改性甘蔗蜡的合成及其在乳化炸药中的应用研究

田国浈，李海彬，马 伟，要志清

(内蒙古生力民爆股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯010300)

0 引言

形成乳化炸药连续相的可燃材料是乳化炸药不可缺少的组分,其质量和性能直接关系到乳化炸药的药态、爆炸性能和稳定性[1]。 油相材料选择得当,不仅能提高爆炸性能和贮存稳定性,而且能降低成本,达到事半功倍的效果[2]。 一般情况下,黏度合适的碳氢化合物均可作为乳化炸药的可燃材料组分。 其选择原则是:既要形成稳定的油包水型乳胶,又要使乳化体系在确定的温度下变得黏稠,不能流动[3]。 这就要求碳质燃料组分具有随着温度的变化能提供不同黏稠度的能力。

目前,乳化炸药专用蜡生产企业有荆门维佳实业有限公司、茂名华奥特蜡厂、南阳石蜡精细化工厂等。 大部分的厂家是以石蜡、地蜡、机油、凡士林和沥青等石油产品为原料进行调配,配方各异,组分较多。 不同来源的商品石蜡和地蜡的内部组成、碳数分布和正异构烷烃含量等均有一定差异,导致乳化效果各异[4-11]。 生产原料均为石油化工产品,属于不可再生产品,随着社会的发展其消耗量剧增。 寻找其替代产品成为目前能源领域研究的重要方向。

笔者采用以异辛醇改性的甘蔗蜡作为乳化炸药的可燃材料,替代价格日益高涨、污染大、不可再生的石油产品,降低了对石油产品的依赖,有效地保护了职工的身体健康。 同时,异辛醇改性的甘蔗蜡具有分子结构简单、界面张力小、组分单一的特点,更有利于乳化炸药的生产和储存。

1 试验部分

1.1 试验试剂与仪器

试验中采用的试剂、仪器和对应的生产厂家见表1、表2。

表1 试验试剂与生产厂家

表2 试验仪器与生产厂家

1.2 酸值和转化率的测定

酸值的测定参照NB/SH/T 0809—2010《天然蜡和合成蜡酸值测定法》[12]进行测定,方法步骤如下:

1)称1 ～2 g 样品,精确至0.001 g,将称重的样品装入250 mL 烧瓶中,再加入40 mL 二甲苯,放在水浴中加热使样品溶解到溶液中,需要不时地摇晃样品。

2)加3 ～5 滴酚酞指示剂,用醇化氢氧化钾标准溶液滴定上述溶液,直到出现持久的粉红色为止,粉红色至少保持10 s,则认为达到滴定终点。滴定过程要一直充分地摇晃,记录消耗的标准碱液的毫升数。

酸值的计算公式为:

式中:A 为滴定试样所需氢氧化钾标准溶液的体积,mL;N 为氢氧化钾标准溶液的浓度,mol/L;B 为所用试样的质量,g。

转化率的计算公式为:

1.3 合成

在装有温度计、分水器的1 000 mL 四口烧瓶中依次加入甘蔗蜡、异辛醇和催化剂,升温至90 ℃,待甘蔗蜡全部溶解后继续搅拌10 min,按照上述方法检测酸值,然后在分水器上安装冷凝管,打开真空泵开始反应,反应结束后将产物冷却至室温并进行酸值测试。

1.4 乳化炸药的制备

制备乳化基质,具体配方见表3。 分别配置油相和水相,油相温度控制在97 ℃左右,水相温度控制在110 ℃左右[13-14]。 调节乳化机转速为1 450 r/min,然后将水相缓慢加入油相中,待水相加入完毕后,继续乳化2 min 即得到乳化基质。

表3 乳化基质的配方 %

将上述乳化基质冷却至52 ℃左右,加入质量分数为2%的玻璃微球,搅拌均匀,即为乳化炸药。

2 结果与讨论

2.1 结构分析

产物结构通过红外光谱分析,具体结果如图1所示。

图1 产物的红外色谱分析

由图1 可见,1 745.2 cm-1处出现的吸收峰为酯C ═O 伸缩振动峰;1 179.6 cm-1处吸收峰为酯C—O—C 对称伸缩振动;1 439 cm-1处羧基—OH吸收峰消失,表明游离酸的羧基全部参与反应生成了酯类化合物。

2.2 异辛醇的用量对转化率的影响

在反应时间为3.5 h、反应温度为210 ℃的条件下,改变异辛醇的添加量,考查异辛醇的百分比含量对反应转化率的影响。 其结果如图2 所示。

图2 异辛醇的质量分数对转化率的影响

由图2 可见,随着异辛醇质量分数的增加,产物的转化率逐渐升高,当异辛醇的质量分数达到3.5%时,产物的转化率达到99.7%,说明甘蔗蜡中的游离酸已经反应完全。 因此,得出异辛醇的最佳质量分数为3.5%。

2.3 反应温度对转化率的影响

在异辛醇添加量为3.5%,反应时间为3.5 h的条件下,改变体系的反应温度,考查温度对反应转化率的影响。 其结果如图3 所示。

图3 反应温度对产物转化率的影响

由图3 可见,当温度升高至170 ℃时,反应开始加速,转化率有明显提升;当温度达到210 ℃时,转化率达到99.7%;继续升高温度,转化率基本保持不变。 因此,得出最佳反应温度为210 ℃。

2.4 反应时间对转化率的影响

在异辛醇添加量为3.5%、反应温度为210 ℃的条件下,改变体系的反应时间,考查反应时间对反应转化率的影响。 其结果如图4 所示。

图4 反应时间对产物转化率的影响

由图4 可见,随着时间的增加,产物转化率快速提高,当反应达到3.5 h 后,产物转化率基本维持不变。 因此,确定该反应的最佳反应时间为3.5 h。

2.5 异辛醇改性甘蔗蜡在乳化炸药中的应用

按照上述方法制备乳化炸药,并对其储存期和爆炸性能进行了试验考查,结果见表4。

表4 乳化炸药的性能测试结果

3 结语

1)采用甘蔗蜡和异辛醇为原料合成了异辛醇改性的甘蔗蜡,产物结构通过红外光谱进行了确认。 以酸值为指标,探讨了最佳的反应温度为210 ℃,最佳反应时间为3.5 h,异辛醇的最佳添加量为3.5%。

2)用异辛醇改性的甘蔗蜡作为可燃材料制备了乳化炸药,考查了该乳化炸药的储存期和爆炸性能。 结果表明:以异辛醇改性的甘蔗蜡制备的乳化炸药储存期达到300 d 以上,爆速、猛度及殉爆指标均满足GB28286—2012《工业炸药通用技术条件》的要求。