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        復(fù)合添加劑對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)影響的研究

        2022-11-28 02:34:00程秀蓮
        工程爆破 2022年5期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        程秀蓮

        (沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110159)

        乳化炸藥是以氧化劑水溶液(水相)的微細(xì)液滴為分散相,懸浮在含有分散起泡或空心玻璃微球或其他多孔性材料(敏化劑)的似油類物質(zhì)(油相)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)中,形成一種油包水型的特殊乳化體系[1]。

        乳化炸藥水相主要是硝酸銨等無機(jī)鹽氧化劑的水溶液,是形成炸藥密度,決定爆炸性能的主要影響因素,通常占乳化炸藥總質(zhì)量的92%~95%[2]。

        乳化溫度是影響乳化炸藥生產(chǎn)安全和能耗大小的決定性因素之一。乳化溫度是由水相和油相完全溶解的溫度決定的,保證各相處于穩(wěn)定的液體狀態(tài),保證乳化基質(zhì)的正常制備。乳化溫度一般應(yīng)高于析晶點(diǎn)20~30 ℃[3]。析晶點(diǎn)不僅決定乳化溫度,還對(duì)乳化炸藥穩(wěn)定性有極大影響[4]。

        零氧平衡時(shí)乳化炸藥釋放的能量最大,產(chǎn)生的有毒氣體量最小,因此,在配方設(shè)計(jì)時(shí)需調(diào)整正氧平衡和負(fù)氧平衡組分的配比使配方氧平衡為零。對(duì)乳化炸藥等含水炸藥而言較小的負(fù)氧平衡更利于炸藥能量的發(fā)揮[5]。

        本文主要研究了硝酸鹽類,及硝酸鈉與其他添加劑復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)和氧平衡值的影響,較佳復(fù)合添加劑可使水相析晶點(diǎn)降低16.9 ℃,氧平衡值0.17 g/g。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要試劑與儀器

        硝酸銨、硝酸鈉、尿素、氯化鈉、氯化鉀、十二烷基硫酸鈉(K12)、正丙醇均為分析純,天津市紅巖化學(xué)試劑廠;乙二醇為分析純,東陵區(qū)精細(xì)化學(xué)廠。

        電子天平:JA5003N,上海精密科學(xué)儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋:DK-98-11,天津市泰斯特儀器有限公司;量程0~100 ℃,最小刻度為0.5 ℃的水銀溫度計(jì);量程為0~1 mL,最小刻度為0.05 mL的注射器,20×150 mm玻璃試管、濾紙等。

        1.2 析晶點(diǎn)測(cè)定

        1)配制水相溶液。配制15 g水相溶液,按乳化炸藥水相配方準(zhǔn)確計(jì)算并計(jì)量各組分,加入到試管底部,防止各組分掛壁。固態(tài)組分用電子天平準(zhǔn)確計(jì)量。液態(tài)組分用注射器滴加,電子天平計(jì)量質(zhì)量。微量組分配成稀溶液后計(jì)量加入。最后補(bǔ)足水量。組裝上溫度計(jì),計(jì)量總質(zhì)量m0。

        2)析晶點(diǎn)的粗測(cè)。將組裝上溫度計(jì)的試管放入50 ℃左右的水浴鍋中,并使試管中藥品表面低于水浴鍋中水的表面3 cm以上,隨著水浴共同加熱至水浴90 ℃恒溫。加熱過程可用溫度計(jì)輕輕攪動(dòng),至溶液澄清透明,再保溫20 min,然后以每1 ℃/5 min的速度緩慢降溫,降溫期間要不斷輕輕攪動(dòng)溶液,保證試管內(nèi)液面波動(dòng)在1.5 cm以下。當(dāng)用肉眼觀察到有絮狀析出時(shí),此時(shí)的溫度即為粗測(cè)的水相析晶點(diǎn)。取出試管擦干外表面水,和試管內(nèi)壁等內(nèi)表面上的蒸發(fā)水,稱量總質(zhì)量m1,計(jì)算水相析晶點(diǎn)測(cè)定過程中的失水量Δm,Δm=m0-m1。

        3)析晶點(diǎn)的精測(cè)。向試管中補(bǔ)充2倍失水量(2Δm),重復(fù)析晶點(diǎn)的粗測(cè)操作,當(dāng)與粗測(cè)中的Δm之差小于0.01 g時(shí),測(cè)得的析晶點(diǎn),即為精測(cè)的析晶點(diǎn)。

        1.3 水相配方調(diào)整原則

        乳化炸藥水相的基礎(chǔ)組分為硝酸銨和水。降低水相析晶點(diǎn)即增大水對(duì)硝酸銨的溶解能力。加入微量添加劑(表面活性劑)時(shí),可按外加原則,硝酸銨和水用量不變,總質(zhì)量略有增加,硝酸銨和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低,但保持了加入微量添加劑前后單位質(zhì)量水中需溶解的硝酸銨質(zhì)量相同,能準(zhǔn)確體現(xiàn)出添加劑對(duì)水相析晶點(diǎn)的影響。添加劑加入質(zhì)量較大時(shí),則按內(nèi)加原則,保持水相總質(zhì)量不變的同時(shí),保持硝酸銨和水的相對(duì)比例不變,添加一定百分比的添加劑,此條件下也保證了加入較大質(zhì)量添加劑前后單位質(zhì)量水中需溶解硝酸銨質(zhì)量不變。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 油相占比與水相氧平衡之間的關(guān)系

        乳化炸藥是油包水型熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,油相質(zhì)量占比在3%~9%之間[6],油相質(zhì)量占比低于3%,很難制得物理穩(wěn)定性合格的乳化炸藥,其占比過高則使乳化炸藥配方負(fù)氧平衡過大。依據(jù)零氧平衡原則,水相、油相和乳化劑三者氧平衡之和為零。乳化劑選常用Span-80 ,氧平衡-2.36 g/g,質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2%~3%之間,本文取2.5%。油相選常用的碳?xì)浠衔铮缡?,分子式C18H38,氧平衡-3.46 g/g;機(jī)油分子式 C12H25,氧平衡-3.45 g/g,因此,油相氧平衡確定為-3.46 g/g。在此條件下,油相占比與水相氧平衡之間的關(guān)系如表1所示。

        表1 油相占比與水相氧平衡之間的關(guān)系

        由表1可知,隨著油相占比增大,水相氧平衡值隨之增大。硝酸銨氧平衡僅為0.20,硝酸鈉氧平衡0.471,但硝酸鈉中鈉元素在參與爆炸反應(yīng)中生成凝聚態(tài)氧化鈉不利于炸藥的爆炸作功,實(shí)際生產(chǎn)中硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~10%[7](見表3)。由表1可見,此時(shí)油相為3.7 %,因此油相在3%~3.7%比較適宜,水相氧平衡在0.17 g/g以上比較適宜,小于硝酸銨氧平衡值,水相中可以添加少量負(fù)氧平衡添加劑。

        油相中若含有油脂類等含氧組分使油相氧平衡值升高,油相占比可以大于3.7%,但同時(shí)要求水相氧平衡值隨之提高,才能保證配方為零氧平衡,減小水質(zhì)量百分?jǐn)?shù),添加比硝酸銨氧平衡值大的含氧物質(zhì)都是有效提高水相氧平衡值的方法。

        2.2 Na+、K+、Cl-等離子對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        表2 Na+、K+、Cl-等離子對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        由1和5號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,5號(hào)實(shí)驗(yàn)添加0.017 6 mol硝酸銨使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.07%,比1號(hào)實(shí)驗(yàn)硝酸銨高2.07%,其析晶點(diǎn)升高5.2 ℃。由2和5號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,添加相同物質(zhì)的量其他鹽類的水相析晶點(diǎn)都有不同程度的降低,其中硝酸鈉和氯化銨使析晶點(diǎn)降低幅度較大,加入硝酸鈉使水相氧平衡升高0.045 g/g,加入氯化銨使水相氧平衡降低0.077 g/g。在水相氧平衡≤0.17 g/g,不宜加入氯化銨,水相氧平衡>0.17時(shí),可加入適量氯化銨。適量加入氯化鈉預(yù)計(jì)可使水相析晶點(diǎn)明顯降低,又不使水相氧平衡值明顯下降。

        2.3 硝酸鈉用量對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        硝酸銨和水的質(zhì)量比為5.67∶1,加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸鈉,配制成總量為15 g的乳化炸藥水相溶液,測(cè)定其析晶點(diǎn)如表3所示。

        表3 硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        由表3可知,隨著硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,水相析晶點(diǎn)隨之下降,基本呈線性關(guān)系,硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1 %,水相析晶點(diǎn)大約下降0.46 ℃;水相氧平衡隨著硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而提高,硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1 %,水相氧平衡提高0.003 g/g。但硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過大,原因同前文。

        2.4 硝酸鈉與不同添加劑復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        尿素(CO(NH2)2,氧平衡為-0.8)具有防止乳化炸藥自燃作用,且硝酸銨和尿素在水中能形成低溶點(diǎn)共混物,使析晶點(diǎn)有明顯降低的現(xiàn)象[8],同時(shí)也具有防凍劑功效[9-10]。

        乙二醇熔點(diǎn)-12.9 ℃,能與水混溶,常用作溶劑、防凍劑。乙二醇與十二烷基磺酸鈉復(fù)配可使乳化炸藥水相析晶點(diǎn)降低12 ℃[11]。

        K12(十二烷基硫酸鈉)可使乳化炸藥水相析晶點(diǎn)降低(5~10) ℃[11-12]。

        在同系物中,一般隨分子量增大,熔點(diǎn)隨之升高,但C3化合物的熔點(diǎn)明顯低于C2和C4化合物的熔點(diǎn)(見表4)。

        表4 C2 ~ C4化合物熔點(diǎn)[13]

        由表4可知,C3化合物具有我們沒有掌握的難以凝固的原因,且丙醇可以與水混溶,故考察丙醇對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響。

        由于上述原因,選取了尿素、乙二醇、K12和正丙醇為與硝酸鈉復(fù)配的添加劑。綜合考慮以下因素:①乳化炸藥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%左右,其作功能力下降4%~6%[2];②滿足乳化炸藥對(duì)提高作功能力的需求;③工信部安〔2010〕227號(hào)民用爆炸物品行業(yè)《技術(shù)進(jìn)步指導(dǎo)意見》中要求一期目標(biāo)(2012 年1月1日起應(yīng)達(dá)到的目標(biāo))膠狀乳化炸藥產(chǎn)品配方中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>9%,④充分體現(xiàn)復(fù)合添加劑對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響,將硝酸銨和水的質(zhì)量比提升為7.5∶1,其析晶點(diǎn)為80.4 ℃。硝酸鈉與各種添加劑復(fù)配的較佳配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

        表5 硝酸鈉與不同添加劑復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        由表5見知,正丙醇與硝酸鈉復(fù)配使乳化炸藥水相析晶點(diǎn)降低最多,相當(dāng)于正丙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%,水相析晶點(diǎn)平均下降3.26 ℃,但水相氧平衡值低于0.17 g/g,使油相比例過低,不利于乳化炸藥穩(wěn)定性。其次是尿素和K12,相當(dāng)于二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加0.1%,水相析晶點(diǎn)平均下降0.63 ℃,水相氧平衡值未變,最后是乙二醇,相當(dāng)于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1 %,水相析晶點(diǎn)平均下降0.42 ℃,水相氧平衡值降至臨界值0.17 g/g。由此可見,除乙二醇外,單位質(zhì)量降低水相析晶點(diǎn)的能力都遠(yuǎn)高于硝酸鈉,但都是負(fù)氧平衡的物質(zhì),加入量受到限制,綜合考慮氧平衡和降低水相析晶點(diǎn)的能力,尿素和K12是較好的與硝酸鈉進(jìn)行復(fù)配的添加劑。

        2.5 硝酸鈉與多種添加劑復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        氯化鈉和氯化鉀是煤礦許用乳化炸藥的常用消焰劑[14]。由2.1研究結(jié)論可知,氯化鈉應(yīng)具有較好的降低乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的作用。故研究了硝酸鈉與K12、尿素、氯化鈉、氯化鉀多元復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響,其較佳配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

        表6 硝酸鈉與多種添加劑復(fù)配對(duì)乳化炸藥水相析晶點(diǎn)的影響

        由表6中2號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表5中2號(hào)和4號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,K12和尿素復(fù)配有負(fù)面綜合作用,其析晶點(diǎn)降低值小于K12和尿素單獨(dú)使用時(shí)對(duì)析晶點(diǎn)降低值。但由4號(hào)和5號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,K12與尿素、氯化鈉、氯化鉀有顯著的正面綜合作用,使5號(hào)比4號(hào)水相析晶點(diǎn)低7.5 ℃。

        由2號(hào)和3號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,氯化鈉確有顯著的降低水相析晶點(diǎn)的作用,使3號(hào)比2號(hào)水相析晶點(diǎn)低13.5 ℃,其降低幅度高于文獻(xiàn)[11]中水相體系中析晶點(diǎn)的降低幅度。由1號(hào)和5號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,硝酸鈉與K12、尿素、氯化鈉、氯化鉀復(fù)配有顯著的綜合降低水相析晶點(diǎn)的作用,使5號(hào)比1號(hào)水相析晶點(diǎn)低16.9 ℃,且氯化鈉和氯化鉀總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%,達(dá)到三級(jí)煤礦許用乳化劑炸藥消焰劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為6%~8.5%的要求[14],可做為三級(jí)煤礦許用乳化劑炸藥水相配方使用。

        3 結(jié)論

        1)油相在3%~5%,水相氧平衡在0.17 g/g以上比較適宜。

        3)硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1 %,水相析晶點(diǎn)下降0.46 ℃左右,水相氧平衡提高0.003 g/g。

        4)硝酸鈉與K12、尿素、氯化鈉、氯化鉀復(fù)配使乳化炸藥水相基礎(chǔ)組成為硝酸銨80.65%、水10.75%、硝酸鈉8.60%的析晶點(diǎn)降低16.9 ℃,氧平衡值為0.17 g/g。

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