水相中水含量及pH對乳化炸藥性能的影響

方世瑞

（廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東云浮 527300）

乳化炸藥是一種由一個連續(xù)相和兩個分散相構(gòu)成的油包水型工業(yè)炸藥。連續(xù)相即油相材料，其作用是形成包覆內(nèi)相粒子的油膜，主要由乳化劑及不與水混溶的碳氫化合物按一定比例構(gòu)成；而兩個分散相由水相及密度調(diào)整劑構(gòu)成，水相作為乳化炸藥的關鍵組成部分，一般由幾種不同的氧化劑鹽水溶液組成，密度調(diào)整劑則用來調(diào)整乳化炸藥的比重，及炸藥起爆熱點的創(chuàng)造。硝酸銨和硝酸鈉等氧化劑鹽水溶液和不與水混溶的碳氫化合物，通過乳化劑的乳化作用而緊密接觸，使氧化劑鹽水溶液形成微小的液滴均勻地分散于不與水混溶的有機連續(xù)介質(zhì)中，再對乳化基質(zhì)進行化學或物理發(fā)泡處理使其中均勻分布大量的微小氣泡，當乳化炸藥受到外界能量作用時，其氣泡發(fā)生敏化而引發(fā)爆炸。

乳化炸藥作為一種油包水型的乳膠狀炸藥，具有成本低、安全性能好、工藝簡單、環(huán)境友好及優(yōu)秀的爆炸性能等眾多優(yōu)點，目前國內(nèi)外已研制出的多類型的乳化炸藥，已廣泛應用于各種民用爆破，其優(yōu)良的爆破性能在潮濕的爆破場合更加明顯。目前乳化炸藥已應用于露天礦、中硬巖石爆破及煤礦井下等各種爆破場合。但乳化炸藥因其具有水相、油相等多相組分，是一種熱力學不穩(wěn)定體系。乳化基質(zhì)中包覆內(nèi)相粒子的油膜乳狀液滴屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，因水相狀態(tài)的變化而引發(fā)各種分層、變形及破乳等不良狀態(tài)，導致乳化炸藥的爆轟感度下降從而導致其使用寬廣性 受限。

乳化炸藥中水相的水含量直接影響著炸藥熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性，而乳化炸藥的爆速、猛度等性能受水相不同pH的影響。因此，水相是乳化炸藥的關鍵組成部分，對乳化炸藥的性能起著十分重要的作用。本文考察了乳化炸藥中水相水含量對乳化炸藥的爆炸性能及儲存性能的影響，并探究了pH對一號巖石乳化炸藥和三級煤礦許用乳化炸藥的爆速、猛度的影響，分析了pH對乳化炸藥爆炸性能影響機理，對提高乳化炸藥的研發(fā)及生產(chǎn)質(zhì)量改善有著重要的工業(yè)意義。

1 實驗部分

1.1 水含量對乳化炸藥性能及儲存期的影響

1.1.1 實驗內(nèi)容

乳化炸藥中的水使氧化劑鹽以溶液形式存在，水的存在對炸藥的穩(wěn)定性、爆炸性能有重大影響，水同時能賦予乳化炸藥優(yōu)良的流變性能。本文考察了水含量對乳化炸藥性能及儲存期的影響，分別以不同水含量配制5個乳化炸藥樣本，乳化炸藥樣本配方，如表1所示。

表1 不同含水量乳化炸藥配方

1.1.2 實驗結(jié)果分析

1.1.2.1 水含量對乳化炸藥作功能力的影響

乳化炸藥中水是分散相為均勻溶液的唯一介質(zhì)，乳化炸藥中水含量對炸藥的爆炸性能有重大影響，因炸藥爆炸釋放的能量，很大一部分地消耗在對水的加熱和水分的蒸發(fā)上。本文取相同重量的1～5號乳化炸藥配方的樣本，置于特制容器中起爆，并在容器中均勻鋪滿相同密度的沙子，以爆炸產(chǎn)生的拋沙深度來表征乳化炸藥樣本的作功能力，最終測試不同含水量對其作功能力的影響，測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水量對乳化炸藥作功能力的影響

從以上測試結(jié)果可知，隨著含水量的增加，乳化炸藥作功能力先升高后降低，當水含量為8%時，乳化炸藥作功能力明顯較低，殉爆距離也較短，即炸藥感度也明顯不足；當水含量為8%～12% 時，乳化炸藥作功能力有明顯提升；當水含量為12%～16%時，乳化炸藥作功能力反而下降

水含量對乳化炸藥的爆速也有較大的影響，本文探究了水含量對乳化炸藥爆速的影響，實驗結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，當水含量在6%～12%時，乳化炸藥的爆速隨水相中水含量的增加而增加，當水含量為12%時，乳化炸藥的爆速達到最大值；而當水含量大于 12%時，繼續(xù)增加水含量，乳化炸藥的爆速反而下降。分析其原因，主要是因為水含量為10%以下時，其水相氧化劑鹽溶液處于過飽和狀態(tài)，此時乳化炸藥水相鹽溶液趨于過飽狀態(tài)，容易產(chǎn)生析晶狀態(tài)，晶體吸收大量的熱量產(chǎn)生相變，因此放熱量低而造成爆炸性能不佳。當水含量在10%～12%之間時，其水相氧化劑鹽溶液處于不飽和狀態(tài)，不會產(chǎn)生析晶情況，其放熱量高爆炸性能也較好。但是當水含量在12%～16%時，水分過多會有大部分的熱量用在水分的加熱及蒸發(fā)上，爆炸性能會有所下降。因此在乳化炸藥配方設計與工業(yè)生產(chǎn)中，要提高炸藥作功能力和炸藥感度需嚴格控制水含量。

圖1 水含量對乳化炸藥爆速的影響

1.1.2.2 水含量對乳化炸藥儲存期的影響

乳化炸藥是一種具有水相、油相的多相分散體系，具有熱力學和動力學不穩(wěn)定性，其中水含量不同會對乳化炸藥的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。乳化炸藥在高低溫交替的惡劣環(huán)境中會加速老化，本文通過人工方法模擬高低溫持續(xù)變化自然環(huán)境加速老化來評估乳化炸藥的儲存穩(wěn)定性，通過高低溫循環(huán)的次數(shù)能在短時間內(nèi)量化評價其儲存性能，通常10次高低溫循環(huán)相當于自然儲存180d。

本實驗采用高低溫循環(huán)試驗烘箱測試，其高低溫交替實驗參數(shù)設置為高溫50℃持續(xù)8h；低溫20℃持續(xù)16h，每24h記為一個高低溫循環(huán)次數(shù)。探究含水量對乳化炸藥高低溫循環(huán)次數(shù)的影響，實驗結(jié)果，如表3所示。結(jié)果表明，乳化炸藥的水含量對其儲存性能有較大的影響，水含量的提高能明顯提升乳化炸藥的儲存性能。分析其原因，主要是因為硝酸銨晶體的析出會導致乳化炸藥破乳而失去爆炸性能，當水含量較低時，乳化炸藥水相中的硝酸銨容易析晶，從而導致乳化炸藥體系的儲存性能變差。

表3 不同水含量對高低溫循環(huán)次數(shù)的影響

1.2 水相pH對乳化炸藥性能的影響

1.2.1 實驗內(nèi)容

乳化炸藥水相中所占比例最大為硝酸銨水溶液，水相溶液pH的大小主要由硝酸銨溶液決定，通過研究不同硝酸銨水溶液pH下乳化炸藥的爆速和猛度，考察了不同pH硝酸銨水溶液對一號巖石乳化炸藥及三級煤礦許用乳化炸藥性能的影響。一號巖石乳化炸藥pH實驗范圍為3.5～7.0，三級煤礦許用乳化炸藥pH實驗范圍為2.5～5.0，每個pH進行5次平行實驗，取平均值。本實驗采用25%的氨水溶液和65%的硝酸溶液來調(diào)節(jié)硝酸銨水溶液的pH。

1.2.2 實驗結(jié)果分析

一號巖石乳化炸藥和三級煤礦許用乳化炸藥的水相pH及對其乳化炸藥爆速和猛度影響的實驗結(jié)果如表4和表5所示。

表4 不同pH對一號巖石乳化炸藥性能的影響

表5 不同pH對三級煤礦許用乳化炸藥性能的影響

由表4可知，硝酸銨水溶液的pH對一號巖石乳化炸藥的爆速和猛度有明顯的影響，當硝酸銨水溶液的pH在3.5～5.0時，乳化炸藥的爆速和猛度隨硝酸銨水溶液pH的升高而增加；當pH為5.0時，炸藥的爆速和猛度最佳；當硝酸銨水溶液pH在5.0～7.0時，乳化炸藥的爆速和猛度隨硝酸銨水溶液pH的升高反而降低。

一號巖石乳化炸藥水相溶液pH在4.5～6.0時，乳化炸藥的爆速和猛度表現(xiàn)較好。當pH＜4.0及pH＞6.0時，爆速和猛度較低，分析其原因，當溶液的pH＜4.0時，乳化基質(zhì)的酸性較強導致在用亞硝酸鈉敏化時反應速度過快，其中所產(chǎn)生的微氣泡在乳膠基質(zhì)中碰撞形成大氣泡，而大氣泡相對于微氣泡其穩(wěn)定性明顯較差，容易破泡。乳化炸藥中的微氣泡粒徑一般應控制在0.5～100μm，這些微氣泡在乳化炸藥起爆時形成熱點激發(fā)炸藥爆轟。當一號巖石乳化炸藥水相pH＞6.0時，溶液中存在較多的NH3H2O和NH2OH導致其酸性較弱。乳化炸藥的爆炸反應是氧化還原反應，而硝酸鹽在酸性介質(zhì)中才具有氧化性。隨著一號巖石乳化炸藥水相pH增大硝酸銨的氧化性也下降，乳化炸藥的氧化還原反應減慢，乳化炸藥的爆炸性能自然也下降。

由表5可知，硝酸銨水溶液的pH對三級煤礦許用乳化炸藥的爆速和猛度也有明顯的影響。當硝酸銨水溶液的pH在2.5～3.5時，三級煤礦許用乳化炸藥的爆速和猛度隨硝酸銨水溶液pH的升高而增加；當pH為3.5時，三級煤礦許用乳化炸藥的爆速和猛度最佳；當pH硝酸銨水溶液pH在3.5～5.0時，三級煤礦許用乳化炸藥的爆速和猛度隨硝酸銨水溶液pH的升高反而降低。

三級煤礦許用乳化炸藥的爆速和猛度的pH作用區(qū)間明顯較一級巖石乳化炸藥要窄，當硝酸銨水溶液pH在3.0～4.5時，三級煤許乳化炸藥的爆速和猛度表現(xiàn)較好；分析其原因，三級煤礦許用乳化炸藥添加了消焰劑，而消焰劑中含有大量的氯離子。而氯離子與pH起協(xié)同效應，影響硝酸銨水解的化學平衡以及氧化還原反應。

2 結(jié)束語

水相作為乳化炸藥關鍵組成部分，對乳化炸藥的性能起著至關重要的作用，本文探究了水含量對乳化炸藥的作功能力、爆速及其儲存穩(wěn)定性的影響，找出乳化炸藥各性能中的最佳水含量。并通過探究pH對一號巖石乳化炸藥和三級煤礦許用乳化炸藥的爆速、猛度的影響，分別確定了乳化炸藥最適pH范圍，分析水相的pH的來源及影響機理。對新型乳化炸藥產(chǎn)品的研發(fā)提供具有重要的參考意義，有利于乳化炸藥行業(yè)進一步發(fā)展。