铝粉对化学敏化水胶炸药性能影响的实验研究

潮 捷 ，黄文尧，吴红波，檀 鑫，孙宝亮，黄孟文，章万龙

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235000；3.淮南舜泰化工有限责任公司，安徽 淮南 232001)

水胶炸药是以硝酸铵、硝酸钠等无机盐溶液为氧化剂，以硝酸一甲胺为可燃剂型敏化剂，并加入胶凝剂和交联剂等添加剂制得的含水炸药，其抗水性好、能量密度高，现已成为工业炸药的主要品种之一[1]。目前，我国常用的含水炸药有乳化炸药和水胶炸药两类，对比两种炸药在矿山爆破应用中发现水胶炸药的爆轰可靠性、稳定性和爆炸能量均优于乳化炸药[2]。但现有的水胶炸药在矿山爆破中对于中硬度以上的岩石爆破破岩能量水平颇显不足[3]。针对炸药的爆炸性能不足，国内外学者进行大量研究。程扬帆等[4]研究在乳化炸药中添加MgH2含能物质和改变炸药的敏化方式来提高炸药威力；钱海等[5]研究铝粉对乳化炸药作功能力的影响，发现乳化炸药水下爆炸的比冲击波能和比气泡能随铝粉含量的升高而增大；许祖熙等[6]探索铝粉质量分数以及颗粒度对乳化炸药爆速与做功能力的影响，发现当铝粉颗粒度变细时,爆速不断减小,做功能力不断增大；冯凇等[7]发现当铝质量分数从0%增大到15%时，六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基高聚物粘结炸药(PBXs)水下爆炸总能量由1.4倍TNT当量增加到1.7倍TNT当量；龚悦等[8]在相同的乳化炸药中添加3种粒度铝粉，通过水下爆炸能量参数得出添加中粒度铝粉的炸药爆炸能量达到最大；Nikita M等[9]发现铝粉的尺寸对炸药的性能有较大影响，超细铝粉的燃烧速率远超微米级铝粉；冯晓军等[10]研究含铝炸药中铝粉的粒度对其爆炸能量影响，发现铝粉质量分数小于10%时，含粒度较小铝粉炸药的爆炸能量大于含粒度较大铝粉的炸药；王明烨等[11]采用差示扫描量热仪(DSC)研究含3种粒度铝粉的温压炸药，得到炸药的热安定性随铝粉粒径减少而降低。但以上都是对于铝粉提高乳化炸药及其他军用炸药爆炸性能方面的研究，对于水胶炸药鲜有研究，尤其是化学敏化水胶炸药方面。由于化学敏化水胶炸药在酸性条件下化学发泡，而在酸性条件下添加铝粉会与炸药中氢离子反应，影响水胶炸药化学发泡，从而影响水胶炸药爆炸性能。并且考虑到水胶炸药的氧平衡和铝粉成本，在水胶炸药中铝粉的质量分数不超过5%。

基于此，根据工程爆破所用工业炸药配方设计，分析岩石型化学敏化水胶炸药中分别掺入1%、2%、3%、4%的粒状或片状铝粉后的爆热、爆速和猛度变化，对工程爆破所用的高威力岩石水胶炸药的配方设计具有重要指导价值。

1 实验部分

1.1 原料及配方

硝酸一甲胺溶液，工业级，质量分数为86 %，淮南舜泰化工有限责任公司；硝酸铵，工业级，沧州大化集团有限责任公司；硝酸钠，工业级，济南汇丰达化工有限公司；氟蛋白泡沫液，工业级，江苏康达消防装备有限公司；蒸馏水，自制；发泡剂，浓度为15 %亚硝酸钠水溶液，自制；瓜尔胶，食品级，郑州富太化工产品有限公司；交联剂，工业级，淮南舜泰化工有限责任公司；片状铝粉，工业级，240 μm，涟水新亿金属加工有限公司；粒状铝粉，工业级，80 μm，辛集市嘉荣铝粉厂。添加不同形状和质量分数铝粉的化学敏化水胶炸药样品的配方如表1所示。

表1 化学敏化水胶炸药样品的配方

1.2 化学敏化水胶炸药的制备

按照表1的化学敏化水胶炸药样品配方，分别称取定量的质量分数为86%的硝酸一甲胺溶液加热至58～63 ℃，将称取的硝酸铵和蒸馏水混合成质量分数为81%的硝酸铵溶液加热至70～75 ℃。将上述两种溶液混合后，加入硝酸铵固体和氟蛋白泡沫液，搅拌5 min，调节混合溶液的PH值至5.1～5.8。再加入瓜尔胶与硝酸钠的混合物，搅拌6 min，最后依次加入发泡剂、交联剂和铝粉混合均匀，即制得化学敏化水胶炸药样品。

1.3 实验仪器及测试

1.3.1 SEM-EDS及炸药样品微观结构观测

实验设备：Tesan VEGA3 SBHBRUKER XFlash 6|30 扫描电镜-能谱仪联用；XSP-86系列无限远生物显微镜，上海田瞳光学科技有限责任公司。

取适量铝粉样品，放在Flex1000扫描电子显微镜载物台上进行观测，得到两种铝粉的电镜扫描图和X射线能谱分析数据。

取适量炸药样品，放在已经用酒精灯烘干的载物片上，盖上盖玻片，放入显微镜下观测，放大倍数为40倍，得到炸药样品的微观结构图。

1.3.2 爆热实验

实验设备与器材：爆热量热仪(见图1)；陶瓷坩埚；8号电雷管；蒸馏水。

注：1-温度控制仪；2-铂电阻；3-温度计或测温仪探头；4-潜水泵；5-试样；6-爆热弹；7-量热桶；8-带夹套的外桶；9-加热极板；10-冷却蛇管；11-泵。

实验由已知热值的苯甲酸作为标准量热物质，标定爆热热量仪的热容。称取30 g化学敏化水胶炸药样品装入陶瓷坩埚中，将试样放置在爆热弹内，抽真空达到无氧状态。以蒸馏水作为测温介质，根据水温变化情况和热量仪的热容量，得到单位质量的试验样品的爆热。

1.3.3 爆速测试

实验设备与器材：BSW-3A 型智能五段爆速仪，湖南湘西州奇搏矿山仪器厂；8号电雷管；发爆器。

采用GB 13228-2015《工业炸药爆速测定方法》标准测定炸药样品的爆速。

1.3.4 猛度测试

实验器材：牛皮纸筒；8号电雷管；底座；铅柱；发爆器。

依照国标GB/T 12440-1990的标准测定炸药样品的猛度。

2 结果与讨论

2.1 铝粉对化学敏化水胶炸药爆热的影响

实测化学敏化水胶炸药样品的爆热2次，爆热结果取平均值，得出片状铝粉和粒状铝粉对化学敏化水胶炸药爆热的关系(见图2)。

图2 铝粉对化学敏化水胶炸药爆热的影响Fig.2 Effect of aluminum powder on the explosion heat of water gel explosives sensitized by chemical method

从图2得到：在炸药中分别添加1%、2%、3%和4%的片状和粒状铝粉时，水胶炸药的爆热比不添加铝粉分别提高了6.60%、10.24%、13.85%、17.99%和4.16%、8.74%、12.36%、16.54%。通过图2的数据拟合，得到片状和粒状铝粉的质量分数在0%～4%时，炸药爆热的经验公式如下：

Qv1=3 590.1+160.36a

(1)

Qv2=3 544.6+156.35b

(2)

式中：Qv1、Qv2分别为含片状铝粉和粒状铝粉炸药爆热，kJ/kg；a、b分别为炸药中片状铝粉和粒状铝粉的质量分数。

随着铝粉质量分数的增加，水胶炸药的爆热逐渐升高，分析认为由于铝粉是一种含能的可燃剂，除了与氧元素直接反应放热外，还能在爆炸反应过程中与爆炸产物发生反应，也释放能量，使炸药的爆热进一步升高，且其总反应式[13]为

6Al+3H2O(g)+N2+3CO2=2Al2O3+3H2+3CO+2AlN

此外，当在炸药中添加相同质量分数的铝粉，含片状铝粉水胶炸药的爆热略高于含粒状铝粉水胶炸药，这是由于采取SEM-EDS(扫描电镜-X 射线能谱分析法)得到的片状铝粉与粒状铝粉中的铝质量分数不同所致，从两种形状铝粉的氧化程度(见表2)可知，片状铝粉的铝质量分数为91.32%，而粒状铝粉的铝质量分数为82.96%，单位质量铝粉中的铝质量分数越大，燃烧放出的热量也就越多，故含片状铝粉水胶炸药的爆热略高于含粒状铝粉水胶炸药，两种形状铝粉的电镜扫描如图3所示。

表2 两种形状铝粉的氧化程度

图3 两种形状的铝粉的电镜扫描Fig.3 SEM of 2 shapes of aluminum powder

2.2 铝粉对化学敏化水胶炸药爆速和猛度的影响

实测化学敏化炸药样品的密度、爆速和猛度，分别得出片状铝粉和粒状铝粉对化学敏化水胶炸药密度、爆速和猛度的关系(见图4～图6)。

图4 铝粉对化学敏化水胶炸药密度的影响 Fig.4 The influence of aluminum powder on the explosion density of water gel explosive ssensitized by chemical method

图5 铝粉对化学敏化水胶炸药爆速的影响Fig.5 The influence of aluminum powder on the explosion velocity of water gel explosives sensitized by chemical method

图6 铝粉对化学敏化水胶炸药猛度的影响Fig.6 The influence of aluminum powder on the brisance of water gel explosives sensitized by chemical method

由图4、图5和图6可知：随着铝粉质量分数的增加，含片状铝粉和粒状铝粉的化学敏化水胶炸药爆速比不含水胶炸药分别降低了6.12%、8.31%、13.49%、15.12%和3.88%、6.44%、9.46%、13.27%；猛度分别下降了4.69%、8.27%、13.88%、18.18%和3.26%、7.95%、13.62%、16.78%。

随着铝粉的含量增加，炸药的爆速和猛度逐渐降低。由热点模型[14]可知，炸药爆轰过程释放的能量与爆速之间的关系：

(3)

式中：D为炸药爆速，m/s；F为炸药爆轰过程的惰性系数；n为炸药爆炸产物的比热容；Q为爆轰过程释放的能量，MJ/kg。

结合式(3)、图2和图5可知，水胶炸药中添加铝粉提高炸药爆热，而水胶炸药的爆速反而降低，两者验证可得炸药惰性系数提高。分析认为铝粉在C-J面后与爆轰产物发生二次反应，所产生的能量也不支持前沿冲击波能量的传播，即炸药中的铝粉在一定程度上反而起到稀释炸药的作用，使得单位体积炸药参与波阵面的能量密度降低[15]，故随着铝粉质量分数的增加，炸药的惰性系数提高，爆速降低。

另一方面，通过不同炸药样品的微观结构(见图7)发现，由于化学敏化水胶炸药在酸性条件下化学发泡，而在酸性条件下添加铝粉会与炸药中氢离子反应，改变其PH值，影响水胶炸药化学发泡；并且在炸药中添加铝粉搅拌的过程中，在一定程度上使得原先均匀分布的微小气泡聚集逃逸，导致炸药中微气泡数量减少，“热点”的有效数量降低，导致爆轰时前沿冲击波作用下放热量少，爆轰反应区的化学反应速度低，炸药的爆速降低。

图7 炸药样品的微观结构Fig.7 Microstructure of explosive samples

此外，炸药中添加相同质量分数的铝粉，含片状铝粉水胶炸药的爆速和猛度略低于含粒状铝粉的炸药。由于粒状铝粉的粒径小、表面积大，与周围介质接触的表面积大，导热更容易，可快速吸热达到活化温度，参与反应并减少对前沿波阵面能量的吸收，并且粒状铝粉的粒径小，具有更多的棱角，在冲击波作用下部分棱角可以形成“热点”，故含粒状铝粉水胶炸药爆速较高。

炸药的猛度与炸药的爆轰压有关，而爆轰压与炸药的密度和爆速的平方成正比，当炸药的密度基本相同时(见图4)，则炸药的猛度与爆速相关，故炸药的猛度随着铝粉质量分数的不断增加而下降，且含片状铝粉水胶炸药的猛度略低于含粒状铝粉的水胶炸药。

3 结论

1)随着铝粉质量分数的增加(0%～4%)，含铝化学敏化水胶炸药的爆热逐渐增加，爆速和猛度逐渐降低。

2)当分别在水胶炸药中添加相同质量分数片状和粒状铝粉的时，含片状铝粉水胶炸药的爆热高于含粒状铝粉水胶炸药，而含片状水胶炸药爆速和猛度略低于含粒状铝粉水胶炸药。当分别炸药中添加质量分数为4%的片状铝粉和粒状铝粉的水胶炸药比不含铝粉的水胶炸药，其爆热分别提高了17.99%、16.54% ，爆速分别降低了15.12%、13.27%，猛度分别下降了18.18%、16.78%。