復(fù)合油相替代乳膠基質(zhì)生產(chǎn)乳化粒狀銨油炸藥工藝

劉冬水，朱火平，郭佳甲，陳敏，龍海青

(江西吉安國泰特種化工有限責(zé)任公司，江西 吉安 343136)

0 引言

乳化粒狀銨油炸藥(又稱重銨油炸藥)是由乳膠基質(zhì)、柴油與多孔粒狀硝酸銨混合而成的一種工業(yè)炸藥。該炸藥配方中硝酸銨為氧化劑，柴油為還原劑，乳膠基質(zhì)則在混拌過程中，被涂復(fù)在多孔粒硝酸銨表面，主要起抗水防潮及黏結(jié)劑作用。該炸藥具有本質(zhì)安全性高、密度大、爆能高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，兼具有一定的抗水性，廣泛應(yīng)用于礦山爆破開采。但乳化粒狀銨油炸藥產(chǎn)品目前保質(zhì)期只有30 d，且存貯過程中易發(fā)生柴油滲出、吸濕結(jié)塊、硬化失效等問題。乳膠基質(zhì)是制造乳化炸藥的半成品，這是一種由硝酸銨、硝酸鈉和水組成的氧化劑溶液，與還原劑復(fù)合油混合，再在乳化劑的作用下，乳化分散形成的油包水型乳膠體。生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，包含水相配置、油相融化、保溫及乳化等工序，安全要求高、能耗高、成本高。通過選擇復(fù)合油相替代乳膠基質(zhì)，不用再單獨(dú)生產(chǎn)乳膠基質(zhì)，在保證產(chǎn)品性能、抗水性及黏性基本不變情況下，生產(chǎn)變得簡單、安全、節(jié)能、低成本，且克服了柴油易滲出、結(jié)塊硬化等缺陷，延長了乳化粒狀銨油炸藥存貯期。

1 基本原理

常溫下多孔粒狀硝酸銨與柴油混合后，多孔粒狀硝銨孔隙吸收柴油，再噴灑熔化的復(fù)合油相溶液與其混合，降溫后所得產(chǎn)品即為乳化銨油炸藥。而復(fù)合油相中添加親水親油的乳化劑，通過乳化劑的作用，將油相材料均勻包覆在多孔粒狀硝銨顆粒表面，降至常溫，復(fù)合油相冷凝后在多孔粒狀硝酸銨顆粒表面形層一成致密的油相薄膜，形成的油相薄膜一方面能鎖住多孔粒狀硝酸銨顆?？紫吨械牟裼?，另一方面可以隔絕多孔粒狀硝酸銨顆粒間的接觸，將硝酸銨顆粒間吸濕結(jié)塊的“鹽橋”阻斷，使得產(chǎn)品不易結(jié)塊[1]，且使產(chǎn)品具備一定的黏性及抗水性，提高了產(chǎn)品的保質(zhì)期。實(shí)驗(yàn)時(shí)，復(fù)合油相與柴油合計(jì)按不超過6% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))與94%左右(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的多孔粒狀硝銨混合，設(shè)計(jì)氧平衡為負(fù)氧接近零氧平衡，正式生產(chǎn)時(shí)可通過優(yōu)化微調(diào)配方，讓爆炸化學(xué)反應(yīng)能量充分釋放。

2 復(fù)合油相材料選擇

復(fù)合油相材料的選擇與配比應(yīng)保證乳化粒狀銨油炸藥的爆炸性能、黏性及一定的抗水性，符合以下要求：配制的復(fù)合油相能在氧化反應(yīng)時(shí)能釋放熱量，與硝酸銨等物料應(yīng)有良好的相容性和熱穩(wěn)定性，還需要保持一定的黏稠度，具有一定的成膜性能。由于多孔粒狀硝酸銨的內(nèi)部存在很多毛細(xì)孔隙，會(huì)吸入少量油相，導(dǎo)致孔隙的減少影響爆轟性能。而復(fù)合油相形成的膜包覆多孔硝酸粒子表面，能減少滲入粒子內(nèi)部的油相，還能提供防潮作用。故而油相材料選擇非常關(guān)鍵，主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1)溫度變化因素。在油相材料選擇中，應(yīng)對其熔點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，熔點(diǎn)過高則會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中耗能大，不利于泵送，應(yīng)確保油相在100 ℃以下溫度條件下可溶成液體。而且油相材料熔點(diǎn)不應(yīng)過低，避免油相出現(xiàn)揮發(fā)、被碳化或是著火的情況，對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以，要想確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，應(yīng)將油相溫度控制在80～100 ℃之間，并根據(jù)季節(jié)變換加以調(diào)整。

(2)黏稠度因素。若油相材料的黏度過小，將無法滿足垂直向上孔黏附要求，無法裝藥。若油相材料的黏度過大，乳化粒狀銨油炸藥就會(huì)黏附在炸藥輸送管管壁上，造成堵管現(xiàn)象，無法通過高壓空氣正常輸送。為此，需要將乳化銨油炸藥的運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)控制在10～45 mm2/s。

(3)乳化效果因素。應(yīng)保證油相材料和乳化劑的HLB 數(shù)值接近，確保兩者更好地搭配，由此來確定乳化劑，保證乳化的效果。但盡可能選擇和油相容易發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的乳化劑，這樣在形成配位化合物后能增強(qiáng)炸藥本身的穩(wěn)定性。

(4)熱值因素。由于炸藥需要在短時(shí)間內(nèi)放出大量熱量，如果熱值較低，則會(huì)導(dǎo)致配制成的乳化銨油炸藥爆炸性能受到影響甚至無法引爆。熱值應(yīng)當(dāng)是越高越好。

(5)成本因素。由于油相材料占比較多，應(yīng)盡量選用成本較低的油相材料。

(6)環(huán)保因素。依照國家對工業(yè)炸藥的環(huán)保要求，對炸藥爆炸之后的氣體排放有一定要求，有毒氣體量應(yīng)盡可能少。所以油相材料中盡量不添加或少添加有毒組分，同時(shí)盡量滿足零氧平衡。

乳化劑、凡士林以及復(fù)合蠟等是最常使用的油相材料。其中，乳化劑是多元醇脂肪酸酯與環(huán)氧乙烷的加成物，屬于非離子型的表面活性劑，沒有毒性作用，且不與水相溶，但能夠和熱油類與普通有機(jī)溶劑相溶，特別是與復(fù)合蠟和凡士林等，融合效果理想，在運(yùn)輸中可將其列為非危險(xiǎn)品。凡士林則屬于油脂狀的石油產(chǎn)品，會(huì)散發(fā)礦物油氣味，顏色從白色至黃棕色，滴點(diǎn)在37～54 ℃之間。主要化學(xué)成分為16～18 碳長鏈烷烴混合物，常溫下其外觀狀態(tài)符合要求?？膳c汽油、乙醚、苯和氯仿等多種有機(jī)溶劑相溶，但與水并不相溶。凡士林的化學(xué)穩(wěn)定性與抗氧化性均十分理想，光安定性與抗氧化安定性的性能也較為明顯。

另外添加松香、硬脂酸、乳化劑SP-80、高分子乳化劑等材料中的一種或幾種到復(fù)合油相中，可增強(qiáng)炸藥的抗水性[2]。這幾種添加材料用途不同，其中松香可以增加油相黏度及油膜強(qiáng)度，乳化劑及硬脂酸可以增強(qiáng)油相與硝酸銨顆粒包覆緊密性。

松香能溶于乙醇、乙醚、丙酮、甲苯、二硫化碳、二氯乙烷、松節(jié)油、石油醚、汽油、油類和堿溶液。松香具有增黏、乳化、軟化、防潮、防腐等優(yōu)良性能，常用作增黏樹脂，增加初黏性，在加入到復(fù)合油相材料中可增加各組分的黏接強(qiáng)度，增加油相黏度及油膜強(qiáng)度。

硬脂酸是一種飽和脂肪酸。由油脂水解生產(chǎn)，它是一種難溶于水的蠟狀固體，化學(xué)式C18H36O2，可溶于乙醇和丙酮，易溶于乙醚、氯仿、四氯化碳、苯和二硫化碳等溶劑中。

硬脂酸為白色或類白色有滑膩感的粉末或結(jié)晶性硬塊，其剖面有微帶光澤的細(xì)針狀結(jié)晶，有類似油脂的微臭，無味，相對密度：0.940 8。硬脂酸是制造一般乳化制品不可缺少的原料，廣泛用于制造化妝品、塑料耐寒增塑劑、脫模劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑、橡膠硫化促進(jìn)劑、防水劑、拋光劑、金屬皂、金屬礦物浮選劑、軟化劑、醫(yī)藥品及其他有機(jī)化學(xué)品。其主要指標(biāo)如表1 所示。

表1 硬脂酸主要技術(shù)指標(biāo)

司盤80 為黃色油狀液體，能分散于溫水和乙醇中，溶于丙二醇、液體石蠟、乙醇、甲醇或醋酸乙酯等有機(jī)溶劑中，HLB 為4.3，常用作油包水型乳劑的乳化劑。

高分子乳化劑主要采用的是聚異丁烯基丁二酰亞胺(T154A)，該材料具有良好的清凈分散性，可將各項(xiàng)材料均勻分散在復(fù)合油相中。

3 工藝技術(shù)

采用連續(xù)自動(dòng)化工藝技術(shù)設(shè)備，將柴油噴灑到多孔粒狀硝酸銨中，并在銨油混合螺旋中混合。復(fù)合油相熔化后，保溫在85～95 ℃范圍內(nèi)，使用時(shí)噴入乳化粒狀銨油炸藥雙螺旋混拌機(jī)中，與吸咐了柴油的多孔粒狀硝酸銨充分混合成乳化粒狀銨油炸藥[3]?；旌虾玫奈锪辖?jīng)冷卻螺旋輸送至自動(dòng)包裝機(jī)包裝，每袋質(zhì)量24 kg。試驗(yàn)時(shí)采用同一廠家同一批生產(chǎn)的多孔粒狀硝銨，水分含量低于0.15%；柴油符合GB 252—2011《普通柴油》中0 號標(biāo)準(zhǔn)要求；工業(yè)凡士林滿足表2 中1 號要求。

表2 工業(yè)凡士林主要技術(shù)指標(biāo)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

柴油是炸藥生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)燃料[4]，常溫下易于被多孔粒硝酸銨吸收，爆炸時(shí)能量釋放充分，炸藥性能優(yōu)良，在礦山現(xiàn)制現(xiàn)用影響不大，但用于生產(chǎn)商品炸藥，存貯時(shí)易發(fā)生柴油滲出，影響爆炸性能。通過選取多組配方，分別考察柴油與凡士林配比對炸藥性能影響、凡士林中添加硬脂酸、松香、乳化劑SP-80、高分子乳化劑聚異丁烯丁二酰亞胺等組成復(fù)合油相的配比對炸藥抗水性及存貯期影響。炸藥存貯試驗(yàn)條件為：庫房溫度低于30 ℃，相對濕度低于70%。

4.1 柴油與凡士林配比對炸藥性能的影響

試驗(yàn)時(shí)柴油與凡士林組成油相材料合計(jì)質(zhì)量比為6%，與94%的多孔粒狀硝酸銨混合制成乳化粒狀銨油炸藥。在6% 的油相材料中，改變柴油與凡士林的配比，觀察其對炸藥性能的影響。添加順序?yàn)椋憾嗫琢钕跛徜@先與柴油混合好，再噴灑熔化好85～95 ℃的凡士林溶液與之?dāng)嚢杈鶆?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：柴油與凡士林按1∶1 比例組成復(fù)合油相時(shí)，炸藥存貯7 d外觀及爆炸性能合格，但在10 d 內(nèi)也出現(xiàn)柴油滲出，說明單一凡士林與柴油作為復(fù)合油相，包覆硝酸銨顆粒不緊密。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 柴油與凡士林配比對炸藥性能的影響

4.2 凡士林與添加物組成復(fù)合油相對炸藥性能的影響

為改善凡士林作為單一油相包覆硝酸銨顆粒產(chǎn)生的缺陷，試驗(yàn)選擇在凡士林中添加硬脂酸、松香、乳化劑SP-80、聚異丁烯丁二酰亞胺高分子乳化劑等材料配成復(fù)合油相材料，再與柴油按1∶1 比例，組成6%的油相作為還原劑用于生產(chǎn)乳化粒狀銨油炸藥。復(fù)合油相配制工藝：一定量的凡士林在熔化罐中加熱熔化，分別加入乳化劑SP-80、聚異丁烯丁二酰亞胺、硬脂酸及松香熔化，攪拌均勻，85～95 ℃保溫備用。對炸藥性能影響如表4 所示。

表4表明：用5% 的松香、5% 的硬脂酸、12.5%的聚異丁烯丁二酰亞胺、12.5% 的乳化劑SP-80 與65% 的凡士林配成復(fù)合油相，生產(chǎn)乳化粒狀銨油炸藥黏度合適、抗水性及爆炸性能較好，有效期可達(dá)到180 d。

5 結(jié)語

通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)采用凡士林與柴油作為復(fù)合油相時(shí)，包覆硝酸銨顆粒不緊密。柴油會(huì)從乳化銨油炸藥中溢出，進(jìn)而影響到炸藥的性能，需要添加其他油相材料。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)采用5%的松香、5%的硬脂酸、12.5%的聚異丁烯丁二酰亞胺高分子乳化劑、12.5% 的乳化劑SP-80 與65% 的凡士林配成復(fù)合油相，與柴油按1∶1 比例組成6%的油相，得到黏度合適、抗水性及爆炸性能較好；存貯在庫房溫度低于30 ℃、空氣相對濕度低于70% 條件下，有效期可達(dá)到180 d，較采用乳膠基質(zhì)的方案炸藥性能有很大提升，說明此復(fù)合油相配方可以替代乳膠基質(zhì)加入到乳化炸藥中。