爆炸物中炸药成分渗出机理

孟祥尧, 邱志明,2



爆炸物中炸药成分渗出机理

孟祥尧1, 邱志明1,2

(1. 西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072; 2. 海军装备研究院, 北京, 100073)

爆炸物中炸药成分的渗出机理研究是开展爆炸物化学痕量检测技术的基础。根据爆炸物渗出的主要化学成分、渗出到环境中的途径以及在聚合物材料中溶解–扩散–解吸的基本微观过程, 对爆炸物中炸药成分的渗出机理进行了初步的理论分析, 并基于Fick定律建立了渗出的基本数学模型。研究表明, 该理论研究可有效弥补试验研究的不足, 可为后续化学探测的研究提供依据。

爆炸物; 化学成分; 渗出机理

0 引言

陆上或水下的爆炸物, 包括地雷、水雷、战争中使用或遗留的爆炸物[1],都严重威胁到人类的生命安全, 而其内部炸药的泄漏还会污染人类的生活环境。由于这些爆炸物的隐蔽性, 其探测和清除具有一定的难度, 如何快速并准确地找出这些隐蔽爆炸物一直备受各国关注。研究表明[2-4], 爆炸物会通过不同的途径释放含有炸药相关成分的气体。这些气体会随周围的环境(如风、土壤和水)传播, 因此通过对环境中炸药分子的化学检测, 可以发现并定位爆炸物。

这种通过检查环境中的相关炸药成分进行爆炸物探测的方法称为化学痕量检测,比较常用的检测技术有离子迁移谱法、荧光分析法、电化学法、表面声波法等[5], 由于该方法具有灵敏度高、识别性强等一些优点, 越来越受到人们的青睐,并得到广泛的应用[6]。

在爆炸物的化学痕量检测中, 炸药成分的渗出是影响检测的几个关键过程之一, 渗出的量和速率直接影响其在周围环境中的传播、变化和反应, 进而影响对爆炸物的检测以及检测方法的研究。通过对炸药的渗出机理进行研究, 将有利于促进爆炸物化学痕量检测技术的发展。

1 研究现状

目前爆炸物中化学物质渗出的研究对象主要集中在陆上的爆炸物, 如未爆的炸弹、地雷等。文献[7]对多种类型的地雷所渗出的化学物质进行了检测, 得到了4种主要的成分: 三硝基甲苯 (TNT)、二硝基甲苯(DNT)、二硝基苯(DNB)和黑索金(RDX), 并对这些物质的渗透量进行了试验测量。文献[4]中通过试验测量了几种不同地雷炸药成分的渗出通量, 并通过这些试验研究了地雷大小、壳体材料与环境等因素对渗出的影响; 文献[8]通过使用与几种地雷相同的壳体材料进行试验, 得到了几种炸药成分的扩散通量, 给出了相关炸药成分在这几种材料中的溶解度和扩散系数, 并围绕这些试验对扩散的相关方面进行了研究; 文献[9]中对4种反步兵地雷进行了整雷的渗出测试, 并利用壳体材料的试样研究了土壤湿度对渗透的影响。

目前针对此方面研究所得的数据和研究结果基本都是通过有限的试验所得, 但由于爆炸物的种类繁多以及实际条件的限制, 很难对每种爆炸物都进行化学物质渗出的试验, 试验研究工作十分有限。因此, 有必要从理论上对爆炸物中化学物质的渗出机理进行研究, 分析TNT等炸药成分在不同材料中的渗出和扩散特性, 为研究爆炸物化学痕量检测技术提供数据基础, 促进爆炸物探测系统的发展。

2 爆炸物中炸药成分的渗出机理

对爆炸物中炸药成分的渗出机理进行理论研究, 首先需要对爆炸物中渗出的化学成分、渗出的途径以及渗出的基本过程有所了解。

2.1 爆炸物渗出的主要化学成分

清楚地知道爆炸物渗出的炸药成分, 不仅是炸药渗出研究的前提, 更是利用化学痕量检测爆炸物的关键。爆炸物大多使用TNT或RDX作为炸药主要成分。但是由于制造、炸药本身以及环境等因素的影响, 还可能含有其他相关的化学成分。文献[7]通过气相色谱法对多种类型的地雷和未爆炸弹药所渗出的化学物质进行了检测, 得到了4种主要的成分: TNT, DNT, DNB和RDX, 并对这些物质的渗透量进行了试验测量。文中结论表明, TNT是最主要的特征化学物质, DNT和DNB作为TNT制造过程中的杂质, 同样可以给爆炸物的探测提供依据。另外, 在炸药成分渗出后一般不可能立即探测到, 通常要经过环境的传播, 在传播过程中可能会产生其他降解产物[10]。

2.2 炸药成分扩散到环境中的途径

爆炸物的炸药成分从内部扩散到环境中的过程, 与爆炸物的壳体以及密封有着直接的关系。爆炸物的壳体种类繁多, 有金属壳体的, 也有非金属壳体的。金属壳体常使用的材料有碳素钢、防锈铝合金、专用铸造铝合金等, 而非金属壳体使用的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和玻璃钢等等。在爆炸物连接和有开口的部位一般都需要密封, 密封件主要使用橡胶材料, 包括有丁腈橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶及共混胶等[11], 其中丁腈橡胶(NBR)使用最为广泛。

炸药成分扩散到环境中一般有以下几个途径。

2.2.1 壳体的渗透和泄漏

炸药成分一般通过壳体渗透和泄漏渗出。渗透是指炸药成分通过爆炸物的壳体扩散出来的过程; 而泄漏是指通过壳体上的物理开口或裂缝释放出来的过程。对于非金属壳体的爆炸物, 炸药成分比较容易通过壳体渗透扩散到环境中, 因为常用的塑料、橡胶类材料结构疏松, 微观孔隙较大, 易于气体分子向内扩散; 而金属外壳的爆炸物, 由于结构致密, 通过壳体渗透出来的化学物质极少, 基本可以忽略。

炸药成分在壳体中的渗透扩散在一段时间后是可以达到稳定状态的。扩散速率主要受壳体材料的影响, 通常用炸药分子在材料中的扩散系数表示, 炸药在不同材料中的扩散速率是不同的。

2.2.2 密封处的渗透

对于金属壳体的爆炸物, 由于通过壳体基本没有炸药分子的渗出, 因此可能的途径就是通过连接或开口的密封处渗出。密封处一般都会用到“O”型密封圈或垫圈等进行密闭, 这些密封件的材料基本都是由聚合物材料制成, 因此从密封处可能并相对容易有炸药分子渗出。

2.2.3 爆炸物表面残留的炸药成分

除了从内部渗出炸药成分, 爆炸物的外表面也会残留部分炸药成分。因为爆炸物在制造、安装和储存时, 都有可能暴露在含有炸药分子的环境中, 因此壳体表面的聚合物涂料会吸附一些炸药成分。而在投入使用后, 表面涂料中的炸药成分就会释放到环境中。文献[12]中的试验表明, 暴露在TNT气体中的涂有涂料的金属会吸附TNT, 然后在移除来源后的几天内会向环境中不断的释放TNT。相对于从内部渗出的炸药成分, 爆炸物表面残留的炸药成分量小并且释放时间短。

2.3 炸药分子在聚合物材料中的渗透

从炸药成分扩散到环境中的途径可以看出, 炸药成分通过聚合物材料的壳体和密封件渗透出来是主要并且持续的途径, 因此需要针对炸药在聚合物材料中渗透的基本过程进行分析。

炸药成分要从爆炸物内部扩散到环境中, 首先需要爆炸物内部的炸药成分被壳体或密封件吸附并溶解。溶解在聚合物中的化学物质的量叫做溶解度。溶解在聚合物材料中的炸药分子在浓度差或压力差的推动下, 通过孔穴或分子间的空隙穿透过去, 不断的向低浓度的地方移动。化学物质穿过聚合物的速率是由扩散系数决定的。最后, 炸药分子再从爆炸物外表面通过解吸脱离到周围的环境当中。整个溶解–扩散–解吸的微观过程就是渗透的一般机理。在渗透的过程中, 材料的溶解度越大, 溶解在材料中的量越大, 相应的渗出就会越明显; 扩散系数越大, 物质在材料中的扩散速率越快。由此可见, 溶解度和扩散系数是整个过程中重要的2个参数。

3 研究方法

一般研究都采用理论研究和试验研究2种研究方法, 由于爆炸物中炸药成分的渗出在试验研究方面相对困难, 因此, 理论研究十分必要。理论研究需要对炸药成分渗出的整个溶解–扩散–解吸的微观过程进行研究, 并建立相应的数学模型, 以便了解渗出过程的具体机理。

3.1 溶解和解吸

在溶解和解吸过程中, 溶解度是十分重要的一个参数。文献[8]中通过试验测量了一些爆炸物壳体材料中TNT、DNT和DNB的溶解度, 在低密度聚合物和橡胶中比在高密度的材料中溶解度更高。在溶解与解吸过程中通常用溶解系数来衡量溶解度的大小。如果已知溶解一端的分压, 用来表示, 则根据亨利(Henry)定律, 聚合物中炸药分子的浓度与其分压成正比关系, 即

另外对于溶解和解吸这2个过程, 也可根据相际传质相关理论(例如双膜理论、表面更新理论等)中的传质系数来进行分析研究。

3.2 扩散

扩散是整个渗透过程中的重要过程, 扩散系数是扩散的重要参数, 直接反映了某物质在某材料中的扩散特性, 扩散系数越大, 扩散现象越容易发生。聚合物的性质、扩散物的性质、温度以及聚合物中交联、增塑剂和填充物都影响着物质在聚合物中的扩散系数。气体在完全无定形聚合物中的扩散基本上遵循自由体积模型, 它是由Cohen和Turnbull提出的, Fujita首先将它应用到气体在无定形橡胶聚合物中, 其简单理论关系为

其中,为扩散系数。此表达式适用于稳定状态下的扩散, 扩散不随时间变化, 并且一般为常数。

当需要描述非稳定状态下的扩散过程时, 就需要使用Fick第2定律, 它考虑了在某一位置的扩散物浓度变化的速率, 表达式为

其中,不受位置、时间和浓度的影响。

有的聚合物与扩散物之间有比较强的相互作用, 因此扩散系数会与浓度有关[14]。此时, Fick第2定律变为

为了便于求解分析, 常常将其变为以下形式

在试验中测量扩散系数时, 在较小的浓度变化范围上比较难测得扩散系数随浓度的变化, 因此, 常使用一定浓度范围上的平均扩散系数或称作积分扩散系数, 表达式为

文献[8]中通过试验验证了TNT与几种聚合物(LDPE, HDPE, PS, PP和PVC)之间存在较小的相互作用, 其主要来自于分散力, 并且其扩散符合Arrhenius关系。但TNT在这几种聚合物中的扩散是否符合菲克扩散需要进一步研究。

3.3 聚合物材料中渗透的基本数学模型

在不考虑实际爆炸物的结构及密封方式的前提下, 对典型的1D平板的扩散可建立如图1所示的数学模型, 由图1可知, 炸药分子从左边溶解入平板内, 经扩散至右边解吸到环境中, 假设扩散过程符合菲克定律, 扩散系数不随浓度的变化而变化。

对于如图1所示的平板渗出模型, 有

由此可以得到炸药分子通过聚合物材料的渗透量的理论计算值, 在未进行试验的情况下对爆炸物中炸药成分的渗出有一定的了解。

3.4 试验研究

在针对真实的爆炸物进行试验研究时, 可通过在空气中、水中、土壤中等不同环境介质以及不同温度、湿度等环境条件中对爆炸物的炸药成分渗出进行详细的试验研究, 以获取更真实的试验数据。另外也可通过制作模拟装置研究爆炸物局部以及关键部位的渗出[9], 例如非金属爆炸物的壳体、密封处的密封件等。

有了一定试验研究数据后, 不仅可以验证理论研究的相关结果, 还可以通过试验数据的分析更好地推动相关理论的研究和发展。

4 结束语

本文阐明了爆炸物中炸药成分渗出研究的重要性, 并通过对国内外研究现状的介绍提出从理论方面研究炸药成分渗出的必要性。通过对爆炸物中炸药成分渗出机理的初步理论研究, 针对溶解–扩散–解吸的微观过程, 以Fick定律为基础, 建立了爆炸物中炸药成分的简化渗出模型。

根据目前的试验研究成果以及本文所提出的基本的渗出机理及研究思路, 在后续的研究中可针对具体的爆炸物结构和材料进一步深入研究渗出过程, 以通过理论较准确地分析现有爆炸物中炸药成分的渗出情况, 为后续化学探测的研究提供依据和基础。

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(责任编辑: 杨力军)

Leakage Mechanism of Dynamite Ingredient in Explosives

MENG Xiang-yao,QIU Zhi-ming

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China)

The research on leakage mechanism of dynamite ingredient in explosives can support chemical trace detection technology. In this paper, the leakage principle of dynamite ingredient in explosives are theoretically analyzed according to the main chemical composition leaking out of explosives, the leakage ways to environment, and the micro leakage process of dissolution-diffusion-desorption in polymer materials; and a mathematical leakage model is built on the basis of Fick's law. This theoretical research on the leakage principle of dynamite ingredient in explosives may effectively make up the inadequacy of experimental research, and promote the development of chemical detection of explosives.

explosives; chemical composition; leakage mechanism

TJ630.1; O552.2

A

1673-1948(2014)03-0236-05

2014-03-06;

2014-04-08.

孟祥尧(1987-), 男, 在读博士, 研究方向为水中兵器总体技术.