一种微乳液敏化剂的研制及应用研究

2012-10-11陆丽园张东杰王作鹏

火工品 2012年4期

陆丽园，张东杰，王作鹏

（煤炭科学研究总院爆破技术研究所，安徽淮北，235039）

炸药爆轰“热点”起爆机理[1]认为，如果在乳化基质中均匀混入一定数量、直径为0.5～100μm的微小气泡，乳化基质即具有了雷管起爆感度，可稳定爆轰。在基质中混入气泡的过程即是敏化。敏化技术是乳化炸药生产中的关键技术之一，目前国内采用的乳化炸药敏化技术大致可分为机械敏化、物理敏化和化学敏化三大类。化学敏化是利用某些化学物质，如亚硝酸盐、碳酸氢盐等，在特定条件下发生分解反应产生微小气泡，通过机械搅拌混合均匀，使产生的气体在乳化基质中均匀分散，形成爆轰所必须的“热点”，最终达到敏化目的。化学敏化法敏化效果好、成本低，是目前乳化炸药生产中最常用的敏化方法。

目前化学敏化剂的使用方法主要有两种：一种是将敏化剂直接溶于水中配制成水溶液，再按一定的比例在搅拌作用下直接加入到乳化基质中。由于乳化基质是一种W/O的乳状液，油水间的排斥作用使得亚硝酸钠水溶液很难在乳化基质中均匀分散，导致敏化效果不理想；另一种方法是将敏化剂也制成W/O型的乳状液[2]（发泡膏），然后使其与乳化基质相混匀，从而获得气泡均匀分布的成品乳化炸药。这种改进的乳化炸药化学发泡法，利用 W/O型乳状液之间的亲和力，使敏化剂乳状液均匀分布在乳化基质中，从而获得均匀分布的气泡。

微乳液是由两种互不相溶液体在表面活性剂界面膜作用下形成的热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明的分散体系，是一种质点比乳状液分散得更微细的体系[3-5]，其分散相胶团粒径为 10～100nm。近年来，随着微乳液理论的发展，其应用研究也在不断深入。本文研制了一种微乳液敏化剂，利用微乳液所具有的更小的粒径以及更大的比表面积，可以提供给敏化剂更多的与乳化基质接触的机会，使敏化剂更均匀地分布在乳化基质中，从而提高敏化反应的效率和气泡的均匀度，并将其应用于岩石乳化炸药和车制乳化炸药。

1 实验部分

1.1 微乳液敏化剂的配制

1.1.1 试剂与仪器

仪器：电子天平，恒温磁力搅拌器，超速离心机。

试剂：乳化剂A，助剂B，0#柴油，亚硝酸钠。

1.1.2 配制步骤

（1）油相的配制：称取一定量的乳化剂 A、助剂B和0#柴油于烧杯中，混合均匀；

（2）水相的配制：将亚硝酸钠溶解于水中，制成浓度为30%的亚硝酸钠溶液；

（3）在搅拌状态下缓慢地将水相滴加到油相中，直至水相滴加完毕。此时溶液呈黄色透明状，即为微乳液敏化剂。

1.2 微乳液的判定

（1）外观：微乳液呈透明或半透明，澄净，粘度低，而一般乳液不透明，粘度较高[4]。在配制过程中清楚地观察到了溶液由黄色浑浊粘稠状溶液变成黄色透明低粘度溶液，继续滴加水相，黄色透明溶液又变成乳白色不透明粘稠溶液。中间生成的黄色透明低粘度溶液即为微乳液。

（2）离心沉降试验：微乳液经离心机超速离心后依然保持透明，不分层，即使当时分层也可很快恢复；普通乳液为非稳定体系，经离心后分层，且不能恢复[4]。

将制得的微乳液放入超速离心机中以 2 000 r·min-1转速离心1～2min，取出后观察乳液，依然保持透明不分层，证明该乳液为微乳液。

通过外观与离心沉降实验可以证实该乳液为微乳液。

1.3 微乳液敏化剂的应用

将微乳液敏化剂分别应用于岩石乳化炸药和现场混装车制乳化炸药中。为对比敏化效果，将微乳液敏化剂与常规敏化剂进行对比，常规敏化剂是指将亚硝酸钠配制成浓度为20%的水溶液直接加入，控制亚硝酸钠的加入量均为乳化基质质量的0.08%。乳化基质的配方采用现场混装乳化炸药配方和岩石乳化炸药配方。制备好的基质在50℃时加入敏化剂，快速搅拌均匀，比较其敏化速度与敏化效果。

2 结果与讨论

2.1 敏化速度

采用岩石乳化炸药基质配方，测定了不同敏化剂敏化的炸药密度随时间的变化情况，如图1所示。

图1 炸药密度——时间曲线Fig.1 The curve of density vs time of explosion

从图1中可以看出，采用微乳液敏化剂敏化的炸药密度达到1.20g/mL的时间为8min，而常规敏化剂则需15min；微乳液敏化剂敏化反应达到平衡的时间为15min，此时炸药密度为1.12g/mL，而常规敏化剂所需时间为20min，密度为1.18g/mL。表明微乳液敏化剂比常规敏化剂敏化速度快，制得的炸药密度更低。

2.2 对炸药粘度的影响

实验发现，加入微乳液敏化剂后基质明显变稀，而加入常规敏化剂的基质粘度未有显著变化。采用现场混装车制乳化炸药基质配方，对比测定了基质的粘度与炸药的粘度，结果见表1。

表1 不同敏化剂敏化的炸药的粘度（50℃）Tab.1 The viscosity of explosive using different sensitizer（50℃）

从表1中可以看出，微乳液敏化剂可以有效降低基质粘度，这对车制乳化炸药实现可泵送性具有重要的意义。

2.3 显微观察结果

用显微镜观察使用不同敏化剂敏化的岩石乳化炸药中的气泡情况，结果如图2所示。

图2 不同敏化剂敏化的炸药显微照片（×640）Fig.2 Micrograph of explosive sensitized by different sensitizer

从图2中可以看出，对于常规敏化剂敏化的基质，气泡大小不均匀，单位面积内的有效气泡少，而微乳液敏化剂敏化的基质，气泡比较均匀，单位面积内的气泡数量多，敏化效果好。

2.4 机理分析

化学敏化效果的好坏取决于有效气泡的数量、气泡在乳化基质中分布的均匀度以及气泡的稳定性[6]。为了使化学敏化产生均匀分布的有效气泡，必须使敏化剂能均匀地分布在乳化基质中。敏化剂分布不均匀不仅会影响乳化炸药中形成的气泡的尺寸与分布，也会影响其反应效率。

乳化基质是一种W/O的特殊乳化体系，水相氧化剂盐（硝酸铵）被油膜所包覆，直接加入亚硝酸钠水溶液，由于油水间存在排斥作用，不利于亚硝酸钠水溶液在乳化基质中分散，难以达到混合均匀，造成亚硝酸钠在基质中的浓度不均匀，直接导致生成的气泡大小不均。过大的气泡会逸出造成浪费，即使不逸出，过大的气泡（直径大于100µm）也被认为是无效的气泡，不能形成有效的热点，只有直径在0.5～100µm的气泡才是有效气泡。另一方面，混合不均匀也会减少亚硝酸钠与基质的接触机会，影响气泡的生成速度。微乳液敏化剂是一种W/O型微乳液，它将亚硝酸钠水溶液分割成粒径很小的液滴（微乳液通常包含比相同体积常规乳液多1 000倍的液滴），这些小液滴具有与乳化基质相同的 W/O型结构，有利于微乳液敏化剂在基质中均匀分散，这些被均匀分散的小液滴相当于一个个微反应器，使敏化反应能够均匀地进行，生成的气泡就会比较均匀，大小适中；同时这些被分割得很小的液滴具有很大的表面积，大大增加了敏化剂与硝酸铵接触的机会，使敏化反应加快。