乳化炸藥中乳化劑的合成及性能研究進展

曹勇

【摘 要】本文概述了不同種類的乳化劑的合成方法以及乳化劑的結構對乳化性能的影響，對比使用不同乳化劑制備得到的乳化炸藥的爆炸性能，展望了乳化炸藥用乳化劑的未來發展。

【關鍵詞】乳化劑；乳化炸藥；合成；爆炸性能

Research progress on synthesis and performance of Emulsifier Used for Emulsion Explosives

CAO Yong

（School of Chemical Engineering， Anhui University Of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】The synthesis methods on different categories of emulsifiers are narrated in this paper. The effects on emulsifying property of the emulsifier construction are investigated. We make a comparison that explosion performance of emulsion explosive manufactured by different emulsifiers. The trend of further research and noticeable problems of emulsifier have been put forward.

【Key words】Emulsifier； Emulsion explosive； Synthesis； Explosion performance

0 導言

乳化炸藥這種工業含水炸藥是一種油相材料和水溶液形成的油包水型乳化體系，其穩定性與乳化過程緊密相關[1-2]。乳化炸藥的穩定性越強，意味著工業生產中生命和財產的損失會變得越小。而乳化劑是同時具有親水性基團和親油性基團的表面活性劑，能夠將兩相材料更好地結合在一起，乳化劑的使用對于乳化過程的反應以至于對乳化炸藥的穩定性都具有至關重要的作用。因此，通過從不同種類乳化劑的合成方法以及所制備得到的乳化炸藥性能的研究，敘述了乳化劑的研究進展。

1 乳化劑的種類

1.1 脂肪酸酯類，如失水山梨糖醇單油酸酯（span-80類）

Span-80作為非離子型的表面活性劑，其親油基團為油酸，親油性非常好，因此，將span-80作為乳化劑更容易乳化；同時，油酸成分中含有不飽和酸，這使乳化劑分子在界面吸附之后形成了很大空隙。并且，不飽和酸中的雙鍵容易氧化，使水分子在不飽和酸處破乳，導致制備的乳化炸藥穩定性較差。

1.1.1 直接合成法

傳統的方法是將油酸、山梨醇同時與氫氧化鈉溶液混合加熱較長一段時間，使油酸和山梨醇發生酯化反應的同時能夠進行醚化反應，反而這個過程中酯化反應處于優勢，因此，合成出的span-80分子中其他產物較多，性能也相對較差。而隨著生物酶技術的發展[3-4]，在油酸和山梨酸的反應中加入生物酶催化劑，使反應大大降低，在節約了能源的同時也有效地減少了副產物的生成，提高了產物的性能。

1.1.2 分步合成法

分步合成即控制油酸和山梨醇的反應條件，時酯化反應和醚化反應分開進行。由于先進行醚化后進行酯化反應的溫度較低，形成的副產品較少，因此開始了較多研究。Matthews等[5]通過研究發現該方法工藝復雜，反應受到催化劑、反應溫度以及反應物質量的影響，實驗結果表明該工藝的技術關鍵在于控制親水集團的數量。Grzegorz等[6]通過選取了合適的催化劑，同時有效控制了反應工藝條件，得到了含親水集團較好的產品。毛連山等[7]研究了油酸與山梨醇合成反應過程中山梨醇的失水度對反應產物的影響。實驗結果表明，當失水度從1.0增加到1.7時，羥基從250mg/g降低為118mg/g。隨著失水度的增加，山梨醇中羥基隨之減少。這時，親油性基團含量增多，使分子間的空隙變大，實驗得到的產物雜質含量增多。

1.2 聚異丁烯丁二酸酐衍生物類，如丁二酰亞胺類

與span-80一樣，聚異丁烯丁二酸酐衍生物（T類乳化劑）被乳化過程中最普遍的乳化劑之一。T類乳化劑是一種高分子的聚合物，分子量較高。并且，由于它具有分子的框架結構，因此在界面吸附之后會形成具有框架架構的膜，穩定性顯著提高。葉志文等[8]將聚異丁烯雙丁二酰亞胺作為乳化劑與span-80進行了比較，結果表明，聚異丁烯雙丁二酰亞胺能形成分布均勻的油包水粒子，使乳化炸藥具體良好的穩定性。謝麗等[9]以聚異丁烯丁二酸酐與三乙醇胺進行反應合成了聚異丁烯丁二酸三乙醇胺酯這種新型的乳化劑。通過與聚異丁烯雙丁二酰亞胺進行對比發現，該乳化劑能夠明顯地降低界面間的自由能，形成更小的乳膠顆粒，乳化炸藥表現出良好的穩定性。

1.3 復合乳化劑

然而，單一的乳化劑往往具有明顯的缺點，而通過實驗研究發現，將不同種類的乳化劑復合形成的復合乳化劑，往往能夠改善單一乳化劑所具有的缺點。

徐志祥等[10]研究了將改性后的大豆磷脂與span-80組成的復合乳化劑對乳化炸藥性能的影響。結果表明，改性后的磷脂在分子長鏈上加入了親水性基團，與span80形成復合乳化劑后，乳化劑在界面吸附時，形成的界面膜吸附力更強，使制備的乳化炸藥穩定性更強。李冰等[11]使用5種不同的乳化劑進行不同的配比，將形成的復合乳化劑制備得到的乳化炸藥進行高低溫循環，檢測乳化炸藥的穩定性。實驗表明，通過5種不同乳化劑進行不同的配比，能夠對親水親油平衡值（HLB值）進行調節，同時改變了油膜的厚度，從而得到了性能更好的復合乳化劑。

2 乳化劑的性能

乳化炸藥的穩定性和爆炸性能是體現乳化劑性能的重要指標，表中復合乳化劑A是由改性磷脂與span-80復合而成，復合乳化劑B是由span-80與聚異丁烯雙丁二酰亞胺復合得到。不同乳化基質在常溫下保存觀察破乳失效的時間，乳化炸藥通過高低溫循環測量通過循環的次數，結果表明：由于聚異丁烯雙丁二酰亞胺具有高分子量和分子框架結構，因此，聚異丁烯雙丁二酰亞胺以及改性磷脂與span-80復合能夠有效提高乳化基質和乳化炸藥的穩定性（表1）。

表1 不同乳化劑制備的乳化基質和乳化炸藥的穩定性

表2表明：單一乳化劑得到的乳化炸藥爆炸性能很差，而復合乳化劑能夠有效提高乳化炸藥的爆炸性能，這是因為磷脂能夠與其他分子形成網狀結構，抑制了乳化粒子的破乳，有效地提高了乳化炸藥的穩定性，同時有利于爆炸的進行，提高了爆炸性能。

表2 不同乳化劑制備的乳化炸藥的爆炸性能

3 結論與展望

乳化劑的乳化性能對于炸藥產品的生產使用安全至關重要，應當繼續開發不同種類的乳化劑，研究通過不同種類乳化劑的復合，改善乳化劑本身具有的一些缺點；不斷致力于改進生產工藝，如溫和反應條件下的乳化工藝，通過加入生物酶，有效地提高反應生成物的產率，從而提高乳化炸藥的質量。

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[責任編輯：王楠]