油相材料对混装乳化炸药性能的影响

黄 麟，赵旭东，张英杰，张 阳，席 韬，曹小双

(1.矿冶科技集团有限公司，北京100160；2.北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 100160;3.首钢集团有限公司矿业公司，河北 唐山 064404)

乳化炸药的油相材料可以广义的理解为一类不溶于水的有机化合物，能够包覆内相粒子的油膜，与乳化剂、氧化剂盐水溶液等一起形成W/O型乳化液，是乳化炸药的关键组分之一[1]。其作用可以归纳为乳化炸药的连续相、还原剂、抗水组分、控制基质外观的成分等。现场混装乳化炸药作为乳化炸药的一种，因半成品乳化基质需要远距离泵送，要求其为黏度较低的胶状物质，体现在油相材料的选择上，需要选用流动性能较好的柴油、机油等。国内研究人员对使用柴油和机油作为油相材料做了较多的研究。如张东杰等[2]研究单标号柴油、机油、石蜡对乳胶基质黏度的影响，对选定的配方进行性能检测；李宝林[3]以低附加值副产品毛糠蜡及动植物油脂制备的生物柴油为原材料，复配为现场混装乳化炸药用油相材料，并对制备的乳化炸药进行性能测试表征；孙伟博等[4-5]研究废机油在乳化炸药中应用的可行性，对成乳性、乳化基质黏度、敏化效果及爆速值进行表征；马平等[6-7]通过固定工艺参数，分析研究影响基质黏度的各种因素。

相关的研究虽然不少，但均未对不同标号机油、柴油、以及不同比例机油和柴油复配物对现场混装乳化炸药性能的影响展开研究。本文通过测定油相材料的黏度，乳化基质的黏度、敏化速度、爆速，以及复配油相对应乳化基质的黏度等参数；对油相材料黏度、不同机油标号、机油柴油复配比例等对混装乳化炸药性能的影响开展系统研究。

1 实验部分

1.1 实验样品制备

实验中使用的油相材料包括0#柴油、5#机油、15#机油、32#机油、46#机油、68#机油、100#机油(无锡协同史丹得石化有限公司)以及机油柴油复配油相(见表1)；乳化剂为span-80(北京北矿亿博科技有限责任公司)；硝酸铵(陕西兴化集团有限公司)。采用HM925S-A型乳化器进行乳化制备。乳化基质的配比及组成如表2所示。

表1 46#机油或100#机油与柴油复配

表2 乳化基质配方

1.2 油相材料、乳化基质黏度测试

测试采用博勒飞DV2THB型黏度计(见图1)，在指定剪切率的条件下测试样品的黏度。根据样品黏度的大致范围确定黏度测试条件，其中油相材料黏度的测试条件为HB-2转子、100 r/min；乳化基质黏度的测试条件为HB-7转子、50 r/min。

图1 黏度计

1.3 乳化基质敏化及装药爆速测试

为考察乳化基质黏度变化对常温及高温条件下基质敏化的影响，通过密度测定和爆速测试进行表征。采用BSZ-1型爆速仪测试样品爆速，样品为5#、46#、100#机油对应的乳化基质在35、70 ℃条件下的敏化装药。爆速测试根据GB 28286-2012[8]混装乳化炸药爆速检测要求，采用φ110×800 mm的PVC管，以成品乳化药卷作为起爆药包，爆速测试如图2所示。

图2 爆速测试

2 实验结果与讨论

2.1 不同油相的黏度情况

通过测定不同油相材料的黏度(见图3)可得，0#柴油的黏度最小，几乎是5#机油的一半，随着机油标号的增大，黏度越来越大；出现这种现象的原因为高标号机油中黏稠添加剂的比例更高，与实际应用现象相符。

图3 不同油相的黏度情况

2.2 不同油相材料对乳化基质黏度的影响

在其他条件均相同的情况下，通过改变油相材料的种类，分别由0#柴油、5#机油、15#机油、32#机油、46#机油、68#机油、100#机油制备7种乳化基质，测定各基质在不同温度下的黏度值，得到油相类型、基质温度以及基质黏度三者间的关系(见图4和图5)。

图4 基质黏度与温度的关系

图5 各种温度下不同油相制备的基质黏度对比

由图4可知，由不同油品制备的乳化基质黏度均随温度的升高而降低，其中0#柴油、5#机油和15#机油降幅较小，这主要是因为整体数值低，下降空间小；其他4组在40～50 ℃之间降幅较大，在4 000～6 000 cp之间，分析可能的原因是油水相组分在该温度段内流动状态变化较大。

由图5可知，在30～75 ℃范围内同一温度下，随着油品黏度的增大，基质黏度也逐渐升高，其黏度均呈现0#柴油<5#机油<15#机油<32#机油<46#机油<68#机油<100#机油，与油相材料自身黏度变化趋势相同。但整体增幅有所不同，其中0#柴油与5#机油之间黏度差为500～10 000 cp，15#与32#之间黏度差为8 000～14 000cp，差距较大；这主要是因为油品黏度增幅不同，其中0#柴油对比5#机油，15#机油对比32#机油，黏度增幅均超过80%，而其余几组对比，增幅均小于50%。

2.3 不同标号机油对应基质敏化效果分析

取5#、46#、100#机油制备的乳化基质进行敏化，敏化条件分为常温、高温：

常温敏化温度：35 ℃；敏化剂：3.3%亚硝酸钠溶液；敏化剂添加量：3%；

高温敏化温度：70 ℃；敏化剂：1.25%亚硝酸钠溶液；敏化剂添加量：3%。不同标号机油对应基质敏化效果如图6～图9所示。

图6 35 ℃，5#、46#、100#基质敏化对比

图7 35 ℃，敏化基质黏度对比

图8 70 ℃，5#、46#、100#基质敏化对比

图9 5#、46#、100#在70 ℃下发泡状态

由图6～图8可知，其他条件均不变的情况下，由5#机油、46#机油、100#机油制备的乳化基质在35、70 ℃下敏化发泡速率基本相同，敏化过程中装药的黏度变化情况也相似，呈现出先增大后减小的规律，在敏化约0.2 h后黏度达到峰值，此时对应的乳化基质密度约为1.25 g/cm3。出现该现象的原因主要是起始敏化装药膨胀，使杯中装药更为密实，且形成水、油、气三相空间架构，有益于结构稳定，黏度略有上升；但随着敏化程度的增大，药体中气泡(孔隙)含量越来越多，原本胶体相连转变为胶体与空气相连，致使药体黏度逐渐下降。

由图9可知，5#机油制备的混装乳化炸药气泡大且数量少，而由100#机油制备的装药呈现较好的状态，气泡小且数量多，但随着油相材料黏度的增大，制备基质的敏化气泡逐渐变多且细腻；对在35 ℃下敏化1 h、70 ℃下敏化0.5 h的6种装药进行爆速测试，其每组平均值如下表3所示。

由表3可知，35 ℃下低温敏化，爆速不受机油黏度变化的影响，且爆速均保持较高值；而在70 ℃高温敏化，在其他条件均相同的情况下，低黏度机油制备的装药爆速较低，对比5#机油装药和100#机油装药，爆速值相差900 m/s。分析原因是低黏度机油制备的乳化基质在高温下固泡效果较差，敏化气泡易聚集形成大气泡和气泡逃逸，减少了敏化体系中的“热点”数量，而通过使用高黏度机油，乳化基质在高温下仍保持较大黏度，固泡能力得到提高。

3 机油柴油复配比例对乳化基质黏度的影响

在实际应用中，为降低生产成本，生产企业希望在油相中添加价格较低的柴油，因此分别将46#机油，100#机油和0#柴油复配，研究在70 ℃下不同复配油相对应基质的黏度变化情况(见图10和图11)。

图10 46#机油，柴油占比对乳化基质黏度的影响

图11 100#机油，柴油占比对乳化基质黏度的影响

由图10、图11可知，复配油相中随着0#柴油添加比例的增大，制备的乳化基质黏度大幅降低，这是因为0#柴油的黏度较46#机油和100#机油小，随着低黏度的0#柴油添加比例的增大，复配油相的黏度降低，继而制备的乳化基质黏度也下降。

46#机油与柴油复合，柴油添加比例与基质黏度的关系为y=30 631-420 443x，r2=0.993;

100#机油与柴油复合，柴油添加比例与基质黏度的关系为y=32 739-474 598x，r2=0.979。

图12 复配油相对应基质状态

3 结论

1)不同油相材料制备的乳化基质，其黏度随油相材料黏度、机油标号的增大而增大，随温度升高而降低。

2)在35、70 ℃下，5#机油、46#机油、100#机油制备的乳化基质敏化速率基本相同；在70 ℃下，5#机油制备的乳化基质敏化气泡少且大，但随着油相材料黏度的增大，制备基质的敏化气泡逐渐变多且细腻。

3)不同油相对应的乳化基质在35、70 ℃敏化过程中，黏度的变化规律相同，均呈现先增大后减小的规律，在发泡密度1.25 g/cm3时达到峰值。

4)在35 ℃条件下的3种敏化装药，爆速值接近，在5 100 m/s左右；在70 ℃条件下的3种敏化装药，5#机油、46#机油、100#机油对应的装药爆速分别为3 982、4 553、4 876 m/s，差值较大，主要是因为低黏度机油制备的乳化基质在高温下固泡效果较差，造成有效“热点”气泡少；同时也验证了通过提高油相材料黏度能够有效增强基质固泡性能，从而确保装药的爆轰性能。

5)使用46#机油、100#机油分别和柴油复配，两组复配油相制备的乳化基质黏度均随柴油添加比例增大而降低，黏度范围分别为13 900～31300 cp，13 900～35 340 cp。

通过本研究，定量的掌握了油相材料黏度、机油标号、机油柴油复配比例等对混装乳化炸药黏度、敏化发泡以及爆轰性能的影响，能够较好地指导乳化炸药配方设计及性能调配。