魏 國(guó),劉 鋒,吳攀宇,王錫東

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232000； 2.安徽江南化工股份有限公司,合肥 230000)

乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)是將乳化炸藥的生產(chǎn)、配送、爆破作業(yè)一體化，實(shí)現(xiàn)包裝乳化炸藥向鈍感型現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥轉(zhuǎn)變的本質(zhì)安全方向發(fā)展的新技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、鉆爆成本低、使用安全便捷等優(yōu)點(diǎn)，已在水利、露天礦、采石場(chǎng)等爆破作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于乳狀液的黏度進(jìn)行初步研究。國(guó)外的Masalova I等[2]研究了溶液的濃度和剪切后的液滴直徑對(duì)于高濃度乳狀液流動(dòng)性的影響。國(guó)內(nèi)的張東杰等[3]研究了不同乳化劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥基質(zhì)黏度的影響；程奧等[4]研究了不同油相材料對(duì)乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性的影響；盧文川等[5]通過(guò)動(dòng)態(tài)擠壓實(shí)驗(yàn)研究了乳化劑和油相材料對(duì)乳化炸藥基質(zhì)穩(wěn)定性的影響；馬平等[6]通過(guò)博立飛黏度計(jì)測(cè)量了乳膠基質(zhì)的絕對(duì)黏度。

乳膠基質(zhì)的黏度對(duì)其性能、使用都有很大影響。乳膠基質(zhì)黏度過(guò)大時(shí)，不利于泵送、裝填藥孔；黏度過(guò)小時(shí)，無(wú)法固定敏化氣泡。經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)黏度在2.5×105～3.0×105mPa·s之間最佳[1]。水相組分含量確定后，影響乳膠基質(zhì)黏度的關(guān)鍵因素就是油相材料，當(dāng)使用的油相配比不同時(shí)，得到的乳化炸藥的黏度也會(huì)有所變化。本文通過(guò)調(diào)整油相配比制得6種乳膠基質(zhì)樣品，使用光學(xué)顯微鏡、激光粒度儀、數(shù)字黏度計(jì)觀察測(cè)試了6種樣品的微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)相粒徑、黏度，利用B-W法，遵循能量?jī)?yōu)先原則計(jì)算了不同黏度樣品的爆熱等爆轟理論參數(shù)，并對(duì)于不同油相配比影響樣品黏度的原因進(jìn)行了分析，為現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的生產(chǎn)和使用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、儀器

試劑：硝酸銨(AN)、硝酸鈉(SN)，工業(yè)級(jí)；司盤(pán)80，化學(xué)純；SF15W-40機(jī)油、0#柴油；石油醚乙醇溶液。

儀器：電子天平;加熱電爐；JFS-550變頻多用分散機(jī)，杭州齊威儀器有限公司；HH-2型恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司；RVDV-1數(shù)字黏度計(jì),上海平軒儀器科學(xué)有限公司；XSP-86系列無(wú)限遠(yuǎn)生物顯微鏡，上海田瞳光學(xué)科技公司；Mastersizer2000激光粒度儀，英國(guó)Malvern儀器公司。

1.2 制備現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)樣品

油相材料的主要作用是形成包覆內(nèi)相液滴的油膜。根據(jù)文獻(xiàn)選用配方，如表1所示[7]。

表1 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥配方

其中的油相采用柴油和機(jī)油復(fù)合使用[3]。其具體配比如表2所示。按配方稱(chēng)量水相材料硝酸銨、硝酸鈉以及水，混合后加熱至100～110 ℃?zhèn)溆?。按配方稱(chēng)量油相材料機(jī)油、柴油、乳化劑，混合后持續(xù)加熱至90～100 ℃?zhèn)溆谩４蜷_(kāi)變頻分散機(jī)，預(yù)乳轉(zhuǎn)速設(shè)置為800 r/min，在熱水浴條件下，將水相材料在40 s內(nèi)連續(xù)、均勻地加入到油相中，待水相添加完后，再將轉(zhuǎn)速提升至1 200 r/min，持續(xù)攪拌3 min，形成均勻、透明的乳膠基質(zhì)。

表2 不同油相的配比

1.3 樣品微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

乳膠基質(zhì)是一種油包水型高內(nèi)相比乳狀液，對(duì)其進(jìn)行稀釋準(zhǔn)備，就可以在顯微鏡下觀察其分散相的粒子及分布。用玻璃棒蘸取少量樣品涂在預(yù)處理后的載玻片上，用膠頭滴管滴加1～2滴的石油醚乙醇溶液，隨后用小玻璃棒輕微攪動(dòng)，再用蓋玻片輕輕擠壓，使樣品在載玻片上鋪展成均勻、透明的薄層[8]。將制片放在載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)位置、反光鏡角度、光圈大小、找好視域，先用低倍鏡觀察，再逐次使用高倍物鏡觀察，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋來(lái)使畫(huà)面逐漸清晰。

1.4 樣品內(nèi)相粒徑測(cè)試

以柴油作為溶劑，可以在不破壞乳膠體系情況下，將乳膠粒子分散開(kāi)[9]。在燒杯中稱(chēng)取5±0.1 g待測(cè)樣品，倒入100 mL柴油，攪拌1 min，靜置備用。先測(cè)量背景液柴油，扣除與樣品無(wú)關(guān)的光信號(hào)，再測(cè)量準(zhǔn)備好的樣品。

1.5 樣品黏度測(cè)試

1)測(cè)試復(fù)合油相黏度。將柴油、機(jī)油混合油相在水浴鍋中恒溫25 ℃。調(diào)試選擇合適的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速，使用黏度計(jì)測(cè)量其黏度值，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)2次，取其平均值。

2)測(cè)試樣品黏度。使用黏度計(jì)可以測(cè)量6種現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)樣品黏度隨溫度的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)相粒徑測(cè)試結(jié)果與分析

6種樣品的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣品的內(nèi)相粒徑分布如圖2所示。

圖1 樣品的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 樣品粒徑分布

圖1a是由純柴油制備的1#樣品，其中的樣品內(nèi)相液滴直徑差異較大，且有較多的液滴直徑超出10 μm，圖2中1#樣品分布曲線“寬而矮”,分布在5.012～91.201 μm。圖1b、圖1c、圖1d是2#、3#、4#樣品的微觀結(jié)構(gòu)，在油相中加入機(jī)油后，基質(zhì)粒子的分布更加均勻，內(nèi)相液滴直徑在逐漸變小，圖2中1#～6#樣品曲線向小粒徑方向偏移，曲線逐漸集中。圖1e、1f是5#、6#樣品微觀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)相液滴分布致密、均勻，結(jié)合圖2知5#樣品內(nèi)相液滴直徑分布在1.445～10.021 μm，6#樣品內(nèi)相液滴直徑分布在1.259～7.586 μm，且內(nèi)相粒徑分布曲線“窄而高”。

2.2 復(fù)合油相黏度測(cè)試

6種混合油相在25 ℃時(shí)的黏度如表3所示。

表3 不同油相的黏度

通過(guò)表3可以看出，1#～6#油相隨著機(jī)油含量增多，油相黏度由5.21 mPa·s增大至65.96 mPa·s。對(duì)黏度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合分析，擬合曲線如圖3所示。

圖3 油相黏度擬合

圖3中ωe為混合油相中機(jī)油的占比，η為混合油相25 ℃時(shí)的黏度，其中的相關(guān)系數(shù)R2越接近1，代表數(shù)據(jù)擬合的效果越好,此次擬合的R2=0.994?；旌嫌拖嗟酿ざ葦M合公式：

y=8.321 99e(x/0.464 77)-5.018 22

(1)

由式(1)可以計(jì)算機(jī)油柴油不同混合比率的油相黏度，隨著機(jī)油含量x的增多，復(fù)合油相的黏度y呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。

2.3 樣品黏度測(cè)試

6種樣品黏度隨溫度的變化情況如圖4所示。

圖4 樣品黏度隨溫度的變化

由圖4可以看出，測(cè)試溫度從55 ℃降至30 ℃，6種樣品的黏度逐漸增大，變化趨勢(shì)一致。在各測(cè)試溫度下，機(jī)油含量越多的樣品黏度更大。1#樣品油相是純柴油，其黏度曲線在最底部，表示在各測(cè)試溫度下1#樣品黏度比其他樣品小；6#曲線在最高位置，表示在測(cè)試溫度下，6#樣品黏度最大。乳膠基質(zhì)的黏度在很大程度上能反映出乳化炸藥的流變性?，F(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的敏化、裝孔溫度一般是35～50 ℃，為了讓乳膠基質(zhì)更易泵送、裝填，要求其黏度在2.5×105～3.0×105mPa·s之間[10-11]。在35 ℃時(shí)，1#～6#樣品黏度分別為113 181、218 206、267 520、290 561、306 203、330 608 mPa·s；在50 ℃時(shí)，1#～6#基質(zhì)的黏度分別為97 912、176 362、232 856、248 212、269 954、286 274 mPa·s。因此在這溫度范圍內(nèi)，4#、5#樣品黏度更符合現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的黏度要求。

謝爾曼W/O型乳化液黏度與內(nèi)相液滴大小關(guān)系式：

(2)

式中：dm為平均液滴直徑；x、c為常數(shù)。隨著液滴直徑dm減小，黏度η增大。

結(jié)合表3、圖3、圖4分析認(rèn)為，復(fù)合油相黏度能反映出所制備樣品黏度變化趨勢(shì)，1#～6#油相黏度隨機(jī)油含量增多而增大，其制備的乳膠基質(zhì)樣品黏度也是隨機(jī)油含量增多而逐漸增大。當(dāng)其他組分含量確定時(shí)，油相材料中機(jī)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增加至5.5%，油相材料黏度會(huì)增大，由圖1～圖2知，乳化形成乳膠基質(zhì)的內(nèi)相液滴直徑變小，集中分布在10 μm以下。總體積一定，各液滴直徑減小，內(nèi)相液滴的總界面面積增大且液滴數(shù)量增多，各液滴之間的相互作用力增強(qiáng)，樣品單位面積的流動(dòng)阻力增大，宏觀表現(xiàn)為隨著機(jī)油含量增多，1#～6#乳膠基質(zhì)樣品的流動(dòng)性變差，黏度增大。

2.4 樣品爆轟參數(shù)理論計(jì)算

油相材料改變也會(huì)引起樣品爆轟性能變化，為選擇出最佳油相配比，計(jì)算6種樣品的理論爆熱、爆速、爆容。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，使用Brinkley-Wilson方法，遵循能量?jī)?yōu)先原則，樣品爆炸方程式：

(3)

計(jì)算爆熱所需各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如表4所示。

表4 各物質(zhì)參數(shù)

根據(jù)蓋斯定律，樣品爆熱計(jì)算見(jiàn)式(4)，采用爆轟動(dòng)力學(xué)理論的近似理論方程計(jì)算爆速[13]見(jiàn)式(5)，樣品爆容的理論計(jì)算見(jiàn)式(6)。

Qv=Q1-Q2

(4)

(5)

(6)

式中：Qv為樣品的定容爆熱；Q1為爆炸產(chǎn)物總生成熱；Q2為炸藥總生成熱，kJ；D為理論爆速，m/s；γ1為爆轟產(chǎn)物的等熵指數(shù)；n為爆炸產(chǎn)物中氣態(tài)組分的總摩爾數(shù)，mol；m為爆炸反應(yīng)方程中炸藥的質(zhì)量，kg；22.4為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體的摩爾體積；V0為炸藥爆容，L/kg。

結(jié)合式(3)～式(6)，計(jì)算6種樣品的爆熱、爆速、爆容如表5所示。樣品的爆熱、爆容隨機(jī)油含量變化情況如圖5所示。

表5 樣品的爆轟參數(shù)

圖5 樣品的爆熱、爆容

由表5知，1#～6#樣品的爆熱從2 556.79 kJ/kg增大到2 605.63 kJ/kg，爆速?gòu)? 469.41 m/s增大至4 496.94 m/s，爆容從1 022.61 L/kg增大到1 027.78 L/kg。由圖5知隨著復(fù)合油相中機(jī)油占比ωe增加，樣品的爆容、爆熱增大。樣品配方中水分含量較多，炸藥在發(fā)生爆轟時(shí)，水分蒸發(fā)會(huì)帶走大量熱量，但水蒸氣會(huì)加大爆炸氣體體積，所以6種樣品理論計(jì)算的爆熱都只在2 460 kJ/kg左右，而爆容在1 025 L/kg左右。爆容大小反映炸藥爆炸氣體生成量的多少，爆容越大，炸藥爆炸做功效率越高。結(jié)合6種樣品黏度變化特性，5#樣品在滿足現(xiàn)場(chǎng)混裝要求的同時(shí)，爆轟參數(shù)也達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

1)在使用SP-80作為乳化劑，水相材料含量確定的情況下，油相材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%柴油、4%機(jī)油制備的5#乳膠基質(zhì)樣品在35～50 ℃時(shí)黏度在2.5×105～3.0×105mPa·s，符合現(xiàn)場(chǎng)混裝的要求且理論爆轟參數(shù)最佳。

2)乳膠基質(zhì)內(nèi)相液滴直徑越小，分布越集中，其黏度會(huì)越大。

3)其他組分確定時(shí)，1#～6#乳膠基質(zhì)樣品理論計(jì)算的爆熱、爆速、爆容隨著機(jī)油占比增多而增大，爆熱由2 556.79 kJ/kg增大至2 605.63 kJ/kg，爆速由4 469.41 m/s增大至4 496.94 m/s，爆容由1 022.61 L/kg增大到1 027.78 L/kg。