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        少鈉乳化炸藥的研發(fā)

        2022-09-16 03:44:06李園
        煤炭與化工 2022年8期
        關(guān)鍵詞:硝酸鈉油相水相

        李園

        (福建海峽科化股份有限公司 龍巖分公司,福建 龍巖 364002)

        0 引 言

        在我國乳化炸藥生產(chǎn)過程中,最常見的是采用硝酸銨、硝酸鈉混合氧化劑制備水相溶液,硝酸鈉通常占水相溶液的5%~10%。硝酸鈉在一定程度上能夠降低水相溶液的析晶點(diǎn),降低乳狀液形成的難度,同時還能增大乳化體系的供氧量,改善乳化炸藥產(chǎn)品中的氧平衡,提高乳化炸藥的最終密度。但硝酸鈉中含有的金屬元素鈉在參與爆炸反應(yīng)中會氧化成氧化鈉,將消耗一定的炸藥能量,并且隨著硝酸鈉價格持續(xù)上漲,致使乳化炸藥的成本不斷提高。因此,研發(fā)出少硝酸鈉的乳化炸藥具有重要意義。

        1 基本原理

        1.1 影響乳化炸藥性能的因素

        1.1.1 組 分

        乳化炸藥的主要組分是氧化劑、可燃劑和敏化劑,另需添加一定的水和少量的添加劑。氧化劑、可燃劑是乳化炸藥主要的能量釋放者,其多少直接影響到乳化炸藥的做功能力。

        根據(jù)零氧平衡的原則,氧化劑、可燃劑的配比越大,炸藥的威力越大。

        1.1.2 水相的析晶點(diǎn)

        乳化炸藥是以氧化劑水溶液的微細(xì)液滴為分散相,懸浮在含有分散氣泡的油相材料構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)中,形成了一種特殊的油包水型含水硝銨類乳化體系。

        硝酸銨作為乳化炸藥水相材料的無機(jī)氧化鹽,析出量越高即析晶點(diǎn)越低,大量的晶體從水相中析出,會使乳膠體受到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致乳化炸藥的爆炸性能、貯存期穩(wěn)定性大幅降低。

        1.1.3 油相材料的黏度

        在乳化炸藥體系中,受氧平衡的限制和爆炸性能的要求,油相材料的含量補(bǔ)給分散相的1/10,導(dǎo)致油相材料的黏度、鏈長、分子結(jié)構(gòu)等就顯得尤為重要。

        油相材料中長鏈大分子碳?xì)浠衔锖吭黾?,乳化膜?qiáng)度相應(yīng)增大,乳化炸藥基質(zhì)硬度增加、抗水性提高,乳化分散難度相應(yīng)增加,易乳化性降低。另油相材料的黏度增加,其約束敏化氣泡的能力也增強(qiáng),乳化炸藥猛度值也隨之增加。

        2 研制方案及配方確定

        2.1 研制方案

        依據(jù)零氧平衡理論,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,降低硝酸鈉配比后,通過在水相材料加入新型的添加劑,配以油相添加劑,改變硝酸銨的晶型結(jié)構(gòu)、降低硝酸銨水溶液的析晶點(diǎn),同時調(diào)整水相溶液的pH值及炸藥基質(zhì)密度,為乳化提供保障。

        2.2 試驗(yàn)部分

        2.2.1 水相添加劑的選擇

        實(shí)踐表明,在乳化炸藥生產(chǎn)中,一旦不加或者少加硝酸鈉,乳化炸藥在貯存期內(nèi)爆炸穩(wěn)定性得不到保證,極易出現(xiàn)結(jié)塊破乳的情況。據(jù)文獻(xiàn),向硝酸銨水溶液中添加功能復(fù)合物可以降低析晶點(diǎn),一般是以一種多元醇化合物和陰離子表面活性劑為主體的復(fù)合物。適量的添加“功能性復(fù)合物”,對降低水相溶液析晶點(diǎn)非常有效,基于該原理我們將選擇或制備一款“功能性復(fù)合物”來改善降低硝酸鈉含量對乳化炸藥性能影響。常用陰離子表面活性劑性能對比表見表1。

        表1 常用陰離子表面活性劑性能對比表Table 1 Anionic surfactant in common use

        由表1可以看出,將十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉分別加入水相溶液后,使水相pH值增大,硝酸銨的氧化性下降,炸藥的爆炸性能下降;我司乳化炸藥生產(chǎn)中采用化學(xué)發(fā)泡法敏化,十二烷基醇酰磷酸酯不適合作為水相添加劑。經(jīng)過分析對比,決定加入十二烷基苯磺酸鈉作為“功能性復(fù)合物”組分之一。另甘油作為制備多元醇型非離子表面活性劑的多元醇,具有自乳性、不易溶于脂肪酸酯或酰胺等特性,同時兼具容易獲取等優(yōu)勢,理論上可以作為“功能性復(fù)合物”另一組分。

        2.2.2 油相添加劑的選擇

        根據(jù)文獻(xiàn),某些高分子聚合物,如丁二烯-苯乙烯的共聚物、無規(guī)聚丙烯、異丁烯-乙烯共聚物、異丁烯-乙烯共聚物等,可有效地用于改進(jìn)油相材料組分,調(diào)節(jié)油相材料的黏稠度,又在體系中形成高分子框架,使乳化炸藥的儲存穩(wěn)定性得到顯著的改善。通過在2號巖石乳化炸藥油相材料中添加不同高分子聚合物,對比其猛度變化,對比圖如圖1所示。

        圖1 乳化炸藥猛度對比Fig.1 Contrast diagram of emulsion explosives

        由圖1可知,隨著各類油相添加劑配比增加,2號巖石乳化炸藥猛度呈上升趨勢,當(dāng)達(dá)到峰值后,配比持續(xù)增加猛度出現(xiàn)下降。其中高分子聚合物異丁烯-乙烯共聚對2號巖石乳化炸藥猛度影響最大,故而確定該種高分子聚合物為油相添加劑。

        2.2.3 水相添加劑配比的確定

        當(dāng)降低硝酸鈉配比后水相溶液pH值降低,析晶點(diǎn)升高,所生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)在發(fā)泡劑敏化時,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度過快,從而容易形成穩(wěn)定性較差的大氣泡,導(dǎo)致微氣泡的數(shù)量減少,產(chǎn)品的爆速和猛度就會出現(xiàn)不合格現(xiàn)象,同時在貯存期內(nèi)爆炸穩(wěn)定性得不到保證,極易出現(xiàn)結(jié)塊破乳的情況。為了消除降低硝酸鈉配比對乳化炸藥性能的影響,龍巖分公司根據(jù)氧平衡設(shè)計原則和主要組成物(氧化劑和可燃劑)的能量貢獻(xiàn)及爆炸性能要求、工藝條件等,結(jié)合工業(yè)炸藥配方設(shè)計的優(yōu)化原理,確定了水相添加劑的配比,水相添加劑的配比見表2。

        表2 水相添加劑的配比Table 2 Ratio of aqueous additives

        由表2可以看出,當(dāng)硝酸鈉配比降低后,通過添加“功能性復(fù)合物”,降低了析晶點(diǎn),改善了降低硝酸鈉含量對乳化炸藥性能影響,但是乳化炸藥出現(xiàn)了猛度降低、貯存期性能不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

        2.2.4 油相添加劑配比的確定

        結(jié)合圖1,當(dāng)油相添加劑異丁烯-乙烯共聚物在1%~3%時2號巖石乳化炸藥猛度呈上升趨勢,根據(jù)產(chǎn)品猛度要求,確定了油相添加劑配比,具體見表3。

        表3 油相添加劑的配比Table 3 The ratio of oil phase additives

        2.2.5 少鈉乳化炸藥性能檢測

        當(dāng)試驗(yàn)條件設(shè)定為高溫50℃8 h、低溫-10℃16 h,高低溫循環(huán)試驗(yàn)炸藥藥卷破乳率<1%,然后經(jīng)過1~6個月的貯存期,檢測少鈉乳化炸藥不同貯存期性能,少鈉乳化炸藥貯存期性能對比試驗(yàn)見表4。

        表4 少鈉乳化炸藥貯存期性能對比試驗(yàn)Table 4 Comparison test of storage life performance of sodium nitrate emulsion explosive

        由表4可以看出,經(jīng)過1~6個月的貯存期,我司研發(fā)的少鈉乳化炸藥性能變化不大,且各項(xiàng)性能良好。

        3 結(jié) 論

        (1)在少鈉乳化炸藥的水相材料中加入0.3‰~0.5‰十二烷基苯磺酸鈉,降低了水相析晶點(diǎn)5~10℃,加入0.1‰~0.2‰的甘油增加水相溶液的親油性,降低了水相體系對乳化表面自由能的匹適度,提高了乳化炸藥的爆炸威力。即通過添加“功能性復(fù)合物”,降低了析晶點(diǎn),改善了降低硝酸鈉含量對乳化炸藥性能影響。

        (2)在少鈉乳化炸藥的油相材料中加入1%~3%的異丁烯-乙烯共聚物,增加了油相材料的黏稠度,強(qiáng)化界面膜的強(qiáng)度,增加表面自由能,從而提高了少硝酸鈉制造的乳化炸藥的貯存期穩(wěn)定性。

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