高分子酯类乳化剂在乳化炸药中的应用

刘永明

（山西同德化工股份有限公司，山西 忻州 036599）

引 言

乳化炸药是20世纪70年代发展起来的一种工业炸药，氧化剂盐类水溶液的微滴借助乳化剂的作用，均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成一种油包水型（W/O）特殊乳化体系［1］。乳化剂是乳化炸药的关键组分，虽然在乳化炸药中只占2%左右，但在乳化炸药制备过程中的作用相当重要，它对乳化炸药的爆轰性能和稳定性有显著的影响［2-5］。

目前，乳化炸药使用的乳化剂主要有Span-80、聚异丁烯丁二酸酐衍生物及复合乳化剂［6］。Span-80的油溶性好，易成乳，但乳化剂的消耗量相对较大［7］；聚异丁烯丁二酸酐衍生物能够形成稳定的界面膜，制备的乳化炸药具有较好的稳定性［8］；复合乳化剂由2种或2种以上乳化剂相互混合而成，乳化时能够相互补充促进，改善乳化性能，在储存稳定性方面有显著作用［9］。

聚异丁烯丁二酸酐衍生物由于其优良的成乳能力及储存稳定性，被大量应用于乳化炸药的生产［10］。其中，聚异丁烯丁二酸酐酯类乳化剂在近年来倍受重视。例如，谢丽、郭晓晶等［11-12］利用聚异丁烯丁二酸酐与三乙醇胺、山梨醇反应，张少明等［13］利用聚异丁烯丁二酸酐与季戊四醇反应，Hollingshurst等［14］利用聚异丁烯丁二酸酐与甘油反应，制备聚异丁烯丁二酸酐酯类乳化剂。研究表明，此类乳化剂具有较好的成乳能力和储存稳定性。

目前，对聚异丁烯丁二酸酐酯类乳化剂的研究多在于利用聚异丁烯丁二酸酐与多羟基化合物反应制取含有羟基的乳化剂，本文就该类乳化剂在乳化炸药中的应用情况进行了比较，探索此类乳化剂的应用前景。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

聚异丁烯丁二酸酐（PIBSA），辽宁天合精细化工股份有限公司；三乙醇胺、甘油，上海凌峰化学试剂有限公司；季戊四醇、山梨糖醇，成都科龙化工试剂厂。

Brook WU-DA71SK型乳化器；Brookfield DV-Ⅱ黏度仪。

1.2 聚异丁烯丁二酸酐酯类乳化剂

［11-14］，选取PIBSA以摩尔比1∶1、2∶1与多羟基化合物合成分子结构为单头和双头的高分子酯类乳化剂作为本文研究对象，乳化剂结构如第24页图1。

图1 高分子酯类乳化剂结构（PIBSA-R为单头乳化剂，bis PIBSA-R为双头乳化剂）

2 聚异丁烯丁二酸酐酯类乳化剂在乳化炸药中的应用

2.1 乳胶基质的制备

按配方将硝酸铵、硝酸钠和蒸馏水加热至120℃～125℃，制备水相；将复合蜡、乳化剂加热至115℃～120℃，熔化。控制乳化器转速280r/min条件下，将水相缓慢加入到油相中；待水相加完后，缓慢提高转速至1 600r/min，形成乳胶基质。乳胶基质配方见表1。

表1 乳胶基质的配方

2.2 乳胶基质的稳定性测试

乳胶基质硝酸铵析出量是指单位质量乳胶基质析出的硝酸铵质量分数，是衡量乳胶基质稳定性的重要方法之一。将经不同高低温循环次数（50℃储存2h、-40℃储存2h为1次高低温循环）的乳胶基质放入有100mL蒸馏水的烧杯中，在25℃下储存10h，取样，测试此时水溶液中硝酸铵的含量。水中溶解的硝酸铵越多，乳化基质稳定性越差。对不同乳化剂制备的乳胶基质经高低温循环后硝酸铵析出量进行了测定，测定结果见图2。

通过图2可以看出，在高低温循环开始阶段，不同乳化剂制备的乳胶基质硝酸铵析出量相差不大，说明乳化剂的成乳效果基本相似。随着高低温循环次数的增加，乳胶基质的硝酸铵析出量增加。经20个高低温循环后，PIBSA-PER和bis PIBSA-PER制备的乳胶基质硝酸铵析出量最少，说明采用此种乳化剂制备的乳胶基质具有较好的储存稳定性。文中4种单头乳化剂中，按所含羟基数量多少排列顺序如下：PIBSA-sorbitol＞PIBSA-PER＞PIBSATER＝PIBSA-glycerin

图2 乳胶基质硝酸铵析出量

但所形成的乳胶基质硝酸铵析出量并未随羟基数量的增加而不断升高，超过一定数量，乳胶基质的储存稳定性反而下降。

2.3 爆速的测定

爆速是乳化炸药爆轰性能的主要表现之一，也是常见的衡量乳化炸药爆轰性能的指标。一般而言，乳化炸药分散相颗粒越细小，油水两相接触越紧密，乳化炸药的爆速越高。一般情况下，在乳化剂之中加入质量分数4%的玻璃微球作为敏化剂制备乳化炸药。对利用不同乳化剂制备的乳化炸药进行了爆速测试，测试结果如表2。

表2 爆速的测试结果

由表2可知，高分子酯类乳化剂制备的乳化炸药的爆速均高于T152制备的乳化炸药，说明此类乳化剂形成的乳化炸药的分散性颗粒比较小，体现出乳化剂较强的乳化能力。在8种高分子乳化剂中，单头乳化剂制备的乳化炸药爆速高于双头乳化剂。而在4种单头乳化剂中，PIBSA-PER形成的乳化炸药爆速最高。

2.4 乳化基质黏度的测定

当连续相材料确定的情况下，乳化液的黏度主要取决于分散相粒径。乳化液的黏度越大，粒径越小，乳化效果越好［15］。本文采用Brookfield DV-Ⅱ黏度仪在25℃下测试乳化基质的黏度（转速为2r/min），结果如表3。

表3 黏度的测试结果

由表3可以看出，双头高分子酯类乳化剂制备的乳胶基质黏度均高于T152制备的乳胶基质。比较单头和双头乳化剂发现，单头乳化剂所制备的乳化基质黏度较小。在乳化炸药的工业化生产中，由于多采用化学敏化，乳胶基质的黏度太小，会导致乳化炸药中气泡聚集和逃逸，从而影响乳化炸药的性能。所以，对于采用化学敏化的乳化炸药，采用双头高分子酯类乳化剂较好。

3 结论

本文选取了8种高分子酯类乳化剂，探讨了此类乳化剂在乳化炸药中的应用情况，得出以下结论：

1）此类高分子酯类乳化剂显示出了较好的乳化效果，采用PIBSA-PER制备的乳胶基质具有较低的硝酸铵析出量和较高的爆速，说明采用此种乳化剂制备的乳化炸药具有较好的储存稳定性和较强的爆轰性能。

2)如图6b所示情况，掘进机虽发生偏移，但其运行趋势逐渐靠近设计轴线，此时亦不需要过度干预，继续保持有利运行趋势。当偏移量足够小时，需要反向调整掘进机角度，防止掘进机向设计轴线另一侧发生偏移。

2）双头和单头高分子酯类乳化剂均显示了较好的乳化能力。但是，双头乳化剂制备的乳胶基质具有更高的黏度，比较适用于化学敏化的乳化炸药。

参考文献：

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［4］ Nsenda Ngenda Tshilumbu.The effect of type and concentration of surfactant on stability and Rheological properties of explosive emulsions［D］.Cape Town：Cape Peninsula University of Technology，2009.

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［10］叶宗建，李永平，王梁，等.聚异丁烯丁二酸酐衍生物的合成及应用［J］.爆破器材，2006，35（3）：36-38.

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［12］谢丽，郭晓晶，李斌栋，等.聚异丁烯丁二酸三乙醇胺酯的合成及应用研究［J］.爆破器材，2012，41（2）：1-4.

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［14］Hollingshurst C L，Price D，Steckel T F，et al.Low color polysobutylene succinic anhydride derived emulsifiers：US，20060223945［P］.2006-10-05.

［15］王世荣，李翔高，刘东志.表面活性剂化学［M］.北京：化学工业出版社，2005.