废弃动植物油脂制备膨化硝铵炸药研究

安 东，赵晓辉，叶志文

(南京理工大学，江苏 南京 210093)



废弃动植物油脂制备膨化硝铵炸药研究

安 东，赵晓辉，叶志文

(南京理工大学，江苏 南京 210093)

研究了以废弃动植物油脂为原料制备膨化硝铵炸药, 调节出的膨化硝铵炸药生物复合油，具有同膨化硝铵炸药复合燃料油相近的物理性能:针入度(0.1 mm) 71.3, 运动黏度5.51 mm2/s, 滴熔点55.3℃。用其所制备的膨化硝铵炸药的爆速为3350 m/s, 殉爆距离为6 cm, 猛度为14.1 mm, 此爆炸性能符合《WJ9026-2004膨化硝铵炸药》的要求，且具有低成本、合适的理化性能, 能够满足膨化炸药爆炸性能的同时, 使我国问题繁多的“地沟油”得到了资源化利用, 具有良好的经济及社会效益，变废弃油脂作为理想的可燃剂。

膨化硝铵炸药；地沟油；爆炸性能；生物复合油

1　引言

作为工业炸药重要的种类之一的膨化硝铵炸药，因其广泛的原料来源、简洁地制造工艺及安全性好等优点，被广泛地使用于井下无水爆破工程及露天矿山中。膨化硝铵炸药组分中含有4%的复合油相材料作为可燃剂，随着石化产品价格大幅攀升，直接导致工业炸药成本不断上升，因此，亟需开发一种产品来替代石油产品制的工业炸药复合油相，可有效地降低膨化硝铵炸药生产企业的负担。

废弃的动、植物油脂及餐厨垃圾油(俗称“地沟油”)用其主要原料制备成工业炸药用生物复合油，并辅之以高热值并具有催化活性的材料有机构成，应用到工业炸药中，不仅保证了工业炸药专用生物复合油生产的工业炸药产品的性能，而且使工业炸药产品的生产成本明显降低，以实现可持续发展。

目前，膨化硝铵炸药油相材料一般用复合蜡、微晶蜡、石蜡、松香、地蜡、柴油、机油等调配组成。选择膨化硝铵炸药复合油相材料的要求是：①能提高炸药的爆炸性能；②要有合适的稠度，成膜性能好，与硝铵颗粒具有较强的附着力；③滴熔点50 ℃左右； ④燃烧热值要高；⑤与炸药组分无化学反应，相容性和热稳定性好；⑥无机械杂质。笔者所研究的地沟毛油与上述的膨化硝铵炸药通常所用的各种石油燃料具有相近的热值、较好的铺展性能及防水性能。通过配方的改善，以其为基础可调节制备出同膨化硝铵炸药复合燃料油具有相近的滴熔点、针入度、运动粘度的膨化硝铵炸药生物复合油，且价格低廉, 将其应用于制备膨化硝铵炸药油相材料,对于拓展膨化硝铵炸药复合油原料范围具有重要意义。

2　实验部分

2.1试剂与仪器

材料：硝酸铵(工业级), 十八烷胺乙酸盐, 地沟毛油及煎炸老油(一种废弃食用油脂，过滤除杂)； 仪器：LHP-250 型恒温恒湿培养箱，HY-2 调速多用振荡器，差示量热分析(DSC)。

2.2实验过程

2.2.1膨化硝铵炸药复合油相的制备

将按比例称量的地沟毛油、煎炸老油加热到熔化, 继续升温到120 ℃,在低速下恒温搅拌60 min,冷却到常温制得产品。

2.2.2膨化硝铵炸药的制备

以质量分数计。按原料组合的百分比-地沟毛油38%、煎炸老油57%、表面活性剂4.5%、抗氧剂0.5%，计量取料，使其配比之和达到100%；将地沟毛油、煎炸老油组分置于反应釜中在110～120 ℃之间加热熔化，并在转速120～400 r/min 下搅拌均匀，加入表面活性剂及抗氧剂，搅拌均匀，冷却保温105～110 ℃待用。在质量分数为85%～91%的硝酸铵溶液中加入质量分数为0.1%～0.15%的膨化剂，在溶液温度为25～130 ℃、压力为-0.080～-0.095 MPa 下减压蒸发结晶10～15 min，制得水分含量小于0.1%，具有轻质多孔结构的膨化硝酸铵。将92%膨化硝酸铵、4%木粉同4%的生物复合油在70～80 ℃下混合搅拌均匀，冷却至45 ℃以下，即为膨化硝铵炸药。

2.2.3膨化硝铵炸药吸湿性测试方法

膨化硝铵炸药吸湿率的测试采用LHP-250型恒温恒湿培养箱。实验条件为：实验温度30±0.5 ℃，实验湿度70±1%及90±1%。

2.2.4膨化硝铵炸药吸湿率的测试步骤

①打开恒湿恒温培养箱，设置其实验温度与实验湿度。②用分析天平准确称取一定质量的样品放于一次性塑料杯中。③将样品在培养箱中恒温一定时间，用分析天平测试样品的重量，并求出样品的吸湿率。

2.2.5膨化硝铵炸药的流散性测试方法

将定量样品放置于一定规格的漏斗中，然后在一定振动频率的振动筛上进行振动实验，测定样品完全流下的时间，通过流散时间来比较不同样品流散性的相对优劣采用HY-2 调速多用振荡器测试炸药的流散性。

2.2.6膨化硝铵炸药流散性的测试步骤

① 确称取50 g炸药样品，放于漏斗之中。② 打开振荡器，并调节其频率，使炸药顺利从漏斗中流下，同时用秒表测试其完全流下的时间。

3　结果与讨论

3.1复合油组分含量的影响

根据馏程、针入度及运动粘度等参数确定了调合复合油组分，通过探索试验,得出初始配方中各种原料的适宜配比范围为:地沟毛油60%、煎炸老油40%，并且选择十八烷胺乙酸盐C18H37NH3+COO-作为表面活性剂，不仅可以增强炸药的防潮、防结块能力，而且可以提高氧化剂-可燃剂反应界面，从而提高膨化硝按炸药的爆炸性能，研究中的表面活性剂的在油中的添加量为4%左右。同时，在配方中添加少量复合抗氧剂以延缓或抑制油脂氧化过程的进行，阻止油脂的酸败或老化。在确定初始配方的基础上, 分别考察了二组分比例的变化对产品质量的影响。性能影响见表1。

表1　煎炸老油含量对新型复合油性能的影响

从表1可见, 随着煎炸老油含量的增加, 新型复合油的针入度、运动黏度、滴熔点都略有增加, 但都基本影响不大。 保持煎炸老油用量不变, 改变地沟毛油用量, 性能影响见表2。

表2　地沟毛油含量对新型复合油性能的影响

从表2可见, 随着地沟毛油含量的增加, 新型复合油的针入度有所降低, 滴熔点稍许升高, 但基本影响不大, 含油量规律增长, 运动黏度降低缓慢，从两表中3个油品性能指标来看，目前选择地沟毛油∶煎炸老油=40∶60 为基本配方。

从生产经验来看，用于膨化硝铵炸药的复合油，不仅应考虑其在硝铵表面的铺展性、防吸湿性、膨化硝铵微孔的吸附性及便于成品油包装的成型性，更重要的是确保用其制成的膨化硝铵炸药产品的爆炸性能、装药密度、贮存性能及流散性，因此，根据研究，确定膨化硝铵炸药生物复合油基本配方为：地沟毛油38.5%、煎炸老油57%、表面活性剂4 %、抗氧剂0.5%。

3.2膨化硝铵炸药的制备及其应用

3.2.1膨化硝铵炸药爆炸性能

将生物复合油制备的膨化硝铵炸药爆炸性能测定如表3。通过膨化硝铵炸药爆炸性能来看，以废弃动植物油脂制备的膨化硝铵炸药生物复合油符合《WJ9026-2004 膨化硝铵炸药》标准的要求，可作为膨化硝铵炸药理想的可燃剂。

表3　生物复合油制备的膨化硝铵炸药爆炸性能

3.2.2生物复合油型膨化硝铵炸药的吸湿性

由于硝酸铵极性分子极易以静电引力和氢键形式同空气中的水分子结合，因而，硝酸铵有强烈的吸湿性，在一定程度影响了硝铵炸药的爆炸性能；膨化硝铵炸药传统复合油容易在硝酸铵晶体表面铺展成膜，有效地改善了膨化硝铵的防吸湿性，因此，主要研究生物复合油取代传统复合油作为膨化硝铵炸药可燃剂的防吸湿性能。

(1)膨化硝铵炸药的吸湿性可以用吸湿率来表示。比较相同条件下不同样品的吸湿率的值，即可看出膨化硝铵炸药吸湿性的变化情况，吸湿率计算公式如下：

HR=(B-A)/A×100%

其中：HR为膨化硝铵炸药的吸湿率(%)；B为吸湿后膨化硝铵炸药的质量(g)；A为干燥膨化硝铵炸药样品的质量(g)。

(2)膨化硝铵炸药吸湿性测试方法。 采用上述生物复合油及传统复合油制备的膨化硝铵炸药的吸湿率与时间的变化关系如表4所示。

表 4　二种膨化硝铵炸药的在不同湿度环境的吸湿率

注：25℃下测试

表4结果表明，经过表面活性剂处理的生物复合油，表面活性剂分子中的极性基团与硝酸铵分子中的离子相结合，而非极性基团同生物复合油紧密相连，在膨化硝铵表面形成了一层致密的憎水薄膜，这层薄膜有效地阻止了外界水分子与硝酸铵分子的接触。因此，用生物复合油制备的膨化硝铵炸药同传统复合油制备的膨化硝铵炸药一样，具有较低的吸湿性。

3.2.3生物复合油型膨化硝铵炸药的流散性

流散性是粉状物质的一种属性，反映了粉状物质是否容易流动、受力后容易飞溅的程度，它是粒子表面状态、表面特性和晶体形状的最直观的反映。流散性的好坏是影响膨化硝铵炸药炸药使用的一个主要因素。

在膨化硝铵炸药的发展过程中，出现了某些必须要改进的问题，由于氧化剂膨化硝铵的轻质多孔，可燃剂由柴油、复合蜡制成的传统复合油密度低、凝固点低、粘度高，两方面原因造成了膨化硝铵炸药装药密度低和流散性差的缺陷，给生产和使用带来了不便。由于油品密度增加，生物复合油改善了膨化硝铵炸药装药密度，在此笔者主要对生物复合油对膨化硝铵炸药流散性影响进行研究。

采用上述生物复合油及传统复合油制备的膨化硝铵炸药的流散性与时间的变化关系如表5所示。

表5　二种膨化硝铵炸药流散时间测定结果(s)

从表5可以看出，生物油膨化硝铵炸药比传统复合油膨化硝铵炸药流散性有明显的改善，主要因为传统复合油含有大量的轻柴油，凝固点高，药态较粘，密度较低，而生物复合油具有较低的凝固点，较高的密度，用其制备膨化硝铵炸药相应地具有相对较好的流散性。

3.2.4生物复合油型膨化硝铵炸药热安定性。

将工业炸药生物复合油制备的膨化硝铵炸药进行差示量热分析(DSC)，考察其热安定性。 差示扫描量热测定时记录的热谱图称之为DSC曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差dH/dt，也称作热流率，单位为毫瓦(mW)，横坐标为温度(T)或时间(t)。一般在DSC热谱图中，吸热(效应用凹起的峰值来表征，放热效应用反向的峰值表征(图1)。

图1生物油膨化硝铵炸药DSC图

4　结论

(1)采用以地沟毛油38.5%、煎炸老油57%、表面活性剂4 %、抗氧剂0.5%为生物复合油相材料，制备的膨化硝铵炸药，符合《WJ9026-2004 膨化硝铵炸药》的要求，具有良好的爆炸性能。

(2)膨化硝铵炸药生物复合油具有同膨化硝铵炸药复合燃料油相近的滴熔点、针入度、运动粘度，所制备的膨化炸药爆炸性能良好，具有较低的吸湿性、流散性以及较高的热稳定性，炸药安全性能优异。

(3)生物油相材料的研究和生产能一定程度上减少了民爆行业对石油产品的依赖性，缓解废弃生物油脂对环境污染，具有较好的社会和经济效益。一定程度上,使问题繁多的“地沟油”得到了资源化利用。

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Study on Preparation of Expanded Ammonium Nitrate Explosives From Waste Vegetable Oils and Animal Fats

An Dong, Zhao Xiaohui, Ye Zhiwen

(SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

In this paper, we studied the feasibility of preparing special bio-composite oil from waste animal and vegetable oil for expanded ammonium nitrate explosive. By improving the formulation, ammonium nitrate explosive bio-composite oil that had similar drop melting point (0.1mm) 71.3, penetration 5.51 mm2 /s, kinematic viscosity 55.3℃ with expanded ammonium nitrate explosive fuel oil compound can be prepared. The performance of expanded ammonium nitrate explosive prepared from the bio-composite oil could accord with requirements of WJ9026-2004 Expanded Ammonium Nitrate Explosive. The performance of expanded ammonium nitrate explosives could be satisfied by low cost, appropriate physical and chemical properties, meanwhile, the problem of “gutter oil” could be solved and we could make them reused. So the bio-composite oil could be used as an ideal flammable agent for expanded ammonium nitrate explosive.

ammonium nitrate explosive; gutter oil; explosive performance; bio-composite oil

2016-07-08

安东(1986—)，男，博士，主要从事工业炸药研发研究工作。

叶志文(1969—)，男，教授，主要从事工业炸药研发研究工作。

TQ 560

A

1674-9944(2016)16-0264-04