乳胶基质的声速测试及其影响因素研究

陆丽园，王晓云，王作鹏



乳胶基质的声速测试及其影响因素研究

陆丽园，王晓云，王作鹏

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽淮北，235039)

利用超声波技术中的声速法测量了不同质量状态乳胶基质的声速，并通过试验与理论研究分析了影响乳胶基质声速的主要因素。结果表明，不同质量状态的乳胶基质的声速存在显著差别，分散相液滴颗粒的大小及乳胶基质的粘度是影响乳胶基质声速的主要因素，声速可以用来表征乳胶基质的性能。

乳化炸药；乳胶基质；声速；粘度；粒径

乳胶基质的质量从根本上决定了乳化炸药成品的储存稳定性及其爆炸性能，因此研究乳胶基质的性能及其表征方法具有重要意义。目前对乳胶基质性能的认识尚显不够，对性能的表征方法也少，文献报道的主要有基质分散相粒子的大小及其表征方法[1-4]、基质的粘度[5]、基质的电性质[6]等。

根据超声波检测原理[7-9]，物质的声速与其组成、微观结构、存在形态以及物理化学性质有关，在组成及存在形态一定的情况下，基质的微观结构与性能不同，其声速也就不同。因此研究乳胶基质的声速对研究基质的性质与性能，以及建立基质性能新的表征方法具有重要意义。同时，超声波检测技术具有快速、方便、计算简单、易于实时控制等优点，可以实现在线检测。

本文利用超声波检测法研究了不同质量状态的乳胶基质的声速，分析了影响乳胶基质声速的因素。

1 实验部分

1.1 乳胶基质样品的制备

以2#岩石乳化炸药配方为基准，制备了几种不同质量状态的乳胶基质小样，主要考虑了几种工艺偏离正常情况的基质：（1）乳化转速为1 100r/min，油水相配比发生变化：采用相同的制备工艺，只改变油、水相配比，分别选择正常配比的125%、100%、70%、55%、50%油相制备乳胶基质；（2）油水相配比正常，乳化转速降为600r/min，制备乳胶基质；（3）油水相配比正常，乳化转速降为320r/min，制备乳胶基质。

1.2 仪器与试验方法

（1）声速的测定：利用自制的声速测定仪，装置如图1所示。先调节发射器与接收器上的固定螺钉，使发射面和接收面互相平行且与游标卡尺尺面垂直；再调节示波器和信号发生器，调节频率使系统处于共振状态，在此频率下开始测定乳胶基质的声速；将乳胶基质填入发射器与接收器中，缓慢地由远及近地移动接收器，逐个记录振幅最大时的刻度值，结合李萨如图形的变化，可以求得波长，利用公式=，即可求得声速。

图1 实验装置图

（2）乳胶基质的微观结构测定：采用Winner 2000型台式激光粒度分析仪对不同乳化基质的微观结构进行测定。

（3）乳胶基质的粘度测定：采用DV-1 型旋转粘度计对不同乳化基质的粘度进行测定。

2 结果与讨论

2.1 乳胶基质的声速

根据乳胶基质样品的李萨茹图形的转变，测得值及频率，可计算出声速。不同乳胶基质在95℃条件下测得的声速见表1。从表1中可以看出，一定温度下，不同质量状态的乳胶基质，其声速存在显著差别。

2.2 影响乳胶基质声速的因素

影响物质声速的因素主要有温度与介质的性质，其中介质本身的性质是影响声速的关键，包括组成、微观结构、存在形态以及物理化学性质。同一配方制备的乳胶基质，其组成与存在形态基本相同，此时声速主要与基质的微观结构及物理化学性质有关。

表1 不同乳化基质样品的声速 （m/s）

Tab.1 Sound velocity of emulsion matrix samples

注：50%油相的基质不乳化，下同。

2.2.1温度对声速的影响

乳胶基质的声速随温度的升高而增加，分别测试了乳化转速为1 100r/min、100%油相的乳胶基质在不同温度条件下的声速，结果见表2，表2中试验数据为5次试验数据的平均值。

表2 不同温度条件下乳胶基质样品的声速

Tab.2 Velocity of emulsion matrix samples under different temperatures

从表2中可以看出，乳胶基质的声速受温度影响较大，随温度的升高而增大。对同种介质，温度是影响声速的主要因素。一般来说，温度越高，声速越大。因为温度越高，分子运动越快，传递振动也快，表现为声速随温度的升高而增加。

2.2.2 微观结构对声速的影响

为考察声速与基质的微观结构的关系，测定了样品的微观结构，结果见表3，表3中试验数据为5次试验数据的平均值。

表3 不同乳化基质样品的分散度 （μm）

Tab.3 Dispersion of emulsion matrix samples

从表3中可以看出，正常配比及正常工艺条件下（乳化转速为1 100r/min、100%油相）制备的基质的粒径较小，且分布较均匀，平均粒径最小，基质质量最佳；125%油相的基质，小直径的粒子较正常基质有所增加，但粒径分布范围变宽，出现了直径较大的粒子，平均粒径增大；随着油相含量的减少，粒子直径逐渐增加，粒子分布范围也越来越大，说明油相的包覆力减弱；随着乳化转速的降低，基质的粒径随之增大，且粒径分布范围也大大增加，乳化效果不理想。

综合表1、3可以看出，基质的声速随着粒径的增大而降低，但低转速的基质没有此规律。

2.2.3粘度对声速的影响

测定了各样品的粘度，结果见表4。从表4中可以看出，基质的粘度随着油相的减少而增加，随乳化转速的降低而降低。可以看出，低转速的基质不仅分散相颗粒较大，粘度也较低。综合表1、4可看出，基质的声速随粘度的增大而降低，但含125%油相的乳胶基质，其粘度低于100%油相的基质，但声速却低于100%油相的基质。

表4 95℃下不同乳化基质的粘度 （Pa·s）

Tab.4 Viscosity of emulsion matrix samples at 95℃

2.2.4影响声速因素的理论分析

超声波在介质中传播时能量会衰减。能量的衰减取决于声波的扩散、散射和吸收。由扩散引起的衰减是由声源及传播约束条件决定的，与传播介质无关[10]。因此，此处只讨论吸收衰减和散射衰减。

（1）吸收衰减：吸收衰减主要是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分能量转化为热能损失掉[11]。当粘滞的介质中相邻质点的运动速度不同时，它们之间由于相对运动而产生内摩擦力——亦即粘滞力。由于内摩擦引起的吸收，其衰减系数α可用式（1）表示[12]：

式（1）中：为介质密度，kg/m3；为粘滞系数，无因数；为超声波频率，Hz；为声速，m/s；为波长，m，=/。从式（1）可以看出，吸收衰减与介质的粘滞系数成正比。介质的粘度越大，则吸收衰减越大，声速越低。表1与表4中，乳胶基质声速随粘度的降低而增大（125%油相的乳胶基质除外），证实了这点。

（2）散射衰减：散射衰减是指超声波在介质中传播时，介质中的颗粒使声波产生散射，一部分声能不再沿原来的传播方向运动而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子性质有关。散射作用比较著名的理论为瑞利散射和米散射理论。当分子或粒子的半径远小于波长时，散射辐射服从瑞利公式，而当粒子尺度增大到一定程度（粒子尺度参数）时，瑞利公式不再适用，应改为米氏理论。乳胶基质中分散相粒子的平均粒径为几微米，符合瑞利散射。

散射强度与粒子的半径及粒子数量的关系见式（2）[11]：

式（2）中：为波长，m；为粒子的半径，m；为粒子数量。从式（2）中可以看出，乳胶基质分散相颗粒的粒径越小，散射衰减就越弱，声速就越大。表1、3中，基质的声速随着粒径的增大而降低（低转速的基质除外）证实了这点。

表1中，125%油相的样品粘度虽然比100%油相的样品低，但其平均粒径却比100%油相的样品大，因此其散射衰减也大，这就解释了为什么125%油相的样品粘度低于100%油相的样品粘度，但其声速却低于100%油相样品的声速。同理，低转速的基质虽然粒径较大，但其粘度较低，因此声速较大。

综上所述，一定温度下乳胶基质的声速取决于乳胶基质本身的性质，即乳胶基质的粘度及分散相颗粒的大小，是二者共同作用的结果。乳胶基质的粘度越大，则吸收衰减越强，声速越低；分散相颗粒越大，则散射衰减越强，声速越低。

3 结论

（1）试验研究了几种不同质量状态的乳胶基质样品的声速，发现不同质量状态的乳胶基质的声速存在显著差别。

（2）影响乳胶基质声速的因素除了温度外，主要取决于乳胶基质本身的性质：乳胶基质的粘度及分散相颗粒的大小，是二者共同作用的结果。粘度越大则吸收衰减越强，声速越低；分散相颗粒越大，则散射衰减越强，声速越低。

（3）一定温度下乳胶基质的声速取决于乳胶基质本身的性质，因此，声速可以用来表征乳胶基质的性能。

研究过程中，由于仪器比较简单，加之实验室制备的乳胶基质样品多少都混有气泡，导致实验存在一定的误差。

[1] 崔安娜,汪旭光.乳化炸药基质粒子的结构与观测技术[J].爆破器材,1984(1):30-32.

[2] 张显丕,郭子如,李道平.乳化炸药基质分散相液滴大小及分布的影响因素[J].含能材料,2006,2(14):147-150.

[3] 申英锋,汪旭光,肖裕民.乳化炸药粒径分布的表征方法及分布模拟算法[J].爆破器材,1998,27(5):1-4.

[4] 徐国财.乳化炸药基本粒子的测试与表征[J].爆破器材, 1996,25 (5):1-4.

[5] 杨仁树,李清,田运生,王树仁.乳化炸药异常流变性与其微观稳定性的关系[J]. 煤炭学报,1997,22(2):160-164.

[6] 赵剑宇.W/O型乳胶粒子表面电性的研究[J].云南化工,1998 (2):31-33.

[7] 张玉华,孙慧贤,李建增.硬度测量无损检测新技术的研究与发展[J].计量技术,2013(4):26- 30.

[8] De-an T A.Stress analysis of ultrasonic guided waves in viscous liquid-filled pipes[J].Technical Acoustics, 2006,25(5): 419-425.

[9] 胡洁,俞金飞,章东,等.乳状液超声特性的分析[J].乳品工业, 2004(3):27-29.

[10] 同济大学声学研究所.超声工业测量技术[M].上海:上海人民出版社,1999.

[11] 袁易全.近代超声原理与应用[M].南京:南京大学出版社, 1996.

[12] Saraf B, Samal K. Ultrasonic velocity and absorption in reconstituted powdered milk. II[J].Acustica,1984,56(1): 61-66.

Study on the Sound Velocity Testing of Emulsion Matrix and Influence Factors

LU Li-yuan，WANG Xiao-yun，WANG Zuo-peng

（China Coal Technology and Engineering Group Huaibei Blasting Technology Research Institute, Huaibei, 235039）

By use of ultrasonic technology, the sound velocities of different emulsion matrixes with different quality were determined, and the main factors influencing the velocity of emulsion matrix were analyzed by experiment and theory. The results show that there is significant difference between the velocities of different quality state of emulsion matrix, and the droplet size of the dispersed phase and the viscosity of emulsion matrix are the main influence factors. The study indicated that sound velocity can be used to character the property of the emulsion matrix.

Emulsion explosive；Emulsion matrix；Sound velocity；Viscosity；Particle size

1003-1480（2015）03-0053-04

TQ564

A

2014-12-10

陆丽园（1971-），女，工程师，主要从事民用爆破器材研究。