樹脂微球對乳化炸藥爆轟性能影響的實驗研究

陳江濤，吳紅波，朱可可，張 洪

（1.江西威源民爆器材有限責任公司661廠，江西萍鄉337000；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001)

乳化炸藥是上世紀六、七十年代發展起來的新型含水炸藥，具有比其他工業炸藥更優良爆轟性能和抗水性強的特點[1]。敏化技術是制約乳化炸藥技術發展的重要因素之一，敏化效果的好壞直接影響炸藥的爆炸性能。目前常用的敏化方式包括物理敏化、化學發泡敏化及復合敏化[2]。所謂物理敏化法，是指在乳化基質中添加一定量的完全可以穩定的存在其中的低密度物質，如空心玻璃微球、樹脂微球、膨脹珍珠巖等，它們在炸藥中仍可以保持自身的空穴，起到熱點的作用；化學發泡敏化法是指利用一些化學物質在特定的條件下分解產生微小氣泡，來調節乳膠基質密度，從而提高炸藥感度的方法；復合敏化法是采用多種敏化方法，目前使用較多的包括膨脹珍珠巖與亞硝酸鈉溶液復合、膨脹珍珠巖與H型發泡劑的復合等。

徐更光等人對不同方式敏化的炸藥水下爆炸沖擊波的傳播進行了近似計算[3]；李澎研究了非理想炸藥水下爆炸能量輸出結構[4]；俞統昌等人研究了不同方式敏化的炸藥水下爆炸沖擊波的特性[5]。

本文通過實驗，分別對樹脂微球、膨脹珍珠巖、化學發泡劑敏化的乳化炸藥的爆速和水下爆炸能量進行了測試，并初步探討了不同敏化方式對乳化炸藥作用的機理，對研究敏化材料、提高乳化炸藥的爆轟性能以及乳化炸藥的更廣泛推廣具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

硝酸銨（AN）、硝酸鈉（SN）（均為工業級，安徽淮化集團有限公司）；水（自來水）；復合蠟；Span-80（化學純，石家莊成達科技有限公司）；敏化劑分別為樹脂微球（雅化集團三臺化工有限公司）、膨脹珍珠巖、亞硝酸鈉（均為石家莊成達科技有限公司）。

JCS-600電子天平（凱豐集團有限公司）；實驗室電動數顯乳化器；電加熱爐；溫度計；玻璃棒；DDBS-20型多段時間隔測量儀（開封市精工儀表廠）。

1.2 乳化基質的制備

乳化基質各組分質量分數見表1。

表1 乳化炸藥的組分與配比Tab.1 Composition and ratio of emulsion explo sive

硝酸銨、硝酸鈉、水構成水相，復合蠟、Span-80構成油相，將水相加熱至110℃左右，油相加熱至95℃；兩相混合后，在1300 r/min轉速下乳化3 min，制得乳膠基質。自然冷卻至55℃左右，分別加入0.25%樹脂微球、3%膨脹珍珠巖、0.4%亞硝酸鈉，攪拌充分得到三組不同敏化方式敏化的乳化炸藥。

1.3 實驗方法

1.3.1 爆速測試

裁剪牛皮紙制作圓筒形藥卷，規格為Φ（32±1）mm，h（250±15）mm。

將敏化完成后的乳化炸藥用薄膜包裹，然后裝入直徑為32 mm的紙筒中，裝藥量約為180 g/卷。

用實驗室提供的漆包線做探針，將漆包線擰成麻花狀，將探針插入藥卷，首尾折向試樣的尾端，并用絕緣膠布固定在乳化炸藥藥卷上。兩只探針在藥卷走向上的間距為5 cm。

采用電測法[6]測試各組乳化炸藥的爆速。將三根引出線與測量儀的信號傳輸線相連，對整個測試系統進行測試檢查；然后將8號雷管插入試樣，插入深度約為雷管的1/3～1/2；讓測量儀處于待測狀態，起爆，記下儀器測得的數據，然后計算平均爆速值。

圖1 DDBS-20型多段時間隔測量儀和爆速測試原理圖Fig.1 Time interval measuring instrument and explosive speed test schematic

測試系統組成的框圖如圖1所示。當爆轟波沿藥卷傳播至A點時，爆轟波陣面上的產物處于高溫狀態，電離為正、負離子，具有很好的導電性，因而使A點處互相絕緣的一對探針接通，并轉變為電信號，爆轟波到達B點的情形與A點相同。用電子測時儀測出爆轟波經達A、B兩點間的時間間隔t，便可求得炸藥AB段中的平均爆速。

其計算公式為:

式中:D—被測乳化炸藥的爆速，m·s-1；L—兩個探針之間的距離，m；t—爆轟波通過兩探針間所用的時間，s。

1.3.2 水下爆炸實驗

乳化炸藥水下爆炸測試系統由爆炸水池、藥包和測量系統組成[7]，實驗系統示意圖如圖2所示。實驗時,通過橫梁上的行車，將藥包放入水池中心水深2/3處，因為此位置來自水面和水池底部的反射波可以相互抵消，滿足沖擊波能和氣泡能測試要求[8-9]。藥包為10 g乳化炸藥，測試系統由壓電式壓力傳感器、信號傳輸電纜、電荷放大器、數據存儲示波器等組成。實驗時,首先將實驗儀器安裝調試好,然后將藥包固定在鐵架子上，通過橫梁上的行車把藥包送到水中的預定位置，傳感器距離中心0.5 m和0.35 m，然后使數據采集系統處于等待采集狀態后,引爆炸藥采集數據。

圖2 水下爆炸能量測試示意圖Fig.2 Underwater explosion energy test schematic

2 結果與分析

按上述1.3.1實驗方法，測試各組乳化炸藥的爆速，每個試樣測量三次后取平均值，結果見圖3所示。

圖3 各組試樣爆速測試結果Fig.3 Detonation speed test results of each group of sample

球形裝藥在無限水介質中瞬時爆轟，在等容條件下轉變為高溫高壓的爆轟產物，炸藥能轉變為爆轟產物的內能，高速向外膨脹，壓縮水介質形成水中沖擊波。水下爆炸法測定炸藥輸出能量是對炸藥做工能力試驗的改進和完善，具有試驗結果重現性好，數據簡單等優點。水下爆炸能分別測出比沖擊波能和比氣泡能[8]。比沖擊波能計算公式如下：

式中：ES—測點處的比沖擊波能，MJ·kg-1；ρw－水的密度，取 1 000 kg·m-3；Cw—水中聲速，取 1 460 m·s-1；W—標定藥包的重量，kg;R—傳感器至藥包中心的距離，m；θ—沖擊波指數衰減的時間常數，即由Pm衰減到Pm/e所需的時間，s；P—積分區間內的沖擊波壓力，MPa。

從裝藥爆轟到出現氣泡第一次收縮的氣泡振蕩周期為氣泡脈動周期，對于一般測試條件，氣泡能由下式求出：

當池壁離得很遠，僅有水面和池底“邊界效應”時，在一定的靜水壓力下，氣泡脈動周期T相對于裝藥W可用下式表達：

由于氣泡能與裝藥量成正比，可推出：

式中：Eb—測點處的比氣泡能，MJ·kg-1；Tb—修正后的氣泡脈動周期，s；a、b—使用水池和一定靜水壓力試驗條件下的固有常數；K1、K2—由給定水池、裝藥量和位置確定的常數；Ph—裝藥深度處的靜水壓力，Pa；C—在給定水池和裝藥位置等測試條件下由a、b確定的固有常數。

由上述方法可得各組乳化炸藥水下爆炸性能結果如表2。

表2 乳化炸藥水下爆炸測試結果Tab.2 Emulsion explosive underwater explosion test results

由表2可看出，不同敏化方式的乳化炸藥的爆速不同，其中樹脂微球敏化的乳化炸藥平均爆速最大，達到5287.4 m·s-1；膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥平均爆速次之，其值為5030 m·s-1；化學敏化的乳化炸藥平均爆速最小，其值為 3633 m·s-1。

結合表3、表4可看出，在相同的條件下，樹脂微球敏化的乳化炸藥的水下爆炸能量最大，達到3.5 MJ·kg-1；亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥的水下爆炸能量最小，其平均值為2.475 MJ·kg-1；膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥水下爆炸能量介于兩者之間，平均值為2.765 MJ·kg-1。

造成這種現象的主要原因是由于膨脹珍珠巖的顆粒尺寸大于樹脂微球，且其微觀結構[9-10]多為不規則的空洞，強度相對較低，而樹脂微球的微觀結構是規則的圓球形，平均粒徑較小，粒度大小均勻，且具有封閉的微孔、高強度的有機塑殼，外殼和其內包覆的可燃氣體在炸藥爆炸時能參與反應，因而能提高乳化炸藥的爆速和爆炸能量，因此對于相同的添加量而言，單位體積炸藥中樹脂微球的有效氣泡量相對較多，相應地，其熱點數目也較多；另一方面，由于膨脹珍珠巖粒徑比樹脂微球的大，粒度大小不均勻，相對樹脂微球而言，膨脹珍珠巖的溫升相對低些，因此，膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥爆速和水下爆炸能量均低于樹脂微球敏化的乳化炸藥。而亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥的水下爆炸能量最低，究其原因，可能是由于化學敏化質量受到的影響因素非常多，如敏化劑的含量、發泡時pH值、溫度等，其穩定性和均勻性相對于物理而言，相對差一些，且產生的氣泡粒徑差距大，氣泡強度低，導致有效氣泡熱點少，因此化學敏化的乳化炸藥爆速和水下爆炸能量都較低。

3 結論

樹脂微球做為一種新型物理敏化劑，敏化效果優于膨脹珍珠巖和化學敏化劑。在相同條件下，樹脂微球敏化的乳化炸藥的爆速和水下爆炸能量值都最大，膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥次之，化學敏化的最小。因此，樹脂微球作為一種新型乳化炸藥敏化劑，在一定的條件下，具有一定的推廣和應用前景。