淺談水相溶液對乳化炸藥綜合性能影響

陳 彬

（廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東 云浮 527227）

0 引言

乳化炸藥泛指一類用乳化技術制備的油包水（W/O）乳膠型抗水工業炸藥，它以氧化劑水溶液的微細液滴為分散相，懸浮在含有分散氣泡或空心玻璃微珠或其他多孔性材料的似油類物質構成的連續介質中，形成油包水型特殊乳化體系。由于生產與使用安全性好且擁有良好的抗水性和爆炸性能，被廣泛應用于各類民用爆破作業中。W/O型乳化液主要是油相材料和氧化劑水溶液經過充分攪拌混合后形成的，氧化劑水溶液占比在90%左右。受生產工藝、材料質量、設備狀況等因素影響，氧化劑水溶液質量優劣對乳化炸藥的綜合性能有極其重要的影響。目前常用的氧化劑水溶液絕大多數都是由硝酸銨和硝酸鈉、水按一定的比例混合而成。

1 水相對乳化炸藥性能的影響

氧化劑水溶液作為乳化炸藥的分散相，主要由硝酸銨作為單一氧化劑或主氧化劑，和水混合而成。硝酸銨可以充滿溶于水的無機氧化劑鹽顆粒間的間隙，提高了乳化炸藥的密度，改善乳化炸藥爆炸性能，是釋放能量并完成機械功的源泉。

2 水相溶液pH值對乳化炸藥的影響

硝酸銨在生產過程中，生產廠家通常用稀硝酸與氨氣通過中和的方式生產硝酸銨。當溫度達到110℃時，液態硝酸銨在存儲過程中會發生水解，部分硝酸銨變回硝酸和氨氣，由于氨氣的揮發，使液態硝酸銨中硝酸濃度的不斷升高，硝酸銨溶液pH值不斷下降，帶動水相溶液pH值的下降。液態硝酸銨含量是個波動值，對炸藥的氧平衡、有毒氣體含量、做功能力等方面都會產生影響。

在乳化炸藥中，水相溶液中的硝酸銨占比一般在78%以上，受硝酸銨pH值的影響，如果水相溶液中的pH值過低，會讓乳化基質敏化過快，產生的敏化有效氣泡大量聚集，由小氣泡變成大氣泡，出現氣泡散逸現象，使乳化炸藥在貯存期內爆速衰減較少，降低乳化炸藥的爆轟性能；反之，當水相溶液中的pH值過高時，液態硝酸銨在貯存和使用期間易揮發氨氣，造成溶液中H離子的減少，減少敏化過程中H離子與NaNO反應產生的敏化氣泡，延緩乳膠基質敏化速度，降低炸藥的感度和爆轟性能。

目前某司硝酸銨溶液供應廠家有三家，公司理化員對每批進廠的硝酸銨溶液進行檢測，其pH值基本上在4.6~5.1。為了更好地研究硝酸銨溶液pH值對乳化炸藥性能的影響，某司對pH值在4.4~5.5硝酸銨溶液分別進行生產試驗，采用直徑φ32mm裝藥機進行裝藥，對藥卷密度和炸藥性能進行檢測，檢測結果如表1所示。

表1 硝酸銨溶液pH值對乳化炸藥性能的影響

實踐證明，液態硝酸銨的pH值控制在4.6~5.3，乳化炸藥的密度和爆炸性能處于理想的狀態，可滿足客戶的需求。另外，為了降低乳化炸藥的性能波動，公司在采購硝酸銨溶液時，須明確液態硝酸銨的pH值范圍；同時，可根據各廠家pH值的高低，采取交叉購進的方式，使硝酸銨溶液儲罐中的pH值維持一定范圍內。

3 水含量對乳化炸藥的影響

作為氧化劑水溶液的特定組分之一，水的存在可以使氧化劑以分散相的形式與可燃劑均勻混合，緊密接觸，保證藥態的連續性和反應的完整性，易于爆轟的激發和傳遞，使炸藥的性能得以充分顯現；同時，乳化炸藥作為含水炸藥，水的存在解決了日常使用中存在的抗水性問題，提高了乳化炸藥的密度，使其能夠較長時間浸沒在水中而不影響其爆炸性能。由于硝酸銨水溶液隨著溫度的下降而出現析晶現象，因此水含量越低，水相析晶點越高，乳化炸藥的貯存性能越不穩定。水含量越高，乳化炸藥的存儲穩定性增強。當水含量增多時，必然會降低水相溶液中氧化劑的含量，在乳化炸藥發生爆炸的過程中，使炸藥爆炸時供氧量減少，降低爆炸能量；同時，炸藥爆炸時所含的水在汽化時須吸收大量的熱能，水分越多吸收的熱量就越多，爆轟性能就越低。過高的水含量會使乳化炸藥在貯存過程中出現分層、析水現象，導致乳化炸藥半爆或拒爆。有關試驗研究表明：乳化炸藥中水的質量分數為8%~16%時爆速先增大后減小。為了驗證相關試驗數據，通過微調生產工藝中的水含量，在理化中心通過成品水分檢測的方式，確實成品的實際含水量，再進行性能檢測，其相關檢測數據如表2所示。

表2 水含量對乳化炸藥性能的影響

從表2可知，當水含量在11.1%~12.2%時，乳化炸藥反應完全，爆轟性能最好。經過某司理化人員的長期跟蹤檢測，不同微調配方中乳化炸藥含水量均處在 11%~12% ，炸藥性能穩定；當含水量達到13%時，乳化炸藥性能明顯下降，性能檢測人員會及時反饋檢測結果，通知配料員及時調整配料量，查找問題根源。

4 水相析晶點對乳化炸藥的影響

在乳化炸藥中，硝酸銨作為氧化劑而存在。但是由于硝酸銨在水中溶解后，隨著液體溫度的下降，硝酸銨的溶解度會急劇降低，出現析晶現象。為解決此情況，人們通常在硝酸銨水溶液中加入硝酸鈉，這樣既可以增大硝酸銨在給定的溫度下的溶解量，降低其析晶點，又能起到增大供氧量，提高乳化炸藥密度的作用，保持乳化炸藥性能的穩定。江瑜昭認為，硝酸銨析出量對乳化炸藥的貯存期影響不大，但對乳化炸藥的殉爆值影響較大，乳化炸藥的殉爆距離隨著硝酸銨析出量的增加而縮短。當析出量到0.4%時，在一定貯存期后，會出現拒爆現象。對某公司制備的水相溶液進行檢測，水相析晶點在75℃~77℃。為了更好地研究硝酸鈉在水相中的比例作用，某公司在現有生產工藝保持不變的前提下，通過微調硝酸銨、硝酸鈉以及水含量的方式，確定水相溶液的析晶點和乳化炸藥的穩定性。1）水相各組分按照不同比例稱量配料，配料完成后水相溫度控制在90℃~95℃。2）油相采用復合臘和乳化劑按一定比例配制而成，配制好后溫度控制在85℃~90℃。3）按照生產工藝將水相、油相進行混合乳化，基質降溫后，溫度控制在52.5℃~54℃，加入膨脹珍珠巖進行敏化。4）把敏化后的產品用直徑φ32mm裝藥機進行裝藥、包裝，一部分進行性能檢測，另一部分放成品倉庫進行留樣、封存，分別檢測3個月后和6個月后的性能，具體情況如表3、表4所示。

由表3、表4可知，硝酸鈉含量越多，水相的析晶點越低，存儲性能越穩定。隨著產品存儲期的延長，硝酸鈉含量越少的乳化炸藥，其各項性能衰減越快。主要是產品在放置的過程中，由于加入硝酸鈉，降低了水相溶液中硝酸銨的析晶點，增強硝酸銨界面膜強度，降低了水相水溶值，減少了破乳現象的發生，使乳化炸藥在存儲過程中維持著較好的穩定性。因此，企業在配制水相過程中，溫度過低會使硝酸銨析晶影響水相溶液質量，溫度過高會影響乳化效果，因此制備員要把水相溶液制備溫度控制在90℃~95℃。

表3 不同配方的析晶點

表4 不同配方產品的性能檢測表

5 硝酸鈉品級對乳化炸藥的影響

工業硝酸鈉中都含有亞硝酸鈉和碳酸鈉，會與硝酸銨發生反應，釋放大量的氣體，因此硝酸鈉的品級對乳化炸藥的性能有直接的影響。亞硝酸鈉在乳化炸藥生產中，一般以敏化劑的形式存在，對乳化炸藥基質起敏化和發泡作用。乳化炸藥敏化方式分為化學敏化和物理敏化兩種，其作用原理是在乳化基質中，加入一定量的密度調節劑，使乳化基質中均勻地分布著許多微小氣泡，起到調節炸藥密度和爆轟感度的作用。微小氣泡在爆轟波的作用下，被絕熱壓縮成高溫、高壓的灼熱點，從而激發乳化炸藥的爆炸。其敏化和發泡原理是亞硝酸鈉與硝酸銨發生反應，生成亞硝酸銨和硝酸鈉，亞硝酸銨性質極不穩定，在常溫極易分解為氮氣和水，使水相溶液產生大量氣泡，其化學分解反應如下。

NHNO+NaNO→NHNO+NaNO，NHNO→N↑+2HO

氮氣逸出會使水相溶液產生泡沫，當硝酸鈉中亞硝酸鈉含量較大時，水相溶液攪拌時間不夠長或者攪拌不均勻的情況下，氮氣的產生速度大于其逸出速度時，氮氣會以微小氣泡的形式存在于水相溶液，形成很多的泡沫。一方面，當水相溶液制備罐內液位較高，泡沫過多時，可能會出現水相制備罐溢料情況，影響乳化炸藥原材料配比，造成人員燙傷等生產安全事故，不利于生產和安全管理；另一方面，當這些帶有氣泡的水相溶液和黏稠度大的油相溶液進入乳化機時，在乳化機的高速剪切下，小氣泡會穩定地存在于乳化基質中，使乳化基質產生一定的雷管感度，使乳化基質過早敏化，從而降低乳化基質的密度，增加乳化過程的安全隱患，對乳化炸藥的生產安全和綜合性能產生一定的影響。

硝酸鈉制造過程中含有的碳酸鈉是強堿弱酸鹽，水解成堿性；硝酸銨是強酸弱堿鹽，水解成酸性。因此，碳酸鈉會與硝酸銨會進行中和反應，生成二氧化碳氣體和氨氣。

NaCO+2NHNO→2NaNO+2NH↑+CO↑+HO

當二氧化碳氣體和氨氣存在于水相溶液中時，也會使水相溶液產生一定的泡沫；當二氧化碳、氨氣、氮氣等氣體較多時，如果水相溶液攪拌時間不夠長或者攪拌不均衡，二氧化碳氣體等氣體從溶液中逸出的速度大于其揮發速度時，二氧化碳等氣體會以泡沫的形式存在于水相溶液中，在生產過程中把氣體帶入乳化基質，從而影響乳化基質和成品的密度，對乳化炸藥的綜合性能產生一定的影響。該文研究了不同品級的硝酸鈉對乳化基質的影響，得出以下結果，見表5。

由表5可知，隨著硝酸鈉的品級降低，硝酸鈉中所含的亞硝酸鈉和碳酸鈉增加，水相溶液制備過程中產生的泡沫也跟著增加，乳化基質的密度則相應降低。當硝酸鈉為合格品時，由其所配制的未經敏化的乳化基質會產生一定的雷管感度，并對作業環境和作業人員健康產生一定的影響。因此，硝酸鈉中亞硝酸鈉和碳酸鈉含量的多少直接影響著乳化基質的密度和雷管感度，對企業生產安全和質量管理具有重要的意義。為了避免影響水相溶液制備質量，防止發生生產事故，在采購硝酸鈉產品時，盡可能選用優等品，或者至少達到一等品，在產品采購回來入庫后，工作人員要加強對亞硝酸鈉含量的檢測，確保亞硝酸鈉含量不超標；當產品達不到標準要求時，必須采取退貨措施，以免產品質量和生產安全。

表5 硝酸鈉品級對乳化基質的影響

硝酸鈉與硝酸銨的爆熱和爆容貢獻值對比研究如下。

爆熱是乳化炸藥做功的能源，爆容則是反映炸藥爆炸時氣體量的多少，因此，爆熱和爆容是乳化炸藥極其重要的爆轟性能指標，兩者的高低直接反映了乳化炸藥做功能力的大小。筆者通過分別計算乳化炸藥中硝酸銨和硝酸鈉的爆熱和爆容值，可以反映硝酸鈉對乳化炸藥綜合性能的影響。

在乳化炸藥爆轟中，硝酸鈉的分解供氧情況如下。

NaNO→0.5NaO（固）+0.5N↑+2.5“O”

已知硝酸鈉生成的熱為463.0kJ/mol，氧化鈉生成的熱為415.2 kJ/mol，氮氣生成的熱為0 kJ/mol，由此可知硝酸鈉的爆熱貢獻值計算如下。0.5×415.2-463.0=-255.4 kJ/mol

每公斤硝酸鈉自身分解時需要消耗的熱量為255.4×1000/85=3004.71kJ，爆容貢獻值為：22.4×0.5×1000/85=131.76L/kg，供氧量為 ：16×2.5×1000/85=470.59g。

在乳化炸藥爆轟中，硝酸銨的分解供氧情況如下。

NHNO→2HO↑+N↑+“O”

已知硝酸銨生成的熱為354.0kJ/mol，氣態水生成的熱為240.7 kJ/mol，氮氣生成的熱為0 kJ/mol，由此可知硝酸銨的爆熱貢獻值為：2×240.7-354.0=127.4kJ/mol，即每公斤硝酸銨自身分解時釋放出的熱量為127.4×1000/80=1592.5 kJ，爆容貢獻值：22.4×（2+1）×1000/80=840L/kg，供氧量：16×1000/80=200g。

由表6可知，硝酸銨的爆熱貢獻值和爆容貢獻值明顯比硝酸鈉高，雖然硝酸鈉的供氧量比硝酸銨高，但硝酸鈉在分解時需要吸收外來的熱量，其供氧量不足以彌補所吸收的熱量，經過綜合數據分析，硝酸鈉作為氧化劑會降低乳化炸藥的性能，而不含或含量少的硝酸鈉的乳化炸藥的性能更強。

表6 硝酸鈉和硝酸銨的爆熱、爆容貢獻值

實踐表明，硝酸鈉作為輔助氧化劑，在一定程度上降低了水相溶液的析晶點，增加了供氧量，確保了乳化炸藥長時間儲存的穩定性，使炸藥能維持著較好的性能；如果不用或者少用硝酸鈉，會降低硝酸銨的界面膜強度，提高水相溶液的析晶點，加速降低乳化炸藥在儲存過程中的穩定性和整體性能。但是，硝酸鈉的加入也降低了乳化炸藥做功時的爆熱和爆容，這是因為在炸藥爆炸的過程中，硝酸鈉中的金屬元素鈉參與爆炸反應，奪取了炸藥中的一部分氧生成氧化鈉，氧化鈉會影響炸藥在爆炸過程中的做功。所以，在乳化炸藥生產過程中，要根據企業的實際情況，結合客戶需求，尋求適合企業的最佳生產配方。

6 結論

水相溶液的組成比例及其質量對乳化炸藥的性能有極大的影響，通過實踐研究，為確保水相溶液的制備質量，保持乳化炸藥的高性能，筆者可以采取以下方式：1）對材料的選用要嚴格把控。理化檢測員在材料使用前，要對每批進廠的原材料進行全面檢測和數據分析，確保原材料滿足水相制備的相關要求，保證水相質量的穩定。2）加強對水相溶液制備系統參數控制。在配料過程中，掌控好水相溫度、攪拌時間、攪拌速度，做好水相密度檢測，發現異常馬上查找原因。3）加強對設備技術投入，通過技術手段準確掌握硝酸銨、水和硝酸鈉的投料量，防止配料比例不準確影響水相溶液質量。4）在乳化炸藥生產過程中，要密切留意乳化器運行狀態和基質的乳化效果，當發現乳化基質內存在微小氣泡、基質密度明顯比正常值低時，要馬上停機，查找氣泡產生、密度變低的原因，避免影響產品質量，防止生產安全事故的發生。