乳化炸药微观结构及性能影响分析

2020-01-12胡建钢童钟文

化工设计通讯 2020年11期

彭婷，胡建钢，童钟文

（江西省民用爆炸物品质量监督检测中心，江西新余 338034）

乳化炸药是工业上常用的炸药，是工业上应用最广泛的炸药之一，也是性能最突出的炸药之一。规模化生产的大量炸药基本可以满足我国不同爆破工程的需要。为了更高效地生产乳化炸药，我国发达城市的企业通过引进连续化、自动化生产技术，对乳化炸药的生产工艺进行研究，大大提高了产量。但是随着生产效率的提高，由于人员对生产线的危险因素认识不足、材料和设备的不确定状态和安全管理缺乏等原因，造成企业设备、人员生命财产损失的事故增加。本文分析了某炸药生产线原材料的风险因素，并提出了相应的解决方案，以提高员工对风险因素的有效理解，规范员工活动，提高安全水平。

乳化炸药是借助乳化剂的作用，使氧化剂盐类水溶液的微滴，均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成一种油包水型的乳胶状炸药。乳状炸药是一种新型的工业产品，最早开发于1970年。经过三十多年的发展，乳化炸药的结构和性能发生了重大变化。鉴于水性炸药中的乳化炸药已得到广泛的应用，因此研究乳化炸药具有重要的现实意义。

1 乳化器的爆炸原因

1.1 乳胶基质具有爆炸性

在高温、高压、密闭的环境下，因受到微细气泡、固体杂质、氯化物的影响，乳胶基质会变得异常敏感。据调查，我国大部分乳化炸药中的乳胶基质在100℃高温下皆带有雷管的装置，雷管爆炸的传播直径仅为30mm；在正常状态下，如果装药的直径达到100mm，即可被8号雷管引爆。此时的乳胶基质已经变成易爆炸品，受到极大冲击力或长期摩擦作用时，易发生分解、燃烧、爆轰，扩大了危险性。

1.2 热点形成

乳化器热点形成的主要因素如下：设备的定转子空隙变小产生碰撞，在摩擦力的作用下热量增加，因而形成热点；设备的内部结构缺乏科学的设计，水油相溶液受到强大机械剪切作用下，机械能会发生转化，变为热能；因保温系统发生故障，使得硝酸铵在乳化器中结晶；外部硬质的杂物或者结构的松动进到设备腔体中，引发巨大的摩擦力，因而形成了热点；乳化器中进入一定的空气，在机械运行过程中气泡被压缩。

2 内相粒子对乳化炸药的性能的影响

乳化炸药W/O 结构的形成过程与内部颗粒的大小和分布密切相关。乳化炸药的W/O 结构形成是一个乳化过程。在这一过程中，由于乳化剂的机械和化学作用，水可以迅速地分离和分散，水滴被乳化剂迅速包围。乳化液如果没有机械效应，不可能形成微滴，因此，乳化炸药中颗粒的内相分布取决于机械效应的强度和乳化剂的种类和用量。

3 界面膜的作用及对性能的影响

乳化炸药的稳定性取决于内部颗粒的大小和分布。内相颗粒越小，分布越均匀，稳定性越好。其次，内颗粒的大小也影响乳液的黏度，内相的粒径越小，乳状液黏度越大，粒径分布越小，水相与油相的接触面越大，氧化剂与还原剂的距离越小，对于爆炸反应的加热和扩散、爆炸速率的增加有明显的提高。

3.1 界面膜在微观结构中的作用

加入乳化剂后，界面效应减弱，表面吸附在界面上形成界面胶片。界面膜能保护分散相液滴，防止棕烟影响下液滴的积聚，界面膜的分解导致液滴和乳液的聚集不稳定。因此，界面的机械孔是决定乳液稳定性的一个重要因素。当乳化剂浓度较低时，吸附在界面上的分子会变小，当乳化剂的浓度达到一定水平时，靶向吸附界面上会有更多的分子，它们会紧密地排列在一起，所以界面膜的作用非常大，决定了乳化液的稳定性。大量事实表明，保证乳化效果的主要因素是有足够的乳化剂，而乳化剂的结构也影响乳化剂的效果。

3.2 界面膜对性能的影响

界面膜的性质决定了乳化剂对乳化炸药的作用。只有制造出高质量的界面层，才能使乳化炸药的质量保持良好，内部相颗粒保持细小均匀，可以使内部结构更加稳定，爆炸效果更加显著理想。油水界面膜中的乳化分子位置足够好，机械强度达到一定的标准，才能保证乳液的稳定性。为了提高乳液的稳定性，必须提高界面膜的强度和厚度。

4 油膜的作用及其对性能的影响

油膜由油相结构组成，存在于界面膜之间。它在整个乳化液系统中相互连接可以相互流动。油膜是一个外部连续的整体，在微观结构中起着重要的作用。首先，油膜可以与乳液分子的亲油性侧吸附，为了提高界面膜的强度，应充分利用油膜与亲油性乳化剂之间的相互作用。油膜中的长链冷却液和乳化剂的亲油性部分可以形成一种特殊的网络结构，能够有效地阻止内相的结晶，保护内相粒子。它不仅能防止外界水的侵蚀和淋溶，而且能有效地防止内相氧化盐消融在外水和自身水源中。黏度损失也与油膜的黏度密切相关，且呈非常正相关。油膜的流动可以促进乳化炸药与内相颗粒的滑动接触，提高其韧性，降低相对阻力，显著降低乳化炸药的摩擦系数和硬度。其次，油膜厚度对爆炸等级也有影响，内相每一粒子都有一个最佳的厚度。当油膜厚度低于最佳厚度时，内相气化爆炸形成的小液滴不会特别致密，直接导致炸药燃烧不足或氧化过度物质，因此，炸药的速度和强度将大大降低。

5 危险有害因素分析

5.1 硝酸铵的燃烧爆炸危险性

硝酸铵是一种很容易失去电子的化学物质，因此，它经常被用作氧化剂来制造工业产品。大约70%的乳化炸药由硝酸铵生产，硝酸铵属于弱爆炸性物质，具有刺激性和助燃性。尽管硝酸铵初始对传播效应非常不敏感，对机械效应也不敏感，但当发生爆炸时，产生的冲击波可能引起周围爆炸性物质爆炸，导致重大安全事故发生。因此硝酸铵的运输和使用必须注意预防措施，避免爆炸。

预防措施：建立专用储存库并分类存放，安排专人保管物料，在库房内设置通风装置进行通风换气，对油相物料和硝酸铵进行隔离，防止生产过程中发生剧烈碰撞。确保硝酸铵输送螺杆除铁装置与制备水相不储存过夜。

5.2 硝酸铵的腐蚀性和毒性

硝酸铵在室温下是一种具有腐蚀性和毒性的溶液，其腐蚀性会腐蚀设备和基础设施。硝酸铵对人体皮肤、眼、鼻、喉等有强烈刺激作用。大量吸入硝酸铵可引起恶心、呕吐、头痛、疲劳等症状。过量接触还可能导致高铁血红蛋白，口服可引起剧烈腹痛和呕吐，严重者可引起血便、休克或全身抽搐。同时硝酸铵在加热过程中容易分解，溶解的氮氧化物可能导致爆炸。

预防措施：采取隔离措施，防止硝酸铵的腐蚀。可对员工进行培训，规范防护用品的使用，设备外部进行防锈涂层以及工业生产采用不锈钢材料，设备操作人员应使用手套、工作服等防护用品，防止直接接触硝酸铵。如果意外接触，应及时送医院治疗。

5.3 油相材料和敏化剂

乳化炸药中的乳化剂含有多元醇脂肪酸及其加合物，可与复合蜡混合。复合蜡是低成本乳化炸药的一种特殊油相材料，具有多种乳化效果，乳化剂凡士林作为石油产品，可溶于各种有机溶剂，具有良好的抗氧化性能。珍珠或玻璃常被用作工业上的感光剂，无毒无味但易碎。

预防措施：油相物料按可燃物处理，存放于阴凉通风处。不得与其他氧化剂一起储存并远离火源，对于致敏物质，在运输过程中应检查药品的密封情况，以防泄漏和碰撞。

6 乳化炸药乳化器安全预防策略

6.1 加强设备管理

第一，规范生产标准。相关企业应当清晰乳化器的生产、设计标准，统一所有的安全工艺参数，建立专业的生产设备检验部门，对出厂设备与新定型的乳化器安全运行的时间进行检验；认真审核设备的生产企业条件与关键岗位人员的资质，并加强对生产过程的监管力度。第二，加强维护与保养。建立健全的设备维护与保养制度，认真落实检修期间的安全规定，确保设备、人身的安全性；定期更换易损配件，保证原厂生产；明确划分管理部、应用部的职责范围，认真执行检修计划；积极做好设备的平常维护与开班前的检查；强化生产过程的巡查力度，以免应用中产生超负荷的运转。第三，加强生产管理。实时清除水相制备混入的杂质，以免异物混进乳化器；开机前进行热水保温，实时清除生产漏药；强化停机时的清洗工作，认真执行安全操作规程。

6.2 增强安全连锁性能

我国乳化炸药的制作工艺基本达到了自动化、信息化要求，且安全连锁性能也得到较大改善，可是还存在某些不足，无法满足工业安全生产的需求。安全连锁的控制系统必须具有自动存储、记录，智能验证信息的性能，同时，具有自动进行信息的提示、停止运行的报警性能。安全连锁的试验必须确保模拟控制技术的准确性、及时性、可靠性，并与系统相匹配。此外，不可带有危险物料展开试验，可应用达到要求的水、油展开试验。

6.3 加强振动监测

生产乳化炸药期间，乳胶基质决定了成品的质量。为了提升乳化炸药的质量，必须增强乳化器的乳化性能。乳化器主要用来搅拌，伴随乳化性能的提升，搅拌的复杂性与转速也会变大，扩大了乳化器运行中发生机械故障的危险性。所以，需要设置相应的振动监测系统，以便对乳化器的运行进行状态监测。万一出现轴承损坏、混有杂质等情况，立即连锁停机处理，为乳化炸药的安全生产带来保障。