超声波法评价乳化基质稳定性的实验研究

杨　帆，姚　栋，曹　勇，胡坤伦

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

超声波法评价乳化基质稳定性的实验研究

杨帆，姚栋，曹勇，胡坤伦

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

实验室制备了span-80与T-155乳化剂不同质量比的6种乳化基质试样，通过测定超声波仪处理后的乳化基质硝酸铵的析出量，和10个高低温循环后相应的乳化基质的电导率，探讨不同油相条件下，乳化剂种类及配比对乳化基质稳定性的影响。结果表明：超声波法实验结果反映的乳化基质稳定性与高低温循环法测定的结果一致，其中A组乳化剂span-80:T-155质量比为1:1时，乳化基质稳定性最好。说明用超声波评价乳化基质的稳定性是可行的。

乳化基质；超声波；油相；电导率；稳定性

超声波是频率高于20kHz、波长短的一种声波，由系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播，具有机械振动、空化、热及化学作用。目前超声波技术广泛应用于工业、农业、食品加工、军事、医学、化工等诸多领域[1-2]。

乳化炸药的稳定性是指其保持物理性质、化学性质不变和爆轰性能不发生明显变化的性质，是衡量乳化炸药质量的一项重要技术指标[3]。目前观测乳化炸药稳定性的方法有高低温循环法、水溶法和自然储存法，但都需要较长时间的观测实验，而电导率法和动态平衡法不能直接反映乳化炸药的稳定性[4-6]。这些评价方式已适应不了我国乳化炸药行业先进生产工艺的生产应用，因此本文利用超声波能量输出的特殊性，在原有实验基础上研究一种评价乳化炸药稳定性的新方法。

文献[7]应用超声波对一种乳化基质进行处理，侧重研究破乳温度、作用时间、作用距离和超声波功率对破乳效果的影响，但实验样品过于单一，且与现在的乳化炸药生产配方相差较大。本文利用超声波处理不同配方的乳化基质，着重考察不同油相条件下乳化剂种类及含量对乳化基质界面膜特性的影响，进而探讨乳化炸药稳定性。

1　实验部分

1.1实验试剂和仪器

试剂：失水山梨醇单油酸酯（span80）；聚异丁烯多丁二酰亚胺（T-155）；复合蜡；硝酸铵；尿素；水；中性甲醛溶液；0.1mol/L 氢氧化钠标准溶液；0.5mol/L 氢氧化钠标准溶液；甲基红指示剂，1%的酚酞指示剂。 仪器：XO-1800D型超声波细胞破碎仪；DDS-307型电导率仪，电导率测量范围为：0～1.999×105μ s·cm-1；JJ-1型精密电动搅拌器。

1.2乳化基质的样品制备

在实验室条件下，采用常用的乳化基质配方，配方及乳化剂配比如表1～2所示。

表1　试样组分　　　　　（%）Tab.1　The components of sample matrix

表2　乳化剂配比Tab.2　The proportion of emulsifier

1.3乳化基质的破乳实验

当超声波通过有悬浮粒子的流体媒质时，水相中悬浮粒子开始与油相媒质一起振动，但由于粒子大小不同，它们的相对振动速度也不同，并相互碰撞、粘合，使粒子的体积和质量增大，最后沉降分离。同时使油相中的乳化剂及蜡等分散均匀，增加其溶解度，降低油-水界面膜的机械强度，有利于水相分离。热作用降低油-水界面膜的强度和原油粘度，有利于水相粒子从油中分离[2]。

从制得相应编号的乳化基质样品中称取10g 均匀涂抹于烧杯底部，并加入100mL 的水。将烧杯置于超声波细胞破碎机隔音箱中，并将超声波探头置于烧杯中进行破乳。系统设置：超声：1s，间隙：1s，温度：10℃，功率：70%（1 260W），幅杆距离乳化基质20mm。

超声波处理设定的时间后，将试液倒出，编号，冷却至室温，用甲醛法滴定[7]。实验操作如图1 所示。

图1　超声波破乳实验装置图Fig.1　Equipment picture of ultrasonic demulsification

1.4高低温循环法试验

将10g乳化基质试样在60℃下放置8h，再于-25℃下冷冻16h，作为1个温度变化循环。每个循环后观察外观变化，待10个温度循环后，测量电导率大小。

2　结果与分析

2.1同一种乳化基质不同超声处理时间比较

分别在5个相同规格（200mL）干燥的烧杯底部均匀涂抹10gA组1＃乳化基质(A1＃与现在工业生产的乳化炸药基质配方接近，也是实验室常用的)，并加入 100mL 的水。设定超声波仪器系统设置，超声波处理时间分别为10min、15min、20min、25min、30min，对 A组1＃进行超声波处理。实验后的乳化基质见图2，实验数据见图3。

图2　不同超声波处理时间后的乳化基质图Fig.2　The picture of emulsion matrix after different ultrasonic treatment time

图2（a）是超声波处理A组1#乳化基质10min后乳化基质图，乳化基质表层由蛋黄色转为乳白色，乳白色乳化基质底部蛋黄色基质颜色清晰可见，超声波处理15min后的乳化基质（图2（b））与处理10min后的乳化基质无明显变化，到20min时（图2（c）），乳白色基质的厚度明显增加，但仍可见薄层蛋黄色乳化基质在烧杯底部，到25min时（图2（d）），仍可见一点蛋黄色乳化基质，30min时（图2（e）），烧杯内乳化基质完全变为乳白色。

图3　 对A1#乳化基质进行超声波处理的结果Fig.3　The result of ultrasonic treatment of A1#emulsion matrix

如图3可见，当处理时间从10min 增加到 15 min时，硝酸铵的析出量随时间增量很小，当作用时间从15min 增加到 25min 时，硝酸铵的析出量随作用时间的增加而增加，继续增大超声波作用时间，硝酸铵析出速率越来越大。

2.2不同乳化基质破乳对比实验数据

在同一规格（200mL）干燥的烧杯底部均匀涂抹10g乳化基质试样，并加入 100mL 的水。超声波仪器系统设置不变，超声波处理25min后，将试液倒出，编号，冷却至室温，用甲醛法滴定，记录硝酸铵析出量，见表3、图4。

表3　滴定数据表Tab.3　The table of titration data

2.3高低温循环法试验结果

A组中1＃7个循环以后，样品有少量的结晶析出；5＃10个循环以后，只在称量瓶内有细小液珠，其他基本上没有大的变化； 2＃10个循环以后，样品没有大的变化，颜色及手感良好；B组中1＃3个循环以后，边缘有少量的晶体析出，称量瓶内有液珠；3＃6个循环以后，只在称量瓶内有细小液珠，其他基本上没有大的变化；5＃8个循环以后，只在称量瓶内有细小液珠，其他基本上没有大的变化；4＃和6＃10个循环以后，样品基本上没有变化。10个温度循环后电导率测量结果见表4。

图4　不同乳化基质硝酸铵析出量图例Fig.4　The precipitation amount of ammonium nitrate from different emulsion matrix

表4　不同乳化基质的电导率（ms·cm-1）Tab.4　Conductivity of different emulsion matrix

（1）乳化基质粒子是一种带电胶体，它将产生电泳现象，可通过测量乳化基质电导率的大小来预测乳化基质的稳定性。显然，乳化炸药的电导率是与电泳速度和单位体积内离子浓度成正比的物理量。一般测得的乳化基质的电导率越小，它的稳定性就越好。刚乳化的乳化基质电导率一般很小，乳化基质的电导率随着自然储存时间的增加而逐渐增大，在乳化炸药的初始破乳时存在一个突变点，电导率数值突变。而经过超声波处理后，乳化基质油水界面膜和油膜受到破坏，致密性和强度均降低，使水相容易脱离油相的包覆。实验计算析出的硝酸铵量越多，对应的乳化基质试样稳定性就越差。将不同乳化基质的电导率数值（表4）与经过超声波处理的乳化基质析出的硝酸铵量（表3）对比，可知超声波法测得的实验结果与10个高低温循环后电导率数据反映的乳化基质界面稳定性结果一致。

（2）T-155乳化剂为高分子乳化剂，HLB值小且粘度大，需要较高的剪切力才能乳化成功，其乳胶基质稳定性较好。由于实验条件限制，实验室未能制备成功。与Span-80乳化剂相比，T-155的亲油部分位于分子两端，在乳化时其极性部分伸向水相产生分子弯曲，两端伸向油相产生膜后，形成立体阻碍膜[8]。A、B两组之间比较，试样A组明显比B组的稳定性好。A组2＃析出硝酸铵最少，界面膜稳定性最好，B组1＃析出硝酸铵量最多，界面膜稳定性最差。分别单独比较A、B组内的乳化基质试样，1＃单一乳化剂span-80制备的试样明显比复合乳化剂制备的试样稳定性差[9]。

3　结论

（1） 超声波法测得的实验结果与10个高低温循环后乳化基质的电导率数据反映的乳化基质界面稳定性结果相一致，说明用超声波评价乳化基质的稳定性是可行的。

（2） 由实验结果可知，复合乳化剂优于Span-80。应用复合乳化剂比应用单一乳化剂span-80生产的炸药基质稳定性好。其中当span-80与T-155以1:1比例混合时，其乳化基质稳定性最好。

（3）本实验所得乳化基质最佳配方：硝酸铵73.5%，硝酸钠8.0%，尿素2.5%，水10%，复合蜡3.5%，span-80 1.25%，T-155 1.25%。

[1] Lou Z X ，Wang H X，Zhang M，et al．Improved extraction of oil from chickpea under ultrasound in a dynamic system[J].Food Eng,2010(98):13-18．

[2] 冯若.超声手册[M].南京:南京大学出版社,1999．

[3] 汪旭光.乳化炸药[M].北京:冶金工业出版社,2008．

[4] 宋锦泉,汪旭光.乳化炸药的稳定性探讨[J].火炸药学报，2002(1):36-40．

[5] 邵利.乳化炸药稳定性快速预测方法研讨[J]．煤矿爆破，1995(4):13-17．

[6] 杨树仁,胡坤伦.几种表征乳化炸药稳定性方法的实验研究[J].煤矿爆破,2007(2):1-4．

[7] 胡坤伦,刁先鹏,汤志健,等.超声波法表征乳化炸药基质界面膜性能的实验研究[J].火工品,2012(4):36-39．

[8] 叶志文,吕春绪,刘祖亮．聚异丁烯双丁二酰亚胺作为乳化炸药乳化剂的技术特点研究[J].精细石油化工,2003(1):54-56．

[9] 姜兆华,孙德智,等.应用表面化学与技术[M].哈尔滨：哈尔滨大学出版社,2009．

Experimental Investigation on the Ultrasonic Measurement Method to Evaluate the Stability of Emulsion Explosive Matrix

YANG Fan，YAO Dong，CAO Yong，HU Kun-lun
(School of Chemical Engineering，Anhui University of Science &Technology，Huainan，232001 )

Six kinds of emulsion base simples with different mass ratios of span-80 to T-155 were prepared in laboratory. Through determining the precipitation amount of ammonium nitrate from emulsion matrix after ultrasonic instrument on-line processing, and the electrical conductivity of the emulsion matrix after ten high-low-temperature cycling, the impact of types and proportions of emulsifiers on the stability of the emulsion matrix in different oil phase conditions were investigated. The study showed that the results measured by ultrasound informing the stability of the emulsion matrix are consistent with that measured by temperature cycling method. When the emulsifier mass ratio of span-80 to T-155 is 1:1 in group A, the stability of the emulsion matrix is the best. The experiment indicated that evaluating the stability of emulsion explosive matrix by ultrasonic is feasible.

Emulsion explosive matrix；Ultrasonic；Oil-phase；Conductivity；Stability

TQ560.72

A

1003-1480（2015）01-0045-04

2014-09-28

杨帆（1990-），男，在读硕士研究生，主要从事含能材料方面研究。

国家自然科学基金资助项目（批准号：51134012）