乳化基質在炸藥動壓減敏作用中的影響

朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學化工學院, 安徽淮南 232001)

乳化基質在炸藥動壓減敏作用中的影響

朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學化工學院, 安徽淮南 232001)

乳化炸藥在工程爆破中出現減敏現象,為研究這一現象用水作為傳壓介質,試驗中不斷變換主發藥包與次發藥包之間的距離,并且讓次發藥包在主發藥包水中爆炸產生的動壓作用下隨后起爆,觀測和分析次發藥包中乳化基質的變化;試驗結果表明:隨著主發藥包與次發藥包之間距離不斷的減小,次發藥包受動態壓力不斷增大,次發藥包中乳化炸藥的爆轟性能也逐漸降低,次發藥包中乳化基質的分散相的粒徑也逐漸增大,基質的破乳、析晶現象越發明顯。

乳化炸藥; 基質; 動態壓力; 減敏

1 引言

1969年6月3日H.F.布盧姆(B1uhm)于美國專利3,447,978號中首次透露出一類水基硝銨類炸藥,即乳化炸藥。乳化炸藥泛指一類用乳化技術制備的油包水(W/O)乳膠型抗水工業炸藥,它是以氧化劑水溶液的細微液滴為分散相,懸浮在含有分散氣泡或空心玻璃微球或其它多孔性材料的似油物質構成的連續介質中,形成一種油包水型特殊乳狀液,使其獲得了非常良好的抗水性能。

同時由于乳化炸藥中的氧化劑以細微液滴的分散相水溶液存在,氧化劑與可燃劑接觸面積增大并且以非常緊密的方式接觸,氧化劑和還原劑間的距離幾乎接近與單質炸藥分子中氧化還原基團的距離,其起爆、傳爆及其爆轟性能明顯優于其它工業炸藥接近于理想狀態,是工業炸藥的發展方向。

然而也正是由于乳化炸藥這種比較特殊的油包水型乳化結構,當外界壓力產生變化的同時炸藥內部結構就會因壓力的改變而隨之產生不同程度的變化,從而炸藥的密度和感度也會同時產生不同程度的變化。例如:在深水爆破中當水的靜壓力超過一定值時就會使水下藥包的密度不斷增加,感度也隨之不斷下降;當乳化炸藥體受到一個在極短時間內發生變化的動態壓力作用時(比如沖擊波、應力波、壓力脈沖等),炸藥的起爆感度就會下降更為明顯,甚至出現拒爆壓死現象;前者稱為乳化炸藥靜壓下的減敏效應,后者則稱為動壓下的減敏效應。

在巖土和礦山爆破中常常使用微差起爆來減小爆破震動,首先起爆的炮孔會產生的沖擊波或應力波,這些動態壓力會對臨近的尚未起爆的炮孔中的乳化炸藥裝藥產生作用,使其密度增大,感度大幅下降,發生減敏現象,在施工時容易出現不同程度半爆、拒爆等現象。通過對乳化炸藥的結構分析,掌握動態壓力作用下乳化炸藥內部微觀結構的變化規律,對乳化炸藥受壓后進行微觀結構變化的比較,從乳化炸藥本身找出動態壓力下的減敏現象的原因,對乳化炸藥的進一步發展有著積極的作用。

2 乳化炸藥的減敏

通過對乳化炸藥的基本結構及敏化方式的分析,可以初步判斷引起乳化炸藥減敏現象的主要原因是動態壓力對敏化氣泡載體的破壞。

敏化劑在乳化炸藥中形成的氣泡的尺寸在炸藥爆炸時容易形成熱點。當動態壓力作用于乳化炸藥時,玻璃微球或膨脹珍珠巖會不同程度的發生破碎,其有效氣泡載體減少,而根據熱點原理,只有熱點尺寸相當小時(例如<10-6m、即1μm以下)才能出現相當高的溫度;而尺寸較大時,熱點的溫度較低;當尺寸再大(>10-5m)甚至出現等溫壓縮,不會出現能導致強烈化學反應的熱點,這些熱點只能引發炸藥的熱分解,最后直至消失也不會引發爆炸,最終炸藥發生減敏現象。吳紅波,顏事龍,劉鋒等人在《敏化劑類型對乳化炸藥減敏程度的影響》一文中針對這些現象已作了詳細的闡述。

同時在動壓作用下乳化炸藥中乳化基質也會產生變化,動態壓力的作用可能會加速乳化基質絮凝和聚結的過程,從而導致破乳現象的發生,同樣會產生減敏效應。

為了解乳化基質對動壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響,并排除敏化劑減敏的干擾因素,可先將制備好的乳化基質在不同的動態壓力下加壓,得到不同程度受壓已經減敏的基質,然后將完好的敏化載體添加到其中制成乳化炸藥,將它們的爆炸性能與基質未受壓的正常的乳化炸藥比較,同時對受壓后乳化基質微觀結構進行顯微觀察,可以更直觀的體現乳化基質對動壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響作用的大小,對于進一步認識乳化炸藥減敏機理具有一定的意義。

3 實驗部分

3.1 實驗裝置

3.1.1 藥包的制備

藥包的制備分主發藥包和次發藥包,主發藥包為2 g鈍感RDX,次發藥包為10 g乳化炸藥。

主發藥包外殼由牛皮紙卷制而成,并進行了防水處理。裝藥長度為20mm,裝藥密度在1.05 g/cm3左右,長徑比約為20/30≈1.53<4,因而可看作集中藥包,如圖1所示。

圖1 主發藥包結構示意圖

次發藥包用聚乙烯薄膜包裝,制成呈球體狀。因為聚乙烯薄膜比較柔軟,可以較敏感的感受外界壓力。但是在受到沖擊波作用之后,包裹乳化炸藥的聚乙烯薄膜厚度要適中,不能破裂,否則會使部分乳化炸藥散落在水中,從而造成藥量損失。

3.1.2 爆炸水池

爆炸水池是一個直徑5.5 m,深3.62 m,璧厚8 mm的鋼桶結構。水池上方有一橫梁,橫梁上有一小型吊車,在電動機的帶動下吊車可以將安裝藥包的鐵架子運送到水下指定的位置。根據水池爆炸測試規程,為了消除來自水面和底部的邊界效應,將藥包置于水池軸心水深的2/3處,即水下2.4 m,如圖2、圖3所示。

圖2 測量系統

圖3 爆炸水池

3.1.3 水下測量設備

測量系統由HZP2型自由場壓電壓力傳感器、PEPG06高輸入阻抗放大器、美國Agilent公司生產的54845A型示波器,以及低噪聲電纜組成。

3.2 實驗步驟

水是均勻介質,能夠均勻傳遞壓力,且在水中沖擊波的衰減速度較快,對實驗室來說,以水為傳壓介質是能夠較為逼真地模擬真實炮孔中炸藥所受的動態壓力的一種方法。

實驗利用主發藥包先在水中爆炸產生水中沖擊波,次發藥包在主發藥包產生的沖擊波預動壓作用下稍后起爆,通過變換兩者之間的距離觀測次發藥包的減敏現象。

實驗首先在鐵架上固定次發藥包的受壓距離,在鐵架子中央,務必使兩藥包中心處于同一水平線上,如圖4所示。

圖4 藥包受壓前后布置圖

在爆炸水池中先引爆主發藥包,爆炸沖擊波在水中瞬間傳播至次發藥包,對之產生沖擊壓縮作用,通過調整主、次發藥包之間的距離,來控制的次發藥包所受的沖擊波強度。

取出次發藥包,水浴加熱到50℃～60℃時加入敏化劑,插入一發8#雷管并重新固定在鐵架子上,與傳感器的距離確定為41.5 cm,在爆炸水池中引爆。傳感器捕捉到壓力信號,在示波器上顯示。壓力信號包括沖擊波和氣泡波,它們的主要性能參數都可以由示波器的自動測量系統測得。

為了便于比較,測試條件必須是相同的,包括藥包在水中的位置、裝藥量和測量距離等。因此,在同一組實驗中,次發藥包與壓力傳感器之間的距離應該是固定不變的,這樣一來,捕捉到的沖擊波只會隨著藥包本身的爆炸性能的變化而變化。從而,通過沖擊波壓力信號的強弱,就可以比較藥包的爆炸威力和反應程度。

確定次發藥包與傳感器之間的距離時,主要考慮了傳感器的性能和壓力信號的大小,在滿足測量要求的前提下,為保護壓力傳感器,延緩其使用壽命,應該盡量將該距離確定得遠一些。同時,也減小了藥包尺寸對測量誤差的影響。實驗中,使用了同一型號的壓力傳感器,經過多次試驗,確定了41.5 cm的測量距離,當然在同組實驗中只能選擇一個距離。

同時在測量受壓藥包的沖擊波之前,先在同樣的測試條件下,分別測量同批未受壓的乳化炸藥和單獨一發8#工業電雷管的沖擊波,分別對應于次發藥包全爆和被沖擊波壓死的情況。

3.3 實驗數據處理

從實驗測得的數據中可以很清楚的看出基質未受壓的乳化炸藥的壓力峰值在130～140 mV之間,單發雷管的壓力峰值約為45.2 mV。而基質受壓后的乳化炸藥,由于所受動態壓力的不斷增大其壓力峰也值由130 mV左右逐漸降至50 mV左右,即從近乎全爆狀態降至幾乎被沖擊波壓死的情況。實驗數據充分證明了乳化基質對動壓作用下乳化炸藥減敏作用的影響程度。見表1、表2、表3。

表1 8#雷管標定(距離傳感器41.5 cm處測得)

表2 未受壓乳化炸藥爆炸威力的測試結果

表3 受動壓作用后乳化炸藥爆炸威力的測試結果(距離傳感器41.5 cm處測得)

3.4 實驗結果分析

動態壓力作用下,乳化基質的連續相與分散相之間產生相對運動,分散相的平均曲率變小,在界面膜的某些部位分散相與分散相之間的油膜被擠出,分散相液滴發生聚結,致使分散相變大,體系的均一性變差,對化學反應極為不利。

在乳化炸藥整個體系中,作為的玻璃微球粒徑分布范圍為6.19～89.67μm,珍珠巖粒徑分布范圍為20～130μm,敏化載體中包含氣泡的尺寸一般小于100μm,而水相液珠的直徑一般小于6μm,油膜的厚度為10-3～10-2μm。所以說敏化載體大部分將以第三相的狀態存在于乳化炸藥中即大部分的敏化載體接觸的是油相,油相包裹著水相整個結構如圖5所示。

圖5 受壓前的乳化炸藥的微觀結構的接觸面示意圖

一般情況下乳化炸藥兩相界面的滲透壓為零,連續相既不會自發的流入,也不會自發地流出,處于一種極端平衡的狀態,體系的穩定性非常良好,但在諸如沖擊波的動態壓力的作用下,水相粒子聚結變大,使敏化載體與兩相液膜間的接觸面積變小,這時可能出現兩類情況,一是氣泡分散于油、水之間,一是氣泡直接接觸于水相,或直接分散于水相之中,如圖6所示。

圖6 受壓后的乳化炸藥的微觀結構的接觸面示意圖

定義S為敏化載體與油水兩相界面的平均接觸面積,乳化炸藥的感度越高S越大。與受壓前乳化炸藥的分散結構相比較就不難能夠得出S在減小。根據乳化炸藥的爆轟機理,S的減小同時導致了敏化載體形成熱點后引發兩相間化學反應的效率降低,敏化載體相對尺寸的變化也導致了乳化炸藥爆轟性能的降低和減敏甚至拒爆現象的發生。

4 結論

在動態壓力作用下,乳化炸藥的基質中分散相粒子的粒徑不斷變大,油相膜被擠出,致使水相的液滴也不斷聚結變大,從而導致體系的均一性變的非常之差,使兩相間的化學反應速率大幅下降;同時由于乳化炸藥體系整體結構的變化,敏化載體和油、水兩相界面膜的接觸面積逐漸變小,使得體系中形成的熱點引發油、水兩相間的化學反應的效率大幅降低,于是減敏現象不可避免的出現。這兩個方面的原因也是導致了乳化炸藥減敏的重要因素。

[1] 汪旭光.乳化炸藥[M].北京:冶金工業出版社,1986.

[2] 楊民綱.靜壓力對乳化炸藥性能影響的試驗研究[J].爆破器材,1994,23(2):1-4.

[3] 劉學強.乳化炸藥靜壓下的爆轟和復原性研究[A].工程爆破文集(第五輯).武漢:中國地質大學出版社, 1993.

[4] 解立峰.乳化炸藥受壓鈍化問題的探討[J].爆破器材, 1991,20(2):6-9.

[5] Sumiya,Hirosaki F,Kato Y,et al.Characteristics of pressure wave propagation in emulsion explosive[A]. Proceeedings of the 27th Annual Conference on Explosives and Blasting Technique[C].Orlando,Florida USA,2001(Ⅱ):1-11.

[6] Toshio Matsuzawa,Masaharu Murakaml.Detonability of emulsion explosives under dynamic pressure[J]. Journal of the Industrial Explosives Society(Japan), 1982,43(5):317-322.

[7] 吳紅波,顏事龍,劉鋒,敏化劑類型對乳化炸藥減敏程度的影響[J].中國礦業.2007,(7):94-97.

[8] 王建靈,趙東奎.水下爆炸能量測試中炸藥入水深度的確定[J].火炸藥學報2002,(2):30-32.

[9] 趙琳,李兵,閆吉杰,等.炸藥能量測試的水下爆炸方法[J].聲學技術.2003,22(2):72-75.

[10] K.Murata,K.Takahashi,Y.Kato.Precise measurements of underwater explosion phenomena by pressure sensor using fluoropolymer[J].Journal of Materials Processing Technology.1999,(85):39-42.

TQ560

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1671-4733(2011)01-0021-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2011.01.007

2011-02-26

朱晶(1984-),女,浙江蘭溪人,碩士,研究方向為民用爆破器材,電話:13956433022。