油相材料對混裝乳化炸藥性能的影響

黃 麟，趙旭東，張英杰，張 陽，席 韜，曹小雙

(1.礦冶科技集團有限公司，北京100160；2.北京北礦億博科技有限責任公司，北京 100160;3.首鋼集團有限公司礦業(yè)公司，河北 唐山 064404)

乳化炸藥的油相材料可以廣義的理解為一類不溶于水的有機化合物，能夠包覆內(nèi)相粒子的油膜，與乳化劑、氧化劑鹽水溶液等一起形成W/O型乳化液，是乳化炸藥的關(guān)鍵組分之一[1]。其作用可以歸納為乳化炸藥的連續(xù)相、還原劑、抗水組分、控制基質(zhì)外觀的成分等?，F(xiàn)場混裝乳化炸藥作為乳化炸藥的一種，因半成品乳化基質(zhì)需要遠距離泵送，要求其為黏度較低的膠狀物質(zhì)，體現(xiàn)在油相材料的選擇上，需要選用流動性能較好的柴油、機油等。國內(nèi)研究人員對使用柴油和機油作為油相材料做了較多的研究。如張東杰等[2]研究單標號柴油、機油、石蠟對乳膠基質(zhì)黏度的影響，對選定的配方進行性能檢測；李寶林[3]以低附加值副產(chǎn)品毛糠蠟及動植物油脂制備的生物柴油為原材料，復配為現(xiàn)場混裝乳化炸藥用油相材料，并對制備的乳化炸藥進行性能測試表征；孫偉博等[4-5]研究廢機油在乳化炸藥中應用的可行性，對成乳性、乳化基質(zhì)黏度、敏化效果及爆速值進行表征；馬平等[6-7]通過固定工藝參數(shù)，分析研究影響基質(zhì)黏度的各種因素。

相關(guān)的研究雖然不少，但均未對不同標號機油、柴油、以及不同比例機油和柴油復配物對現(xiàn)場混裝乳化炸藥性能的影響展開研究。本文通過測定油相材料的黏度，乳化基質(zhì)的黏度、敏化速度、爆速，以及復配油相對應乳化基質(zhì)的黏度等參數(shù)；對油相材料黏度、不同機油標號、機油柴油復配比例等對混裝乳化炸藥性能的影響開展系統(tǒng)研究。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品制備

實驗中使用的油相材料包括0#柴油、5#機油、15#機油、32#機油、46#機油、68#機油、100#機油(無錫協(xié)同史丹得石化有限公司)以及機油柴油復配油相(見表1)；乳化劑為span-80(北京北礦億博科技有限責任公司)；硝酸銨(陜西興化集團有限公司)。采用HM925S-A型乳化器進行乳化制備。乳化基質(zhì)的配比及組成如表2所示。

表1 46#機油或100#機油與柴油復配

表2 乳化基質(zhì)配方

1.2 油相材料、乳化基質(zhì)黏度測試

測試采用博勒飛DV2THB型黏度計(見圖1)，在指定剪切率的條件下測試樣品的黏度。根據(jù)樣品黏度的大致范圍確定黏度測試條件，其中油相材料黏度的測試條件為HB-2轉(zhuǎn)子、100 r/min；乳化基質(zhì)黏度的測試條件為HB-7轉(zhuǎn)子、50 r/min。

圖1 黏度計

1.3 乳化基質(zhì)敏化及裝藥爆速測試

為考察乳化基質(zhì)黏度變化對常溫及高溫條件下基質(zhì)敏化的影響，通過密度測定和爆速測試進行表征。采用BSZ-1型爆速儀測試樣品爆速，樣品為5#、46#、100#機油對應的乳化基質(zhì)在35、70 ℃條件下的敏化裝藥。爆速測試根據(jù)GB 28286-2012[8]混裝乳化炸藥爆速檢測要求，采用φ110×800 mm的PVC管，以成品乳化藥卷作為起爆藥包，爆速測試如圖2所示。

圖2 爆速測試

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同油相的黏度情況

通過測定不同油相材料的黏度(見圖3)可得，0#柴油的黏度最小，幾乎是5#機油的一半，隨著機油標號的增大，黏度越來越大；出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為高標號機油中黏稠添加劑的比例更高，與實際應用現(xiàn)象相符。

圖3 不同油相的黏度情況

2.2 不同油相材料對乳化基質(zhì)黏度的影響

在其他條件均相同的情況下，通過改變油相材料的種類，分別由0#柴油、5#機油、15#機油、32#機油、46#機油、68#機油、100#機油制備7種乳化基質(zhì)，測定各基質(zhì)在不同溫度下的黏度值，得到油相類型、基質(zhì)溫度以及基質(zhì)黏度三者間的關(guān)系(見圖4和圖5)。

圖4 基質(zhì)黏度與溫度的關(guān)系

圖5 各種溫度下不同油相制備的基質(zhì)黏度對比

由圖4可知，由不同油品制備的乳化基質(zhì)黏度均隨溫度的升高而降低，其中0#柴油、5#機油和15#機油降幅較小，這主要是因為整體數(shù)值低，下降空間??；其他4組在40～50 ℃之間降幅較大，在4 000～6 000 cp之間，分析可能的原因是油水相組分在該溫度段內(nèi)流動狀態(tài)變化較大。

由圖5可知，在30～75 ℃范圍內(nèi)同一溫度下，隨著油品黏度的增大，基質(zhì)黏度也逐漸升高，其黏度均呈現(xiàn)0#柴油<5#機油<15#機油<32#機油<46#機油<68#機油<100#機油，與油相材料自身黏度變化趨勢相同。但整體增幅有所不同，其中0#柴油與5#機油之間黏度差為500～10 000 cp，15#與32#之間黏度差為8 000～14 000cp，差距較大；這主要是因為油品黏度增幅不同，其中0#柴油對比5#機油，15#機油對比32#機油，黏度增幅均超過80%，而其余幾組對比，增幅均小于50%。

2.3 不同標號機油對應基質(zhì)敏化效果分析

取5#、46#、100#機油制備的乳化基質(zhì)進行敏化，敏化條件分為常溫、高溫：

常溫敏化溫度：35 ℃；敏化劑：3.3%亞硝酸鈉溶液；敏化劑添加量：3%；

高溫敏化溫度：70 ℃；敏化劑：1.25%亞硝酸鈉溶液；敏化劑添加量：3%。不同標號機油對應基質(zhì)敏化效果如圖6～圖9所示。

圖6 35 ℃，5#、46#、100#基質(zhì)敏化對比

圖7 35 ℃，敏化基質(zhì)黏度對比

圖8 70 ℃，5#、46#、100#基質(zhì)敏化對比

圖9 5#、46#、100#在70 ℃下發(fā)泡狀態(tài)

由圖6～圖8可知，其他條件均不變的情況下，由5#機油、46#機油、100#機油制備的乳化基質(zhì)在35、70 ℃下敏化發(fā)泡速率基本相同，敏化過程中裝藥的黏度變化情況也相似，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，在敏化約0.2 h后黏度達到峰值，此時對應的乳化基質(zhì)密度約為1.25 g/cm3。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是起始敏化裝藥膨脹，使杯中裝藥更為密實，且形成水、油、氣三相空間架構(gòu)，有益于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，黏度略有上升；但隨著敏化程度的增大，藥體中氣泡(孔隙)含量越來越多，原本膠體相連轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體與空氣相連，致使藥體黏度逐漸下降。

由圖9可知，5#機油制備的混裝乳化炸藥氣泡大且數(shù)量少，而由100#機油制備的裝藥呈現(xiàn)較好的狀態(tài)，氣泡小且數(shù)量多，但隨著油相材料黏度的增大，制備基質(zhì)的敏化氣泡逐漸變多且細膩；對在35 ℃下敏化1 h、70 ℃下敏化0.5 h的6種裝藥進行爆速測試，其每組平均值如下表3所示。

由表3可知，35 ℃下低溫敏化，爆速不受機油黏度變化的影響，且爆速均保持較高值；而在70 ℃高溫敏化，在其他條件均相同的情況下，低黏度機油制備的裝藥爆速較低，對比5#機油裝藥和100#機油裝藥，爆速值相差900 m/s。分析原因是低黏度機油制備的乳化基質(zhì)在高溫下固泡效果較差，敏化氣泡易聚集形成大氣泡和氣泡逃逸，減少了敏化體系中的“熱點”數(shù)量，而通過使用高黏度機油，乳化基質(zhì)在高溫下仍保持較大黏度，固泡能力得到提高。

3 機油柴油復配比例對乳化基質(zhì)黏度的影響

在實際應用中，為降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)企業(yè)希望在油相中添加價格較低的柴油，因此分別將46#機油，100#機油和0#柴油復配，研究在70 ℃下不同復配油相對應基質(zhì)的黏度變化情況(見圖10和圖11)。

圖10 46#機油，柴油占比對乳化基質(zhì)黏度的影響

圖11 100#機油，柴油占比對乳化基質(zhì)黏度的影響

由圖10、圖11可知，復配油相中隨著0#柴油添加比例的增大，制備的乳化基質(zhì)黏度大幅降低，這是因為0#柴油的黏度較46#機油和100#機油小，隨著低黏度的0#柴油添加比例的增大，復配油相的黏度降低，繼而制備的乳化基質(zhì)黏度也下降。

46#機油與柴油復合，柴油添加比例與基質(zhì)黏度的關(guān)系為y=30 631-420 443x，r2=0.993;

100#機油與柴油復合，柴油添加比例與基質(zhì)黏度的關(guān)系為y=32 739-474 598x，r2=0.979。

圖12 復配油相對應基質(zhì)狀態(tài)

3 結(jié)論

1)不同油相材料制備的乳化基質(zhì)，其黏度隨油相材料黏度、機油標號的增大而增大，隨溫度升高而降低。

2)在35、70 ℃下，5#機油、46#機油、100#機油制備的乳化基質(zhì)敏化速率基本相同；在70 ℃下，5#機油制備的乳化基質(zhì)敏化氣泡少且大，但隨著油相材料黏度的增大，制備基質(zhì)的敏化氣泡逐漸變多且細膩。

3)不同油相對應的乳化基質(zhì)在35、70 ℃敏化過程中，黏度的變化規(guī)律相同，均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在發(fā)泡密度1.25 g/cm3時達到峰值。

4)在35 ℃條件下的3種敏化裝藥，爆速值接近，在5 100 m/s左右；在70 ℃條件下的3種敏化裝藥，5#機油、46#機油、100#機油對應的裝藥爆速分別為3 982、4 553、4 876 m/s，差值較大，主要是因為低黏度機油制備的乳化基質(zhì)在高溫下固泡效果較差，造成有效“熱點”氣泡少；同時也驗證了通過提高油相材料黏度能夠有效增強基質(zhì)固泡性能，從而確保裝藥的爆轟性能。

5)使用46#機油、100#機油分別和柴油復配，兩組復配油相制備的乳化基質(zhì)黏度均隨柴油添加比例增大而降低，黏度范圍分別為13 900～31300 cp，13 900～35 340 cp。

通過本研究，定量的掌握了油相材料黏度、機油標號、機油柴油復配比例等對混裝乳化炸藥黏度、敏化發(fā)泡以及爆轟性能的影響，能夠較好地指導乳化炸藥配方設(shè)計及性能調(diào)配。