油相材料和乳化剂对乳化炸药爆轰性能的影响

徐飞扬，吴红波，夏曼曼，李洪伟，章彬彬，雷 战



油相材料和乳化剂对乳化炸药爆轰性能的影响

徐飞扬，吴红波，夏曼曼，李洪伟，章彬彬，雷 战

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

为研究油相材料和乳化剂对乳化炸药爆轰性能的影响，分别采用乳化剂A-油相C、乳化剂B-油相C、乳化剂B-复合蜡、Span80-复合蜡、T152-复合蜡制备乳化炸药。利用水下爆炸实验获得其冲击波压力——时间曲线，并计算峰值压力、比冲击波能、比气泡能和总能量等水下爆炸能量参数。实验结果表明：由乳化剂A-油相C、T152-复合蜡制备的乳化炸药的比冲击波能、比气泡能和总能量值较高，说明乳化剂和油相材料的种类对乳化炸药的做功能力具有显著影响，且与油相材料相比，乳化剂对乳化炸药的爆轰性能的影响更为明显。

乳化炸药；油相材料；乳化剂；爆速；水下爆炸；爆轰性能

乳化炸药是油包水（W/O）型爆炸性混合物，因其原料来源广泛，生产工艺简单，具有防水、安全、环保和稳定性好等优点，在国内外工程爆破中得到了广泛应用[1-3]。油相材料和乳化剂作为乳化炸药的关键组分，其组分选取得当不仅能降低成本，改善乳化炸药的稳定性，而且还能提高其爆炸性能。褚万伟等[4]研究了复合油相材料的物化性质对乳化炸药殉爆距离、猛度、抗水性能和稳定性的影响；周新利等[5]研究了乳胶基质油相含量对乳化炸药爆炸性能的影响；王道阳[6]等研究表明：将地沟油经化学方法转化成生物柴油，用其制备的乳化炸药与传统乳化炸药相比，其爆速、放热量明显得到了提高；程扬帆等[7]运用水下爆炸法研究了敏化方式对MgH2型储氢乳化炸药爆轰性能的影响；钱海等[8]通过水下爆炸实验研究了铝粉含量和粒径对乳化炸药做功能力的影响。

本文拟采用不同的油相材料和乳化剂制备乳化炸药，通过水下爆炸实验[9-11]表征乳化炸药输出能量特性，定量分析油相材料和乳化剂对乳化炸药爆轰性能的影响，为选择合适的乳化炸药油相材料和乳化剂提供理论指导。

1 实验

1.1 原料

硝酸铵、硝酸钠、复合蜡、乳化剂A（苏州丰倍生物科技有限公司）、乳化剂B（安徽江南化工股份有限公司）、油相C（内蒙古日盛民爆有限公司）、Span-80、T-152、树脂微球（雅化集团三台化工有限公司）。

1.2 炸药制备

乳化炸药配方如表1所示。

表1 乳化炸药配方

Tab.1 Composition of emulsion explosive

按表1称取水相材料，加热溶解至115℃，分别采用乳化剂A-油相C、乳化剂B-油相C、乳化剂B-复合蜡、Span80-复合蜡、T152-复合蜡（以下简称1#、2#、3#、4#、5#）作为复合油相材料且加热熔化至95℃，倒入乳化罐中搅拌2min（搅拌速度1 230r/min）制得乳胶基质，待乳胶基质冷却至60℃，加入树脂微球敏化成乳化炸药。

1.3 实验仪器与测试方法

1.3.1 爆速测试

根据 GB/T 13228-91的规定，选用DDBS-20型多段时间间隔测量仪（测时精度不低于0.1μs，开封市精工仪表厂），采用测时仪法[12]对乳化炸药爆速进行测试。每组样品平均测试2~3次，求其平均值。

1.3.2 水下爆炸测试

水下爆炸法是目前测试炸药做功能力最常用的方法之一，具有实验结果重复性好、实验成本低和可靠性高等优点。水下爆炸测试系统由爆炸水池、药包和测量系统等组成，如图1所示。其中，ICP（Integrated Circuit Piezoelectric）型水下爆炸压力传感器，由美国PCB公司生产，压力量程34.475 MPa，分辨率0.000 7 MPa；HDO4034高分辨率多用途数字储存示波器，由美国力科公司制造，最高采样频率2.5GHz。水下爆炸实验中样品质量为10g球形药包，药包中插入8号工业导爆管雷管，将药包固定在距传感器0.5m处的六角架上，药包中心与传感器的敏感元件保持在同一水平面上。实验时，通过横梁上的行车将六角架放入水池中心水深2/3处（此时来自水面和池底的反射波可以近似相互抵消[13]，同时也可满足冲击波和气泡的测试要求[14]），即水深2.4m处。调试仪器，设置仪器参数，引爆炸药，示波器将记录水下爆炸冲击波压力——时间曲线。通过对波形的分析和处理，可以得到其冲击波相关参数。

图1 水下爆炸测试系统示意图

2 测试结果与分析

2.1 爆速测试结果

乳化炸药制备24h后进行爆速测试，每组测试2次，结果取平均值，结果见表2。

表2 乳化炸药爆速值 （m·s-1）

Tab.2 Detonation velocity of emulsion explosives

由表2爆速测试结果可知：油相材料同为C时，与使用1#制备的乳化炸药相比，2#制备的乳化炸药爆速值提高了11.01%；而油相材料同为复合蜡时，5#制备的乳化炸药与3#、4#相比，分别提高了7.28%、9.14%；而在乳化剂同为B的情况下，3#与2#比，其爆速值却降低了2.1%。该实验结果表明乳化剂和油相的匹配对乳化炸药爆速有显著影响，且乳化剂对乳化炸药爆速的影响较之油相更为明显。

2.2 冲击波参数的计算

本文通过水下爆炸试验中的比冲击波能、比气泡能和总能量等爆轰参数来全面表征炸药的做功能力[15]，并以此来判断油相材料和乳化剂对乳化炸药爆轰性能的影响。

2.2.1 比冲击波能

根据水下爆炸相似率，有效比冲能表达为[16]：

式（1）中：E为有效比冲击波能，J/kg；为测量点到爆心的距离，m；为装药量，kg；ρ为水的密度，取1 000kg/m3；c为水中声速，取1 460m/s；（）为测量点处冲击波压力随时间变化曲线。

2.2.2 比气泡能

比气泡能可用下式计算[17]：

式（2）~（4）中：E为比气泡能，J/kg；t为第1次气泡脉动周期，s；、1都是由给定水池、装药位置和装药量确定的常数；为炸药的质量，kg；ρ为水的密度，kg·m-3；p为测点处的静水压，Pa；T为修正后的气泡脉动周期，s；P为测试时水面的实测大气压，Pa；0为水面标准大气压，取101 325Pa；P为装药深度处的总静水压力，Pa。

2.2.3 总能量

炸药水下爆炸总能量的计算公式[18]为：

式（5）~（7）中：E为炸药试样输出的总能量，MJ/kg；k为药型系数，对于球形药包取k=1，非球形取k=1.02~1.10；为冲击波损失系数（·E为单位质量炸药原本传到水中的冲击波能）；P-J为炸药爆轰C-J压力；0为炸药试样的密度，g/cm3；为水中装药的爆速，m/s。

2.3 水下爆炸测试结果

通过水下爆炸实验得到不同油相材料和乳化剂制备的乳化炸药压力——时间曲线，如图2所示。

结合式（1）~（7），计算得到乳化炸药水下爆炸冲击波参数，如表3所示。

图2 乳化炸药水下爆炸压力——时间曲线

表3 乳化炸药水下爆炸冲击波参数

Tab.3 Shock wave parameters of emulsion explosives

据表3数据，做能量分布图，如图3所示。

图3 乳化炸药能量分配图

由图2和表3可知，油相材料同为C的情况下，1#乳化炸药峰值压力P比2#提高了8.76%；油相材料同为复合蜡时，5#乳化炸药峰值压力与3#、4#相比分别提高了11.01%、6.45%；乳化剂同为B时，2#乳化炸药峰值压力P与3#相比提高了3.1%。在能量方面，2#乳化炸药的水下爆炸能量大于1#；5#乳化炸药的水下爆炸能量比3#、4#分别提高了3.49%、13.08%。由此可知乳化剂和油相的匹配对乳化炸药做功能力亦有显著影响，且乳化剂对乳化炸药做功能力的影响更为突出。1#（乳化剂A-油相C）、5#（T152-复合蜡型）乳化炸药的爆轰参数值高于其他组合，分析认为是其乳化剂与油相材料的匹配效果更佳，乳化剂的乳化效果更好，油相材料在乳化剂的作用下，通过自身的大分子长键结构，经乳化机高速剪切后，使分散相（氧化剂水溶液）与油相材料紧密相连，形成的界面膜的强度较大、紧密程度较高（在乳化工艺、敏化方式、装药直径、药卷直径、约束条件等相同的情况下），从而更利于爆轰波的传递与激发。因此，可以认为乳化炸药的爆轰性能与乳化炸药中乳化剂和油相的匹配密切相关，乳化剂和油相材料选取得当，两者的匹配效果就会更好，对氧化剂溶液的“包裹”作用更加完全，从而提高了乳化炸药成品的爆轰性能。

3 结论

乳化剂和油相材料匹配对乳化炸药爆轰性能有显著影响，乳化剂A-油相 C、T152-复合蜡型乳化炸药的比冲击波能、比气泡能和总能量高于其他3种组合。与油相材料相比，乳化剂对乳化炸药的爆轰性能的影响更为明显，表明选择合适的乳化剂可大大提高乳化炸药的爆速和水下爆炸能量。

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Influence of Oil Phase Materials and Emulsifiers on the Detonation Properties of Emulsion Explosives

XU Fei-yang, WU Hong-bo, XIA Man-man, LI Hong-wei, ZHANG Bin-bin, LEI Zhan

(School of Chemical Engineering, An hui University of Science and Technology, Huainan, 232001)

In order to study the effects of oil phase materials and emulsifiers on the detonation properties of emulsion explosives, emulsifier A-oil phase C, emulsifier B-oil phase C, emulsifier B-compound wax, Span80-compound wax and T152-compound wax were used to prepare emulsion explosive respectively. The pressuretime curves of those were acquired by underwater explosion experiments, underwater explosion energy parameters of peak pressure, specific shock wave energy, specific bubble energy and total energy were obtained by analyzing the curves. Results show that compared with other combinations, the specific shock wave energy, specific bubble energy and total energy of emulsion explosives, whose combination is emulsifier A-oil phase C, T152-compound wax are better, which means that oil phase materials and emulsifiers have significant impact on the work capability of emulsion explosives. With the help of experimental data and theoretical analysis, it can be concluded that the emulsifier has more obvious influence on detonation performance of emulsion explosives than the oil phase material.

Emulsion explosives；Oil phase material；Emulsifier；Detonation velocity；Underwater explosion；Detonation property

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.011

1003-1480（2017）06-0041-04

2017-09-19

徐飞扬(1992-)，男，在读硕士研究生，主要从事含能材料热分析研究。

安徽省教育厅科学研究重大项目(KJ2015ZD18)。