水相组分对混装乳化炸药的性能影响研究

赵明生，张 力，韦 剑，黄胜松

(1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；2.贵州大学矿业学院，贵阳 550002)

混装乳化炸药主要用于爆破作业，其爆轰性能和乳胶基质长途运输过程中的稳定性严重影响爆破效果，水相材料作为混装炸药中的关键性材料严重影响炸药作业能力。张阳等[1]分析了乳胶基质的稳定性影响因素不但与储存环境有关，还受到乳胶基质配方中各组分含量的影响；卢文川等[2]通过研究发现将油相组分中的柴油用用生物柴油替换后乳化基质的稳定性急剧下降；叶辉等[3]通过高低温循环试验和自然储存试验表明，由复合乳化剂制备的乳化基质稳定性明显优于由单一乳化剂。目前对混装乳化炸药的研究主要集中在混装乳化炸药的储存稳定性上[4-5]，开展混装乳化炸药水相组分含量对混装乳化炸药爆轰性能及乳胶基质储存稳定性的研究对混装乳化炸药的应用推广具有重要意义。

1 配方实验

为研究水相组分中硝酸铵和水质量分数对混装乳化炸药爆轰参数及乳胶基质储存稳定性的影响，将油相材料的组分及各组分的质量分数作为定值，设计5组水相配方(见表1)，理论计算5组不同配方的爆轰参数并制备乳胶基质，通过高低温循环、模拟运输振动、结合显微镜观察微观结构等方法综合分析评价乳胶基质的储存稳定性。本次实验仪器主要用到生物显微镜、乳化器、循环浴、高低温交变实验箱。根据B-W规则建立爆炸反应方程式并分别计算出不同配方的爆热、爆容和爆速。

表1 水相组分不同质量分数配方及参数

从表1可以看出，1#～5#水相配方中随着硝酸铵质量分数从75%增加到79%时，爆热从2 360.32 kJ/kg提高到2 658.43 kJ/kg；爆容从846.04 L/kg下降到818.61 L/kg；爆速和爆热与硝酸铵含量成正相关，爆容与之相反；水相溶液的析晶点随着硝酸铵的质量分数减少而降低。实际生产，如果水相溶液析晶点过高，对生产设备的保温要求较高，在生产过程中易出现析晶给生产带来安全隐患。

2 乳胶基质制备

按照表1中各组分的比例制备水相、油相，制备0.5 kg乳胶基质进行储存稳定性实验。乳胶基质的制备工艺为：将乳化器电机转速调到0.8 krpm，在30 s内将水相溶液全部加入到油相材料中，待水相溶液添加完成且观察到有乳状液出现时，将电机转速调到1.4 krpm，对乳胶基质进行高速剪切150 s。制备工艺参数如表2所示、乳胶基质的制备及样品分别如图1、图2所示。

表2 乳胶基质制备工艺参数

图1 乳胶基质的制备Fig.1 Preparation of emulsion matrix

图2 乳胶基质样品Fig.2 Emulsion matrix sample

3 实验过程及结果分析

结合实验情况，将乳胶基质自然储存作为对照组，高低温循环作为实验组，通过自然储存天数及循环次数多少来评价乳胶基质储存稳定性的好坏，主要方法有乳胶基质自然老化法和加速老化法，基于温度冲击和振动冲击试验实现加速老化，通过观察乳胶基质微观结构发生吸晶、产生气泡等明显变化的时间间隔[7-8]以此判断其储存稳定性好坏。

3.1 高低温循环实验过程

在实验室将乳胶基质的自然储存天数与高低温循环次数进行对比(见表3)，进一步验证储存稳定性。通过查阅文献资料[6-7]并结合实验设备将高低温循环参数设置为：高温设定为46 ℃，维持时间为12 h；低温设置为-15 ℃，维持时间为12 h，每24 h为1个循环。

表3 高低温循环次数

3.2 实验结果分析

乳胶基质稳定性试验结果如图3所示。

图3 乳胶基质稳定性实验结果Fig.3 Stability test results of emulsion matrix

从表3和图3可以看出，水质量分数从15%增加到19%时，随着水质量分数的增加乳胶基质高低温循环次数从3次增加到5次，自然储存天数从52 d增加到66 d，说明增加水质量分数有助于乳胶基质储存稳定的提高。

4 结论

1)理论计算结果表明，爆热、爆速均随水相中硝酸铵的增加而增大，爆容反之减小。硝酸铵含量从75%增加至79%时，爆热从2 360.32 kJ/kg提高到2 658.43 kJ/kg，爆容从846.04 L/kg下降到818.61 L/kg，爆速理论值从4 573 m/s上升到4 855 m/s。

2)实验结果表明水质量分数的增加有利于储存稳定，水相中水质量分数从15%增加到19%时水相溶液析晶点从79.6 ℃下降到63.4 ℃，随着水质量分数的增加乳胶基质高低温循环次数从3次增加到5次，自然储存天数从52 d增加到66 d。

3)有效控制水相组份中的硝酸铵和水的质量分数有利于提高乳胶基质储存稳定性和保证炸药的稳定爆轰，在实际工程中根据现场岩体可爆性和乳胶基质的运输距离合理控制水相材料中的硝酸铵和水的配比，实现混装乳化炸药的作功能力和经济性的最优。