爆炸物中炸藥成分滲出機理

孟祥堯, 邱志明,2

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爆炸物中炸藥成分滲出機理

孟祥堯1, 邱志明1,2

(1. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 2. 海軍裝備研究院, 北京, 100073)

爆炸物中炸藥成分的滲出機理研究是開展爆炸物化學痕量檢測技術的基礎。根據爆炸物滲出的主要化學成分、滲出到環境中的途徑以及在聚合物材料中溶解–擴散–解吸的基本微觀過程, 對爆炸物中炸藥成分的滲出機理進行了初步的理論分析, 并基于Fick定律建立了滲出的基本數學模型。研究表明, 該理論研究可有效彌補試驗研究的不足, 可為后續化學探測的研究提供依據。

爆炸物; 化學成分; 滲出機理

0 引言

陸上或水下的爆炸物, 包括地雷、水雷、戰爭中使用或遺留的爆炸物[1],都嚴重威脅到人類的生命安全, 而其內部炸藥的泄漏還會污染人類的生活環境。由于這些爆炸物的隱蔽性, 其探測和清除具有一定的難度, 如何快速并準確地找出這些隱蔽爆炸物一直備受各國關注。研究表明[2-4], 爆炸物會通過不同的途徑釋放含有炸藥相關成分的氣體。這些氣體會隨周圍的環境(如風、土壤和水)傳播, 因此通過對環境中炸藥分子的化學檢測, 可以發現并定位爆炸物。

這種通過檢查環境中的相關炸藥成分進行爆炸物探測的方法稱為化學痕量檢測,比較常用的檢測技術有離子遷移譜法、熒光分析法、電化學法、表面聲波法等[5], 由于該方法具有靈敏度高、識別性強等一些優點, 越來越受到人們的青睞,并得到廣泛的應用[6]。

在爆炸物的化學痕量檢測中, 炸藥成分的滲出是影響檢測的幾個關鍵過程之一, 滲出的量和速率直接影響其在周圍環境中的傳播、變化和反應, 進而影響對爆炸物的檢測以及檢測方法的研究。通過對炸藥的滲出機理進行研究, 將有利于促進爆炸物化學痕量檢測技術的發展。

1 研究現狀

目前爆炸物中化學物質滲出的研究對象主要集中在陸上的爆炸物, 如未爆的炸彈、地雷等。文獻[7]對多種類型的地雷所滲出的化學物質進行了檢測, 得到了4種主要的成分: 三硝基甲苯 (TNT)、二硝基甲苯(DNT)、二硝基苯(DNB)和黑索金(RDX), 并對這些物質的滲透量進行了試驗測量。文獻[4]中通過試驗測量了幾種不同地雷炸藥成分的滲出通量, 并通過這些試驗研究了地雷大小、殼體材料與環境等因素對滲出的影響; 文獻[8]通過使用與幾種地雷相同的殼體材料進行試驗, 得到了幾種炸藥成分的擴散通量, 給出了相關炸藥成分在這幾種材料中的溶解度和擴散系數, 并圍繞這些試驗對擴散的相關方面進行了研究; 文獻[9]中對4種反步兵地雷進行了整雷的滲出測試, 并利用殼體材料的試樣研究了土壤濕度對滲透的影響。

目前針對此方面研究所得的數據和研究結果基本都是通過有限的試驗所得, 但由于爆炸物的種類繁多以及實際條件的限制, 很難對每種爆炸物都進行化學物質滲出的試驗, 試驗研究工作十分有限。因此, 有必要從理論上對爆炸物中化學物質的滲出機理進行研究, 分析TNT等炸藥成分在不同材料中的滲出和擴散特性, 為研究爆炸物化學痕量檢測技術提供數據基礎, 促進爆炸物探測系統的發展。

2 爆炸物中炸藥成分的滲出機理

對爆炸物中炸藥成分的滲出機理進行理論研究, 首先需要對爆炸物中滲出的化學成分、滲出的途徑以及滲出的基本過程有所了解。

2.1 爆炸物滲出的主要化學成分

清楚地知道爆炸物滲出的炸藥成分, 不僅是炸藥滲出研究的前提, 更是利用化學痕量檢測爆炸物的關鍵。爆炸物大多使用TNT或RDX作為炸藥主要成分。但是由于制造、炸藥本身以及環境等因素的影響, 還可能含有其他相關的化學成分。文獻[7]通過氣相色譜法對多種類型的地雷和未爆炸彈藥所滲出的化學物質進行了檢測, 得到了4種主要的成分: TNT, DNT, DNB和RDX, 并對這些物質的滲透量進行了試驗測量。文中結論表明, TNT是最主要的特征化學物質, DNT和DNB作為TNT制造過程中的雜質, 同樣可以給爆炸物的探測提供依據。另外, 在炸藥成分滲出后一般不可能立即探測到, 通常要經過環境的傳播, 在傳播過程中可能會產生其他降解產物[10]。

2.2 炸藥成分擴散到環境中的途徑

爆炸物的炸藥成分從內部擴散到環境中的過程, 與爆炸物的殼體以及密封有著直接的關系。爆炸物的殼體種類繁多, 有金屬殼體的, 也有非金屬殼體的。金屬殼體常使用的材料有碳素鋼、防銹鋁合金、專用鑄造鋁合金等, 而非金屬殼體使用的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和玻璃鋼等等。在爆炸物連接和有開口的部位一般都需要密封, 密封件主要使用橡膠材料, 包括有丁腈橡膠、天然橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠及共混膠等[11], 其中丁腈橡膠(NBR)使用最為廣泛。

炸藥成分擴散到環境中一般有以下幾個途徑。

2.2.1 殼體的滲透和泄漏

炸藥成分一般通過殼體滲透和泄漏滲出。滲透是指炸藥成分通過爆炸物的殼體擴散出來的過程; 而泄漏是指通過殼體上的物理開口或裂縫釋放出來的過程。對于非金屬殼體的爆炸物, 炸藥成分比較容易通過殼體滲透擴散到環境中, 因為常用的塑料、橡膠類材料結構疏松, 微觀孔隙較大, 易于氣體分子向內擴散; 而金屬外殼的爆炸物, 由于結構致密, 通過殼體滲透出來的化學物質極少, 基本可以忽略。

炸藥成分在殼體中的滲透擴散在一段時間后是可以達到穩定狀態的。擴散速率主要受殼體材料的影響, 通常用炸藥分子在材料中的擴散系數表示, 炸藥在不同材料中的擴散速率是不同的。

2.2.2 密封處的滲透

對于金屬殼體的爆炸物, 由于通過殼體基本沒有炸藥分子的滲出, 因此可能的途徑就是通過連接或開口的密封處滲出。密封處一般都會用到“O”型密封圈或墊圈等進行密閉, 這些密封件的材料基本都是由聚合物材料制成, 因此從密封處可能并相對容易有炸藥分子滲出。

2.2.3 爆炸物表面殘留的炸藥成分

除了從內部滲出炸藥成分, 爆炸物的外表面也會殘留部分炸藥成分。因為爆炸物在制造、安裝和儲存時, 都有可能暴露在含有炸藥分子的環境中, 因此殼體表面的聚合物涂料會吸附一些炸藥成分。而在投入使用后, 表面涂料中的炸藥成分就會釋放到環境中。文獻[12]中的試驗表明, 暴露在TNT氣體中的涂有涂料的金屬會吸附TNT, 然后在移除來源后的幾天內會向環境中不斷的釋放TNT。相對于從內部滲出的炸藥成分, 爆炸物表面殘留的炸藥成分量小并且釋放時間短。

2.3 炸藥分子在聚合物材料中的滲透

從炸藥成分擴散到環境中的途徑可以看出, 炸藥成分通過聚合物材料的殼體和密封件滲透出來是主要并且持續的途徑, 因此需要針對炸藥在聚合物材料中滲透的基本過程進行分析。

炸藥成分要從爆炸物內部擴散到環境中, 首先需要爆炸物內部的炸藥成分被殼體或密封件吸附并溶解。溶解在聚合物中的化學物質的量叫做溶解度。溶解在聚合物材料中的炸藥分子在濃度差或壓力差的推動下, 通過孔穴或分子間的空隙穿透過去, 不斷的向低濃度的地方移動。化學物質穿過聚合物的速率是由擴散系數決定的。最后, 炸藥分子再從爆炸物外表面通過解吸脫離到周圍的環境當中。整個溶解–擴散–解吸的微觀過程就是滲透的一般機理。在滲透的過程中, 材料的溶解度越大, 溶解在材料中的量越大, 相應的滲出就會越明顯; 擴散系數越大, 物質在材料中的擴散速率越快。由此可見, 溶解度和擴散系數是整個過程中重要的2個參數。

3 研究方法

一般研究都采用理論研究和試驗研究2種研究方法, 由于爆炸物中炸藥成分的滲出在試驗研究方面相對困難, 因此, 理論研究十分必要。理論研究需要對炸藥成分滲出的整個溶解–擴散–解吸的微觀過程進行研究, 并建立相應的數學模型, 以便了解滲出過程的具體機理。

3.1 溶解和解吸

在溶解和解吸過程中, 溶解度是十分重要的一個參數。文獻[8]中通過試驗測量了一些爆炸物殼體材料中TNT、DNT和DNB的溶解度, 在低密度聚合物和橡膠中比在高密度的材料中溶解度更高。在溶解與解吸過程中通常用溶解系數來衡量溶解度的大小。如果已知溶解一端的分壓, 用來表示, 則根據亨利(Henry)定律, 聚合物中炸藥分子的濃度與其分壓成正比關系, 即

另外對于溶解和解吸這2個過程, 也可根據相際傳質相關理論(例如雙膜理論、表面更新理論等)中的傳質系數來進行分析研究。

3.2 擴散

擴散是整個滲透過程中的重要過程, 擴散系數是擴散的重要參數, 直接反映了某物質在某材料中的擴散特性, 擴散系數越大, 擴散現象越容易發生。聚合物的性質、擴散物的性質、溫度以及聚合物中交聯、增塑劑和填充物都影響著物質在聚合物中的擴散系數。氣體在完全無定形聚合物中的擴散基本上遵循自由體積模型, 它是由Cohen和Turnbull提出的, Fujita首先將它應用到氣體在無定形橡膠聚合物中, 其簡單理論關系為

其中,為擴散系數。此表達式適用于穩定狀態下的擴散, 擴散不隨時間變化, 并且一般為常數。

當需要描述非穩定狀態下的擴散過程時, 就需要使用Fick第2定律, 它考慮了在某一位置的擴散物濃度變化的速率, 表達式為

其中,不受位置、時間和濃度的影響。

有的聚合物與擴散物之間有比較強的相互作用, 因此擴散系數會與濃度有關[14]。此時, Fick第2定律變為

為了便于求解分析, 常常將其變為以下形式

在試驗中測量擴散系數時, 在較小的濃度變化范圍上比較難測得擴散系數隨濃度的變化, 因此, 常使用一定濃度范圍上的平均擴散系數或稱作積分擴散系數, 表達式為

文獻[8]中通過試驗驗證了TNT與幾種聚合物(LDPE, HDPE, PS, PP和PVC)之間存在較小的相互作用, 其主要來自于分散力, 并且其擴散符合Arrhenius關系。但TNT在這幾種聚合物中的擴散是否符合菲克擴散需要進一步研究。

3.3 聚合物材料中滲透的基本數學模型

在不考慮實際爆炸物的結構及密封方式的前提下, 對典型的1D平板的擴散可建立如圖1所示的數學模型, 由圖1可知, 炸藥分子從左邊溶解入平板內, 經擴散至右邊解吸到環境中, 假設擴散過程符合菲克定律, 擴散系數不隨濃度的變化而變化。

對于如圖1所示的平板滲出模型, 有

由此可以得到炸藥分子通過聚合物材料的滲透量的理論計算值, 在未進行試驗的情況下對爆炸物中炸藥成分的滲出有一定的了解。

3.4 試驗研究

在針對真實的爆炸物進行試驗研究時, 可通過在空氣中、水中、土壤中等不同環境介質以及不同溫度、濕度等環境條件中對爆炸物的炸藥成分滲出進行詳細的試驗研究, 以獲取更真實的試驗數據。另外也可通過制作模擬裝置研究爆炸物局部以及關鍵部位的滲出[9], 例如非金屬爆炸物的殼體、密封處的密封件等。

有了一定試驗研究數據后, 不僅可以驗證理論研究的相關結果, 還可以通過試驗數據的分析更好地推動相關理論的研究和發展。

4 結束語

本文闡明了爆炸物中炸藥成分滲出研究的重要性, 并通過對國內外研究現狀的介紹提出從理論方面研究炸藥成分滲出的必要性。通過對爆炸物中炸藥成分滲出機理的初步理論研究, 針對溶解–擴散–解吸的微觀過程, 以Fick定律為基礎, 建立了爆炸物中炸藥成分的簡化滲出模型。

根據目前的試驗研究成果以及本文所提出的基本的滲出機理及研究思路, 在后續的研究中可針對具體的爆炸物結構和材料進一步深入研究滲出過程, 以通過理論較準確地分析現有爆炸物中炸藥成分的滲出情況, 為后續化學探測的研究提供依據和基礎。

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(責任編輯: 楊力軍)

Leakage Mechanism of Dynamite Ingredient in Explosives

MENG Xiang-yao,QIU Zhi-ming

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China)

The research on leakage mechanism of dynamite ingredient in explosives can support chemical trace detection technology. In this paper, the leakage principle of dynamite ingredient in explosives are theoretically analyzed according to the main chemical composition leaking out of explosives, the leakage ways to environment, and the micro leakage process of dissolution-diffusion-desorption in polymer materials; and a mathematical leakage model is built on the basis of Fick's law. This theoretical research on the leakage principle of dynamite ingredient in explosives may effectively make up the inadequacy of experimental research, and promote the development of chemical detection of explosives.

explosives; chemical composition; leakage mechanism

TJ630.1; O552.2

A

1673-1948(2014)03-0236-05

2014-03-06;

2014-04-08.

孟祥堯(1987-), 男, 在讀博士, 研究方向為水中兵器總體技術.