水相組分對混裝乳化炸藥的性能影響研究

趙明生，張 力，韋 劍，黃勝松

(1.保利新聯爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學礦業學院，貴陽 550002)

混裝乳化炸藥主要用于爆破作業，其爆轟性能和乳膠基質長途運輸過程中的穩定性嚴重影響爆破效果，水相材料作為混裝炸藥中的關鍵性材料嚴重影響炸藥作業能力。張陽等[1]分析了乳膠基質的穩定性影響因素不但與儲存環境有關，還受到乳膠基質配方中各組分含量的影響；盧文川等[2]通過研究發現將油相組分中的柴油用用生物柴油替換后乳化基質的穩定性急劇下降；葉輝等[3]通過高低溫循環試驗和自然儲存試驗表明，由復合乳化劑制備的乳化基質穩定性明顯優于由單一乳化劑。目前對混裝乳化炸藥的研究主要集中在混裝乳化炸藥的儲存穩定性上[4-5]，開展混裝乳化炸藥水相組分含量對混裝乳化炸藥爆轟性能及乳膠基質儲存穩定性的研究對混裝乳化炸藥的應用推廣具有重要意義。

1 配方實驗

為研究水相組分中硝酸銨和水質量分數對混裝乳化炸藥爆轟參數及乳膠基質儲存穩定性的影響，將油相材料的組分及各組分的質量分數作為定值，設計5組水相配方(見表1)，理論計算5組不同配方的爆轟參數并制備乳膠基質，通過高低溫循環、模擬運輸振動、結合顯微鏡觀察微觀結構等方法綜合分析評價乳膠基質的儲存穩定性。本次實驗儀器主要用到生物顯微鏡、乳化器、循環浴、高低溫交變實驗箱。根據B-W規則建立爆炸反應方程式并分別計算出不同配方的爆熱、爆容和爆速。

表1 水相組分不同質量分數配方及參數

從表1可以看出，1#～5#水相配方中隨著硝酸銨質量分數從75%增加到79%時，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，爆容與之相反；水相溶液的析晶點隨著硝酸銨的質量分數減少而降低。實際生產，如果水相溶液析晶點過高，對生產設備的保溫要求較高，在生產過程中易出現析晶給生產帶來安全隱患。

2 乳膠基質制備

按照表1中各組分的比例制備水相、油相，制備0.5 kg乳膠基質進行儲存穩定性實驗。乳膠基質的制備工藝為：將乳化器電機轉速調到0.8 krpm，在30 s內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時，將電機轉速調到1.4 krpm，對乳膠基質進行高速剪切150 s。制備工藝參數如表2所示、乳膠基質的制備及樣品分別如圖1、圖2所示。

表2 乳膠基質制備工藝參數

圖1 乳膠基質的制備Fig.1 Preparation of emulsion matrix

圖2 乳膠基質樣品Fig.2 Emulsion matrix sample

3 實驗過程及結果分析

結合實驗情況，將乳膠基質自然儲存作為對照組，高低溫循環作為實驗組，通過自然儲存天數及循環次數多少來評價乳膠基質儲存穩定性的好壞，主要方法有乳膠基質自然老化法和加速老化法，基于溫度沖擊和振動沖擊試驗實現加速老化，通過觀察乳膠基質微觀結構發生吸晶、產生氣泡等明顯變化的時間間隔[7-8]以此判斷其儲存穩定性好壞。

3.1 高低溫循環實驗過程

在實驗室將乳膠基質的自然儲存天數與高低溫循環次數進行對比(見表3)，進一步驗證儲存穩定性。通過查閱文獻資料[6-7]并結合實驗設備將高低溫循環參數設置為：高溫設定為46 ℃，維持時間為12 h；低溫設置為-15 ℃，維持時間為12 h，每24 h為1個循環。

表3 高低溫循環次數

3.2 實驗結果分析

乳膠基質穩定性試驗結果如圖3所示。

圖3 乳膠基質穩定性實驗結果Fig.3 Stability test results of emulsion matrix

從表3和圖3可以看出，水質量分數從15%增加到19%時，隨著水質量分數的增加乳膠基質高低溫循環次數從3次增加到5次，自然儲存天數從52 d增加到66 d，說明增加水質量分數有助于乳膠基質儲存穩定的提高。

4 結論

1)理論計算結果表明，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，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)實驗結果表明水質量分數的增加有利于儲存穩定，水相中水質量分數從15%增加到19%時水相溶液析晶點從79.6 ℃下降到63.4 ℃，隨著水質量分數的增加乳膠基質高低溫循環次數從3次增加到5次，自然儲存天數從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量分數有利于提高乳膠基質儲存穩定性和保證炸藥的穩定爆轟，在實際工程中根據現場巖體可爆性和乳膠基質的運輸距離合理控制水相材料中的硝酸銨和水的配比，實現混裝乳化炸藥的作功能力和經濟性的最優。