水胶炸药水含量的研究①

董聪慧， 马志钢， 邵子豪， 黄孝楠， 潘桂森（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001）

水胶炸药水含量的研究①

董聪慧， 马志钢， 邵子豪， 黄孝楠， 潘桂森
（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001）

水胶炸药的水含量随胶粘剂种类及环境温度的改变而变化.在氧化剂水溶液黏稠度相同的情况下，以聚丙烯酰胺为胶粘剂的水胶炸药组分水含量少.在保证炸药威力的情况下，当环境温度降低时应增加水胶炸药水含量.

水胶炸药；水含量；胶粘剂

0　引言

浆状炸药是最早的含水炸药，20世纪50年代末由美国科学家M.A.Cook和加拿大矿山技术人员H.E.Farman共同研制成功.初期的浆状炸药是含有氧化剂、可燃剂，并以炸药性原料作敏化剂的炸药，这种炸药中的固体是以悬浊状态分散于胶化状态的水（或其它液体）中［1］.水胶炸药是杜邦公司的 G.R.Cattermole于 1972年首先提出的［2］.在浆状炸药的基础上，将敏化剂换成了有机胺硝酸盐，并且使用了新的交联技术，提高了炸药的安全性和稳定性.

作为水胶炸药的基本组分，水有一系列的优点.第一，无机盐氧化剂溶于水形成饱和溶液，提高了炸药的密度，解决了铵油炸药密度低的问题；第二，水与胶粘剂和交联剂共同形成的水凝胶体系结构稳定，所以水胶炸药稳定性良好；第三，水作为基本组分，用以水抗水的方法从根本上解决了硝酸铵易吸湿的问题；第四，水的比热容较大，蒸发吸热，所以其冲击感度、摩擦感度及火焰感度都很低，这样可以保证在生产、运输、贮存及使用过程中的安全性.

水含量对水胶炸药的爆炸性能有一定的影响，国内外学者就水对各类浆状炸药爆炸性能的影响进行了许多研究.研究发现水含量影响水胶炸药的临界直径、最小起爆药量、爆速、威力和做功能力［3～7］.

由以上分析可以看出水胶炸药组分中水含量至关重要.水的蒸发潜热大，在提高了炸药安全性的同时也降低了炸药威力，在满足产品流动塑性的情况下水胶炸药配方中的水含量应尽量降低［8］.胶粘剂种类和温度是影响水胶炸药水含量的关键性因素，因此，本文将讨论：（1）胶粘剂种类对水胶炸药配方中水含量的影响；（2）温度对水胶炸药组分中水含量的影响.

1　胶粘剂种类对水含量影响

水胶炸药中的胶粘剂必须同时具备以下两个条件.首先，是能溶解于水而使溶液增稠；其次是能和某些特定的交联剂发生交联作用而使溶液凝胶化.能溶解于水的胶粘剂的分子结构中必须含有大量的亲水基团，而胶粘剂若要发生交联作用，其分子结构中必须具备可供交联的特殊基团.因此，水胶炸药胶粘剂的结构特点是，分子中具有大量亲水基团，而且具有能供交联的基团.水胶炸药的胶粘剂按来源不同可分为植物胶粘剂和化学胶粘剂两大类.植物胶粘剂是从自然界的植物中直接提取的，典型的有古尔胶、田菁胶、槐豆胶和皂角胶等.而化学胶粘剂则是通过化工生产的方法，由人工合成的，典型的有聚丙烯酰胺、改进的聚丙烯酰胺（即部分水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺与丙烯酸的共聚物）等.

我国学者对这两种类型的胶粘剂做了许多探索工作.1976年白银金属公司［9］研究了以聚丙烯酰胺做胶粘剂的浆状炸药可大幅度降低炸药的含水量.1980年汪旭光［10］探索出以田菁胶为胶粘剂的浆状炸药性能良好.2005年陈苏敏［11］分别用这两类胶粘剂制作水胶炸药，给出了两种水胶炸药的配方.汪旭光［2］总结了以田菁胶为胶粘剂的水胶炸药配方，和以聚丙烯酰胺为胶粘剂的水胶炸药配方，发现前者的水含量大于后者.

图1　田菁胶分子结构

图2　聚丙烯酰胺水溶胶体结构

植物胶粘剂中田菁胶使用较广范，本文以田菁胶为例分析植物胶黏剂的性质.田菁胶分子结构如图1所示.可以看到田菁胶分子结构中有丰富的非离子型醇羟基，这种基团对水分子有很大的亲合力，所以田菁胶分子能够吸收数倍于本身的水，进而发生溶胀水合作用.因此，在确定以田菁胶为胶粘剂的水胶炸药的水含量时，要考虑到田菁胶溶胀水合所需的水分.

化学胶粘剂中聚丙烯酰胺水溶胶体应用较广泛，本文以聚丙烯酰胺为例分析化学胶黏剂.聚丙烯酰胺水溶胶体的组成结构如图2所示.聚丙烯酰胺水溶胶体是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物的水溶胶体.聚丙烯酰胺水溶胶体是丙烯酰胺在水中聚合而成的，丙烯酰胺聚合反应的产物不是纯的聚丙烯酰胺，而是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物的水溶胶体.因此，聚丙烯酰胺的成胶过程即是是丙烯酰胺的聚合反应过程，所以聚丙烯酰胺水溶胶体本身就是很好的胶粘剂.

综上所述，田菁胶分子中含有大量的支链，当田菁胶作为水胶炸药的胶粘剂时，溶胀水合所需要的水量相对较多.因此当设计水胶炸药配方时，在氧化剂水溶液黏稠度相同的情况下，组分中的水含量要相对多一些.聚丙烯酰胺水溶胶体分子结构中没有支链，当聚丙烯酰胺水溶胶体作为水胶炸药的胶粘剂时，成胶所需的水含量相对较少.因此，当设计水胶炸药配方时，在黏稠度相同的情况下，组分中的水含量可以相对少一些，这有利于提高水胶炸药的爆炸性能.

图3　硝酸铵溶解度随温度变化曲线

2　温度对水胶炸药水含量影响

随着环境温度的变化，水胶炸药配方中的水含量也要随之改变，国内外许多研究人员进行了这方面的研究.Melvin A.Cooks在其著作中定义了浆状点的概念，即在重力稳定的含铝浆状爆破剂中，游离水的含量为浆状点.书中讨论了温度变化对浆状点的影响.指出小的水含量对应高温度，大的水含量对应低温度［12］.吕春绪［13］提出应根据季节变化改变水胶炸药的含水量.

水胶炸药的氧化剂一般为硝酸铵和硝酸钠，氧化剂和可燃剂的水溶液在胶粘剂和交联剂共同作用下形成结构稳定的水凝胶结构，水凝胶结构解决了固体硝酸铵易吸湿的问题.但是水胶炸药中硝酸铵浓度很大，因此，在确定水胶炸药的配方时要考虑硝酸铵溶液的析晶问题.而影响硝酸铵溶液析晶的主要因素是温度［14］.

在标准大气压下，硝酸铵饱和溶液浓度随温度变化曲线如图3所示［15］.从图中可以看出温度升高，硝酸铵的溶解度增大；温度降低，硝酸铵的溶解度减小.当冬季温度降低时，硝酸铵溶解度减小，若仍然使用温暖环境下水胶炸药的配方，那么就会出现硝酸铵析晶的现象.因此，在生产低温度下使用的水胶炸药时，应在保证水胶炸药爆炸威力的前提下增加配方中的水含量，防止硝酸铵析晶.而且增加含水量，能延缓交联速度，可保证胶体的塑性.当夏季温度升高时，硝酸铵溶解度增大，可在保证凝胶体系稳定的前提下减少水胶炸药中的水含量.水含量的减少有利于增强水胶炸药爆炸威力，而且可使水凝胶结构更加稳定.

综上所述，当环境温度低时，在保证水胶炸药爆炸威力的前提下，为了防止硝酸铵因溶解度降低而析晶，应增加水胶炸药的水含量.当环境温度高时，可以适当减少水含量，这有利于提高炸药爆炸性能.

3　结论

（1）当水胶炸药以田菁胶为胶粘剂时，在满足能量要求的情况下，水胶炸药的水含量要相对多些.当水胶炸药以聚丙烯酰胺水溶胶体为胶粘剂时，水胶炸药的水含量可以相对少些.

（2）当环境温度低时，在保证炸药威力的前提下，应当增加水胶炸药配方中的水含量，以防止硝酸铵溶液析晶.当环境温度高时，可以适当减少水胶炸药配方中的水含量，减少水含量有利于提高炸药的爆炸性能.

［1］ 木村真.浆状炸药的性能和使用［M］.北京：煤炭工业出版社，1978.

［2］汪旭光，云主惠，聂森林等.浆状炸药的理论与实践［M］.北京：冶金工业出版社，1985.

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［9］白银公司浆状炸药试验组.聚-1号抗水浆状炸药的研究和试用［J］.金属矿山，1976.

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［11］ 陈苏敏.聚合物在水凝胶体系中的应用［D］.南京：南京理工大学，2005.

［12］Melvin A.Cooks.The Science Of Industrial Explsives［M］.北京：煤炭工业出版社，1987.

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［14］Babenko.A.M.，Andrianov.A.M.Solubility In The Systems Diammonium Phosphate-Monoammonium Phosphate-Ammonium Nitrate-Potassium Sulfate-Water And Ammonium Nitrate-Potassium Sulfate-Water［J］.Journal of applied chemistry of the USSR，1984，57（9）：1777-1781.

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Study on Water Content of Water-Gel Explosive

DONG Cong-hui， MA Zhi-gang， SHAO Zi-hao， HUANG Xiao-nan， PAN Gui-sen
（Institute of Chemical Engineering，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China）

This paper mainly discussed the requirements of adhesive type and environment temperature on water content of water-gel explosive.On the condition of same viscosity of aqueous oxidant solution，water-gel explosive with Polyacrylamide adhesive has low content of water.On the condition of high brisance，water content of water-gel explosive should be increased when environment temperature reduces.

water-gel explosive；water content；adhesive

TQ560

A

1008-1402（2015）06-0938-03

2015-11-04

董聪慧（1990-），女，杏林桦甸人，安徽理工大学化学工程学院在读硕士，主要从事民用爆破器材技术与研究.