油相材料對乳化炸藥儲存性能影響的實驗研究

尤靜嫻，楊文超，胥雪萍

(廣東宏大民爆集團有限公司，廣東 廣州 511300)

乳化炸藥是由水相及油相材料通過靜態或動態乳化混合成乳膠基質，并經物理或者化學敏化形成的W/O型民用炸藥。其中，水相材料主要由高濃度硝酸銨水溶液及少量硝酸鈉和自來水按照一定比例攪拌制成；油相材料通常由復合蠟和乳化劑根據一定比例調制而成[1]。現實生產過程中，經過長期儲存的乳化炸藥在使用過程中經常會出現半爆或拒爆等不良現象，這在一定程度上限制了乳化炸藥在民爆領域方面的推廣應用，針對此種不良現象，有必要開展乳化炸藥儲存穩定性方面的研究[2-3]。

針對乳化炸藥的儲存特性及影響因素，國內外學者開展了大量的研究工作。單艷玲[4-5]等采用特定實驗儀器，分析了不同油相配比下乳化炸藥的熱分解特性，最終得出油相材料中乳化劑成份對乳化炸藥穩定性具有重要影響；郭素云等[6]通過實驗室試驗，對比分析了不同種類油相材料對乳化炸藥性能的影響，得出復合蠟較為適合作乳化炸藥油相材料；Hiemenz P等[7]通過實驗得出，乳化炸藥油水兩相界面粘附的緊密程度主要受油相物質的運動黏度及乳化劑濃度的影響；王波[6-10]等通過實驗室實驗測定不同種類油相材料的運動黏度對乳化基質性能穩定性的影響，得出當乳化劑分子親水親油基穩定時乳化效果達到最佳。

乳化炸藥的儲存性能受炸藥組分、油相物理化學性能及周圍環境等多種因素的影響[11]。在乳化基質內，氧化劑水相溶液在乳化劑作用下被油相材料包裹著，即W/O型乳化基質，在生產工藝不變的情況下，乳化基質的穩定性與油相材料有密切關系[12]。本文基于實驗室實驗，重點從油相材料的運動黏度、熔點、含油量及HLB值等參數來研究油相對乳化炸藥儲存性能的影響。研究結果對延長乳化炸藥儲存期，改善炸藥產品性能具有一定指導和參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及相關儀器

實驗材料：工業級硝酸銨、硝酸鈉；SP-80乳化劑；質量分數為1%的酚酞試液；甲醛；氫氧化鈉。

實驗儀器：精度為 0.01 g 的電子天平一臺；量程式高低溫循環箱一個；自動化數顯乳化器一臺；石蠟熔點測定儀、平氏黏度計、燒杯、堿式滴定管、橡膠管、吸耳球、恒溫箱、恒溫水浴箱、秒表、容量瓶各一個。

1.2 乳化基質制備

乳化基質組分及質量分數：硝酸銨76.7%、硝酸鈉6.5%、自來水10%、SP-80乳化劑3%，六種復合蠟油相材料，標記為1#～6#，質量分數均為6.5%。

將水相及添加有乳化劑的油相分別加熱至 95 ℃，然后在轉速為 1500 r/min 的乳化器內充分混合，制得乳化基質。

1.3 實驗項目

1.3.1 運動黏度測定

分別量取等質量的1#～6#復合蠟，并將樣品加熱熔化至 100 ℃，然后置于 95 ℃ 恒溫箱中進行保溫以備用。將保溫箱中熔化好的復合蠟樣品倒入黏度計內，并放入黏度測定儀中且保持垂直固定，恒溫加熱 15 min，用吸耳球小心吸取蠟油超過黏度測定儀的第一條刻度線，用計時器記取蠟油流經兩條刻度線所用的時間t。樣品的運動黏度計算見式(1)所示。

Vt=c·t

(1)

式中：c為黏度系數，mm2·s-2；t為樣品流經兩條刻度線所用平均時間，s。

1.3.2 含油量的測定

根據相關標準，復合蠟含油量具體指含有基礎油的量，其測定方法為：將樣品溶解于丁酮或者丁酮-甲苯溶劑內，然后低溫冷卻并過濾析出的蠟，緊接著對剩下的溶液進行蒸餾，蒸出雜質，則殘留油的質量分數即為樣品的含油量。具體計算如式(2)所示。

(2)

式中：w為復合蠟的含油量，%；m1為殘留油的質量，g；m2為樣品質量，g；m3為丁酮溶劑的質量，g；m4為蒸發溶劑的質量，g；0.15%為在低溫狀態時，復合蠟在溶劑中溶解度的平均校正值[12]。

1.3.3 熔點的測定

本次采用冷卻曲線法測定復合蠟的熔點。具體測定方法為：在規定的條件下采用石蠟熔點測定儀冷卻已熔化的復合蠟樣品，在冷卻過程中，每隔 15 s 記錄一次樣品溫度，當第一次出現5個連續讀數之總差不超過 0.1 ℃ 時，即樣品冷卻曲線上出現停滯期時，其溫度即為復合蠟樣品的熔點，并以5個連續讀數的平均值作為所測樣品的熔點。

1.3.4 析晶率

通過高低溫循環來簡化模擬乳化炸藥在自然狀態下的儲存穩定性。實驗借助高低溫循環箱，高溫設定為 65 ℃，低溫設為 -25 ℃，高低溫各設定持續時間為 14 h，全部完成一個高溫和一個低溫過程為一個循環。乳化基質在經歷一個或多個高低溫循環后會表現出析晶現象，各組樣品在每次高低溫循環后采用甲醛法來檢測乳化基質的析晶率，析晶率越大表明乳化炸藥的儲存穩定性越差[12]。

乳化基質析晶率可由式(3)計算得出：

(3)

式中：V為消耗的氫氧化鈉標準溶液的體積，mL；N為氫氧化鈉標準溶液的濃度，mol/L；0.08004為每毫克當量的硝酸銨的克數，g/mg；m為各樣品乳化基質的質量，g。

2 結果與分析

不同復合蠟油相配置得到的乳化基質運動黏度的測試結果如表1所示。

表1 各組復合蠟配置乳化基質的運動黏度實驗結果

不同復合蠟含油量的測試結果如表2所示。

表2 各組復合蠟含油量的實驗結果 %

不同復合蠟熔點的測試結果如表3所示。

表3 各組復合蠟熔點的實驗結果 ℃

根據前述測試樣品析晶率的實驗方法，將不同復合蠟油相配置得到的乳化基質樣品置于高低溫循環箱內，采用甲醛法測試各組樣品每完成一次高低溫循環后的析晶率，測試結果如表4所示。

表4 各組復合蠟配置乳化基質的析晶率實驗結果

結合上述分析，分別作乳化基質析晶率與不同種類復合蠟運動黏度、熔點及含油量之間關系圖，如圖1～圖3所示。

圖1 運動黏度與乳化基質析晶率之間關系

圖2 含油量與乳化基質析晶率之間關系

由圖1～圖3并結合表1～4可看出，復合蠟的運動黏度、熔點及含油量對乳化基質的析晶率具有顯著影響。例如，6#復合蠟的含油量最低，而運動黏度及熔點最大，其配置成的乳化基質經過5次高低溫循環后析晶率最小，僅為11.4%，表明該型乳化基質儲存穩定性較高；5#復合蠟的含油量最大，而運動黏度及熔點最小，其配置成的乳化基質經過5次高低溫循環后析晶率最大，達到37.8%，表明該型乳化基質儲存穩定性較差。

圖3 熔點與乳化基質析晶率之間關系

復合蠟作為一種目前乳化炸藥制作過程中較廣泛采用的油相材料，與SP-80等油包水型乳化劑結合，可達到乳化疊加的效果，因此，制得的乳化炸藥性能較好。目前，市面上的復合蠟一般以石蠟、地蠟、柴油及凡士林等石油煉制品原材料按一定配比調制而得，因此，各組分的含量及性能差異都會影響到復合蠟的運動黏度及含油量的大小，進而影響到乳化基質的儲存穩定性。查閱相關文獻并分析可知，乳化基質儲存穩定性與油相材料運動黏度呈正相關關系，油相材料的運動黏度越大，表明油相分子的碳鏈越長且不易斷裂，與乳化劑結合可形成穩固的油膜，其所包覆的液珠不易外滲，即使油膜有所破損也能及時自行修復[12]。因此，采用運動黏度較高的油相材料制得的乳化炸藥儲存穩定性更高。

3 結論

1)不同組分及性能的復合蠟油相材料，其運動黏度、含油量及熔點等物理性能參數也將表現出明顯的差異，進而影響到其所制得的乳化炸藥的儲存穩定性。

2)乳化炸藥的儲存穩定性與油相材料的運動黏度及熔點成正相關關系，而與含油量成負相關關系。