乳化炸藥破乳后的乳化性能研究

崔珍珍,陳 龍,吳 競

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

乳化炸藥的油包水型熱力學乳膠體系屬于本質不穩(wěn)定的物理體系[1-2],圍繞其穩(wěn)定性的研究與實踐,是乳化炸藥應用與發(fā)展的重要組成部分。特別在生產過程中,乳化炸藥的穩(wěn)定性問題給生產與應用帶來極大的麻煩,由此導致的炸藥產品爆炸性能喪失、破乳、硬化等問題給生產企業(yè)造成較大的經濟損失并增加了安全風險。遺憾的是,我國目前生產技術水平還沒有能力杜絕該問題發(fā)生,并且廢藥處理也一直是炸藥企業(yè)生產經營中的一道難題。

乳化炸藥破乳、硬化、失效的原因是多方面的,就乳膠體系而言,一般認為,破乳問題歸結為表面活性劑本身失效和其從界面遷移,從而導致界面膜破裂所致。如何解決廢藥問題,炸藥研發(fā)工作者從如何避免發(fā)生和如何處理兩方面進行了很多研究與嘗試,雖然廢藥量大大減少,但由于破乳產生原因的復雜性,生產企業(yè)始終不能避免廢藥產生,不得不直面廢藥處理的問題。

目前國內對不合格乳化炸藥的處理主要分為3 類。第一類是將不合格乳化炸藥按照25%～60%(質量分數)的比例與合格的乳化炸藥進行摻混[3-5],此類方法僅限于失效但未完全硬化的乳化炸藥。這種方法不僅嚴重影響炸藥質量,且生產過程不安全。第二類是將不合格的乳化炸藥進行破乳,分離出油、水相,在分析各組分含量基礎上,再根據炸藥配方的要求調整組分后進行重新制藥[6]。此類方法由于效率和成本問題,僅限于實驗室,未能工業(yè)化應用。第三類為焚燒處理[7],此類方法弊端顯而易見。綜上所述,目前乳化炸藥廢藥處理技術與工藝還存有缺陷,未能較好解決生產實際問題。因此,進一步探索與研究對廢藥處理的技術與方法,不僅必要,而且具有十分重要的實際意義。

筆者基于乳化炸藥基本原理,對廢藥體系進行重建性實驗,并對其熱力學性能進行測試與分析,所得結論可為探索廢藥處理新技術和新工藝提供原理和實驗支持。

1 實驗部分

1.1 實驗設計

實驗對已知組分和配比的硬化乳化炸藥廢藥,進行重新乳化實驗和基質顆粒的顯微觀測,同時對該乳化炸藥的油、水相界面張力,以及重新乳化后的乳化炸藥爆炸性能進行測試。

1.2 實驗方法

1)重新乳化實驗

稱取900 g 已硬化的不合格乳化炸藥加入到1 000 mL 的搪瓷缸中,并放入烘箱中,設定溫度后保溫1 h,使之成為可流動的狀態(tài)。開啟乳化機,設定乳化機轉速和乳化時間,將上述加熱保溫的物料進行乳化,制備成乳膠基質。待乳膠基質溫度降至48～52 ℃時,加入2 mL 質量分數為33%的亞硝酸鈉溶液(兩次加入)充分攪拌(約20 min),再加入1 mL 質量分數為50%的磷酸溶液(多次加入)充分攪拌(約10 min),制備成乳化炸藥。

2)界面張力實驗

根據上述實驗用乳化炸藥組分和配比,分別制取油、水相,用BZY-2 界面張力儀測試相應乳化溫度下的界面張力。

2 結果分析

2.1 重乳化溫度對乳化炸藥穩(wěn)定性的影響

通過實驗,重乳化溫度直接影響乳化炸藥的儲存期和油、水相界面張力,如圖1所示。

圖1 乳化炸藥儲存期、油水相界面張力與重乳化溫度的關系

由圖1可知,在生產工藝允許的溫度范圍內,炸藥的儲存期隨乳化體系溫度的上升而增加,說明膠體的穩(wěn)定性增加。從圖中乳化體系的油、水相界面張力與溫度的關系可以得出,溫度的升高使得油、水相界面張力下降[8],在攪拌速度和時間不變的情況下,體系的分散度增加,利于形成微小顆粒,因而乳膠體系的穩(wěn)定性增加。研究表明,儲存穩(wěn)定性好的乳化炸藥,其乳膠基質粒子小,分布均勻[2]。同時,用乳膠基質掃描電子顯微鏡觀察,電子顯微鏡圖如圖2所示,也可以看出,乳化溫度提高,乳膠基質分散相的粒子直徑變小且分布更均勻。

圖2 不同重乳化溫度條件下乳膠基質掃描電子顯微鏡圖

2.2 乳化機轉速和乳化時間對乳化炸藥儲存期的影響

實驗考察了乳化機轉速和乳化時間對乳化炸藥儲存期的影響,結果見圖3～4。

圖3 乳化炸藥儲存期與乳化機轉速的關系曲線

圖4 乳化炸藥儲存期與乳化時間的關系曲線

由圖3可見,硬化破乳的乳膠體系的重乳化,隨著攪拌轉速的提高,分散相分散度增加,乳化炸藥儲存時間持續(xù)且顯著增加。說明破乳的乳膠體系仍然具備乳狀液的基本特性。

由圖4可見,在固定攪拌速度的乳化實驗中,反映出乳化炸藥的儲存期隨著乳化時間的增加而增加,但達到一定時間后,隨著時間的延長其儲存期出現(xiàn)快速下降的情況。這可能是因形成膠體后,過度攪拌不但不會增加分散度,反而會使已有的膠體破壞所致。從圖4中還可以看出,在攪拌速度一定的條件下,乳化時間存在最佳區(qū)間,超出這個區(qū)間,乳膠體系的穩(wěn)定性明顯下降。針對本實驗裝置,當攪拌速度為1 200 r/min 時對應的最佳乳化時間區(qū)間為120～150 s。

2.3 乳化炸藥爆炸性能測試

實驗用乳化炸藥樣品的同等工藝,對其硬化后再進行重新乳化,將制備的乳化炸藥分別裝入規(guī)格為Φ32 mm×20 mm 的紙卷中測定其爆炸性能。實驗測試結果見表1。

表1 重新乳化后的乳化炸藥爆炸性能測試結果

由表1可知,乳化炸藥硬化后重新乳化制成的乳化炸藥與原乳化炸藥相比,儲存穩(wěn)定性和爆炸性能沒有明顯差別。

從重乳化實驗結果來看,乳化炸藥破乳原因,主要是由于在儲存過程中乳化劑分子遷移出油、水相界面,界面能升高使得界面膜破裂,導致分散相聚集所致。同時也說明,就目前我國乳化炸藥所用的乳化劑而言,不存在乳化劑自身不穩(wěn)定導致乳化炸藥破乳的說法。

3 結論

1)乳化炸藥破乳硬化后,經加熱重新乳化,其穩(wěn)定性和爆炸性能變化不大。

2)乳化溫度升高,使得油、水相界面張力降低,提高了水相分散度,有利于乳化炸藥的穩(wěn)定性。

3)攪拌式的乳化方式,通過提高轉速和延長乳化時間都可以增加乳化炸藥的穩(wěn)定性。乳化時間存在最佳區(qū)間。

4)乳化劑分子從乳膠體系油、水相界面遷移,是儲存過程中乳化炸藥破乳的主要原因。