸藥作功能力的影響，發(fā)現(xiàn)乳化炸藥水下爆炸的比沖擊波能和比氣泡能隨鋁粉含量的升高而增大；許祖熙等[6]探索鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及顆粒度對(duì)乳化炸藥爆速與做功能力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁粉顆粒度變細(xì)時(shí),爆速不斷減小,做功能力不斷增大；馮凇等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增大到15%時(shí)，六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)基高聚物粘結(jié)炸藥(PBXs)水下爆炸總能量由1.4倍TNT當(dāng)量增加到1.7倍TNT當(dāng)量；龔悅等[8]在相同的乳化炸藥中添加3種粒度鋁粉，通過(guò)水下爆炸能量參數(shù)得出添加中粒度鋁粉的炸藥爆炸能量達(dá)到最大；Nikita M等[9]發(fā)現(xiàn)鋁粉的尺寸對(duì)炸藥的性能有較大影響，超細(xì)鋁粉的燃燒速率遠(yuǎn)超微米級(jí)鋁粉；馮曉軍等[10]研究含鋁炸藥中鋁粉的粒度對(duì)其爆炸能量影響，發(fā)現(xiàn)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，含粒度較小鋁粉炸藥的爆炸能量大于含粒度較大鋁粉的炸藥；王明燁等[11]采用差示掃描量熱儀(DSC)研究含3種粒度鋁粉的溫壓炸藥，得到炸藥的熱安定性隨鋁粉粒徑減少而降低。但以上都是對(duì)于鋁粉提高乳化炸藥及其他軍用炸藥爆炸性能方面的研究，對(duì)于水膠炸藥鮮有研究，尤其是化學(xué)敏化水膠炸藥方面。由于化學(xué)敏化水膠炸藥在酸性條件下化學(xué)發(fā)泡，而在酸性條件下添加鋁粉會(huì)與炸藥中氫離子反應(yīng)，影響水膠炸藥化學(xué)發(fā)泡，從而影響水膠炸藥爆炸性能。并且考慮到水膠炸藥的氧平衡和鋁粉成本，在水膠炸藥中鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)5%。

基于此，根據(jù)工程爆破所用工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)，分析巖石型化學(xué)敏化水膠炸藥中分別摻入1%、2%、3%、4%的粒狀或片狀鋁粉后的爆熱、爆速和猛度變化，對(duì)工程爆破所用的高威力巖石水膠炸藥的配方設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及配方

硝酸一甲胺溶液，工業(yè)級(jí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86 %，淮南舜泰化工有限責(zé)任公司；硝酸銨，工業(yè)級(jí)，滄州大化集團(tuán)有限責(zé)任公司；硝酸鈉，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南匯豐達(dá)化工有限公司；氟蛋白泡沫液，工業(yè)級(jí)，江蘇康達(dá)消防裝備有限公司；蒸餾水，自制；發(fā)泡劑，濃度為15 %亞硝酸鈉水溶液，自制；瓜爾膠，食品級(jí)，鄭州富太化工產(chǎn)品有限公司；交聯(lián)劑，工業(yè)級(jí)，淮南舜泰化工有限責(zé)任公司；片狀鋁粉，工業(yè)級(jí)，240 μm，漣水新億金屬加工有限公司；粒狀鋁粉，工業(yè)級(jí)，80 μm，辛集市嘉榮鋁粉廠。添加不同形狀和質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋁粉的化學(xué)敏化水膠炸藥樣品的配方如表1所示。

表1 化學(xué)敏化水膠炸藥樣品的配方

1.2 化學(xué)敏化水膠炸藥的制備

按照表1的化學(xué)敏化水膠炸藥樣品配方，分別稱取定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%的硝酸一甲胺溶液加熱至58～63 ℃，將稱取的硝酸銨和蒸餾水混合成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%的硝酸銨溶液加熱至70～75 ℃。將上述兩種溶液混合后，加入硝酸銨固體和氟蛋白泡沫液，攪拌5 min，調(diào)節(jié)混合溶液的PH值至5.1～5.8。再加入瓜爾膠與硝酸鈉的混合物，攪拌6 min，最后依次加入發(fā)泡劑、交聯(lián)劑和鋁粉混合均勻，即制得化學(xué)敏化水膠炸藥樣品。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試

1.3.1 SEM-EDS及炸藥樣品微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Tesan VEGA3 SBHBRUKER XFlash 6|30 掃描電鏡-能譜儀聯(lián)用；XSP-86系列無(wú)限遠(yuǎn)生物顯微鏡，上海田瞳光學(xué)科技有限責(zé)任公司。

取適量鋁粉樣品，放在Flex1000掃描電子顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行觀測(cè)，得到兩種鋁粉的電鏡掃描圖和X射線能譜分析數(shù)據(jù)。

取適量炸藥樣品，放在已經(jīng)用酒精燈烘干的載物片上，蓋上蓋玻片，放入顯微鏡下觀測(cè)，放大倍數(shù)為40倍，得到炸藥樣品的微觀結(jié)構(gòu)圖。

1.3.2 爆熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材：爆熱量熱儀(見(jiàn)圖1)；陶瓷坩堝；8號(hào)電雷管；蒸餾水。

注：1-溫度控制儀；2-鉑電阻；3-溫度計(jì)或測(cè)溫儀探頭；4-潛水泵；5-試樣；6-爆熱彈；7-量熱桶；8-帶夾套的外桶；9-加熱極板；10-冷卻蛇管；11-泵。

實(shí)驗(yàn)由已知熱值的苯甲酸作為標(biāo)準(zhǔn)量熱物質(zhì)，標(biāo)定爆熱熱量?jī)x的熱容。稱取30 g化學(xué)敏化水膠炸藥樣品裝入陶瓷坩堝中，將試樣放置在爆熱彈內(nèi)，抽真空達(dá)到無(wú)氧狀態(tài)。以蒸餾水作為測(cè)溫介質(zhì)，根據(jù)水溫變化情況和熱量?jī)x的熱容量，得到單位質(zhì)量的試驗(yàn)樣品的爆熱。

1.3.3 爆速測(cè)試

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材：BSW-3A 型智能五段爆速儀，湖南湘西州奇搏礦山儀器廠；8號(hào)電雷管；發(fā)爆器。

采用GB 13228-2015《工業(yè)炸藥爆速測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定炸藥樣品的爆速。

1.3.4 猛度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)器材：牛皮紙筒；8號(hào)電雷管；底座；鉛柱；發(fā)爆器。

依照國(guó)標(biāo)GB/T 12440-1990的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定炸藥樣品的猛度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥爆熱的影響

實(shí)測(cè)化學(xué)敏化水膠炸藥樣品的爆熱2次，爆熱結(jié)果取平均值，得出片狀鋁粉和粒狀鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥爆熱的關(guān)系(見(jiàn)圖2)。

圖2 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥爆熱的影響Fig.2 Effect of aluminum powder on the explosion heat of water gel explosives sensitized by chemical method

從圖2得到：在炸藥中分別添加1%、2%、3%和4%的片狀和粒狀鋁粉時(shí)，水膠炸藥的爆熱比不添加鋁粉分別提高了6.60%、10.24%、13.85%、17.99%和4.16%、8.74%、12.36%、16.54%。通過(guò)圖2的數(shù)據(jù)擬合，得到片狀和粒狀鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0%～4%時(shí)，炸藥爆熱的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Qv1=3 590.1+160.36a

(1)

Qv2=3 544.6+156.35b

(2)

式中：Qv1、Qv2分別為含片狀鋁粉和粒狀鋁粉炸藥爆熱，kJ/kg；a、b分別為炸藥中片狀鋁粉和粒狀鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水膠炸藥的爆熱逐漸升高，分析認(rèn)為由于鋁粉是一種含能的可燃劑，除了與氧元素直接反應(yīng)放熱外，還能在爆炸反應(yīng)過(guò)程中與爆炸產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，也釋放能量，使炸藥的爆熱進(jìn)一步升高，且其總反應(yīng)式[13]為

6Al+3H2O(g)+N2+3CO2=2Al2O3+3H2+3CO+2AlN

此外，當(dāng)在炸藥中添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉，含片狀鋁粉水膠炸藥的爆熱略高于含粒狀鋁粉水膠炸藥，這是由于采取SEM-EDS(掃描電鏡-X 射線能譜分析法)得到的片狀鋁粉與粒狀鋁粉中的鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同所致，從兩種形狀鋁粉的氧化程度(見(jiàn)表2)可知，片狀鋁粉的鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.32%，而粒狀鋁粉的鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.96%，單位質(zhì)量鋁粉中的鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，燃燒放出的熱量也就越多，故含片狀鋁粉水膠炸藥的爆熱略高于含粒狀鋁粉水膠炸藥，兩種形狀鋁粉的電鏡掃描如圖3所示。

表2 兩種形狀鋁粉的氧化程度

圖3 兩種形狀的鋁粉的電鏡掃描Fig.3 SEM of 2 shapes of aluminum powder

2.2 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥爆速和猛度的影響

實(shí)測(cè)化學(xué)敏化炸藥樣品的密度、爆速和猛度，分別得出片狀鋁粉和粒狀鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥密度、爆速和猛度的關(guān)系(見(jiàn)圖4～圖6)。

圖4 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥密度的影響 Fig.4 The influence of aluminum powder on the explosion density of water gel explosive ssensitized by chemical method

圖5 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥爆速的影響Fig.5 The influence of aluminum powder on the explosion velocity of water gel explosives sensitized by chemical method

圖6 鋁粉對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥猛度的影響Fig.6 The influence of aluminum powder on the brisance of water gel explosives sensitized by chemical method

由圖4、圖5和圖6可知：隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，含片狀鋁粉和粒狀鋁粉的化學(xué)敏化水膠炸藥爆速比不含水膠炸藥分別降低了6.12%、8.31%、13.49%、15.12%和3.88%、6.44%、9.46%、13.27%；猛度分別下降了4.69%、8.27%、13.88%、18.18%和3.26%、7.95%、13.62%、16.78%。

隨著鋁粉的含量增加，炸藥的爆速和猛度逐漸降低。由熱點(diǎn)模型[14]可知，炸藥爆轟過(guò)程釋放的能量與爆速之間的關(guān)系：

(3)

式中：D為炸藥爆速，m/s；F為炸藥爆轟過(guò)程的惰性系數(shù)；n為炸藥爆炸產(chǎn)物的比熱容；Q為爆轟過(guò)程釋放的能量，MJ/kg。

結(jié)合式(3)、圖2和圖5可知，水膠炸藥中添加鋁粉提高炸藥爆熱，而水膠炸藥的爆速反而降低，兩者驗(yàn)證可得炸藥惰性系數(shù)提高。分析認(rèn)為鋁粉在C-J面后與爆轟產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，所產(chǎn)生的能量也不支持前沿沖擊波能量的傳播，即炸藥中的鋁粉在一定程度上反而起到稀釋炸藥的作用，使得單位體積炸藥參與波陣面的能量密度降低[15]，故隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，炸藥的惰性系數(shù)提高，爆速降低。

另一方面，通過(guò)不同炸藥樣品的微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)發(fā)現(xiàn)，由于化學(xué)敏化水膠炸藥在酸性條件下化學(xué)發(fā)泡，而在酸性條件下添加鋁粉會(huì)與炸藥中氫離子反應(yīng)，改變其PH值，影響水膠炸藥化學(xué)發(fā)泡；并且在炸藥中添加鋁粉攪拌的過(guò)程中，在一定程度上使得原先均勻分布的微小氣泡聚集逃逸，導(dǎo)致炸藥中微氣泡數(shù)量減少，“熱點(diǎn)”的有效數(shù)量降低，導(dǎo)致爆轟時(shí)前沿沖擊波作用下放熱量少，爆轟反應(yīng)區(qū)的化學(xué)反應(yīng)速度低，炸藥的爆速降低。

圖7 炸藥樣品的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of explosive samples

此外，炸藥中添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉，含片狀鋁粉水膠炸藥的爆速和猛度略低于含粒狀鋁粉的炸藥。由于粒狀鋁粉的粒徑小、表面積大，與周圍介質(zhì)接觸的表面積大，導(dǎo)熱更容易，可快速吸熱達(dá)到活化溫度，參與反應(yīng)并減少對(duì)前沿波陣面能量的吸收，并且粒狀鋁粉的粒徑小，具有更多的棱角，在沖擊波作用下部分棱角可以形成“熱點(diǎn)”，故含粒狀鋁粉水膠炸藥爆速較高。

炸藥的猛度與炸藥的爆轟壓有關(guān)，而爆轟壓與炸藥的密度和爆速的平方成正比，當(dāng)炸藥的密度基本相同時(shí)(見(jiàn)圖4)，則炸藥的猛度與爆速相關(guān)，故炸藥的猛度隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加而下降，且含片狀鋁粉水膠炸藥的猛度略低于含粒狀鋁粉的水膠炸藥。

3 結(jié)論

1)隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加(0%～4%)，含鋁化學(xué)敏化水膠炸藥的爆熱逐漸增加，爆速和猛度逐漸降低。

2)當(dāng)分別在水膠炸藥中添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)片狀和粒狀鋁粉的時(shí)，含片狀鋁粉水膠炸藥的爆熱高于含粒狀鋁粉水膠炸藥，而含片狀水膠炸藥爆速和猛度略低于含粒狀鋁粉水膠炸藥。當(dāng)分別炸藥中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的片狀鋁粉和粒狀鋁粉的水膠炸藥比不含鋁粉的水膠炸藥，其爆熱分別提高了17.99%、16.54% ，爆速分別降低了15.12%、13.27%，猛度分別下降了18.18%、16.78%。