乳化炸药稳定性及其破乳机理研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2015. 06. 009 乳化炸药稳定性及其破乳机理研究 * 刘 杰① 徐志祥② 孔 煜③ ①安顺久联民爆有限责任公司贵州安顺,561006 ②江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江,212000 ③贵州省经济和信息化委员会安全生产与民爆器材管理处贵州贵阳,550001 [摘 要] 为研究乳化炸药储存稳定性及其破乳机理,通过乳胶基质储存试验,采用显微照相法观测乳化炸药储 存过程中乳状液的变化,采用甲醛还原法测定乳胶基质析晶量随时间的变化,并对硝酸铵的结晶进行理论分析。 结果表明,乳化剂是影响乳化炸药储存稳定性的关键因素,提出了炸药乳状液破乳机理;析晶量随时间的关系也表 明乳化剂是影响乳胶基质存储稳定性的重要因素。 认为使用高分子乳化剂增强油膜厚度和抑制硝酸铵析晶是提 高乳化炸药稳定性的有效方法,同时将研究结果与工业生产实际相结合,对得到的结论进行了检验。 通过本文的 研究,达到了深入认识影响乳化炸药储存稳定性的因素以及破乳机理的目的。 [关键词] 乳化炸药;硝酸铵;储存稳定性;破乳;析晶 [分类号] TD235. 2 +1 引言 乳化炸药具有相对钝感、爆炸性能优越的特性, 在世界范围内得到了广泛的应用[1]。 由于乳化炸 药是一类水相以硝酸铵AN为主要氧化剂的特殊 乳状液,硝酸铵的结晶温度梯度较大,所以乳化炸药 储存稳定性和普通乳状液有显著差别,硝酸铵结晶 特性对炸药乳液稳定性有着重要的影响。 随着乳化炸药生产工艺技术的迅速发展,人们 已经意识到乳化剂与水相电解质之间的相互作 用[2-5],这种相互作用显著影响乳状液的稳定性,但 是关于其原因尚不清楚。 目前关于乳化炸药储存稳 定性及其破乳方面的研究相对较少。 文献[6]认为 老化是乳状液破乳的根本原因,但是影响老化的原 因并没有交代。 文献[7]认为乳化炸药的破乳是乳 化炸药中的硝酸铵结晶后刺破油膜形成的破乳,但 是关于破乳机理研究得并不深入。 本文通过显微照 相方法观测乳化炸药储存过程中乳状液的变化,以 及通过测试储存过程中硝酸铵的析晶量,分析乳状 液储存稳定性的差异,提出影响乳状液储存稳定性 因素,并通过工业化生产实际检验其正确与否。 1 试验 1. 1 硝酸铵样品制备 硝酸铵,工业级,70 ℃烘 48 h;Span80,化学纯; PIBSA聚异丁烯马来酸酐衍生物乳化剂为自制。 油相为 0#柴油。 1. 2 乳胶基质的制备 乳胶基质配方为质量分数硝酸铵 76%,水 17%,油相材料 7%。 其中,油相材料中乳化剂质量 分数为 2%。 将水相加热到 80 ℃后,缓慢加入到油 相中,油相的保温温度为50 ℃,水相完全加入后,快 速搅拌 3 min 后停止。 1. 3 显微照相 Nikon eclipse 55i 型电子显微镜,放大 400 倍。 1. 4 黏度测试 Brookfield 黏度仪,DR-Ⅱ + Pro 4 号转子,常温 下测试,转速 50 r/ min。 2 结果与讨论 2. 1 乳化炸药储存稳定性 乳化时间、搅拌速度机械作功等因素对乳状液 的储存稳定性影响,已进行了比较深入的分析和研 究。 本文主要从配方角度分析乳化炸药的储存稳定 性。 因为乳化剂对于乳化炸药的储存稳定性有很重 要的影响[8-10],所以首先从乳化剂的影响进行了研 究,见表 1。 其中,PIBSA 为聚异丁烯马来酸酐与单 乙醇胺反应产物。 从表1可以看出,乳化剂对于乳胶基质的储存 83 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 6 期 * 收稿日期2015-03-12 作者简介刘杰1971 ,男,高级工程师,主要从事工业炸药技术管理与研究工作。 E-mailliuj19711976@126. com 通信作者徐志祥1983 ,男,讲师,主要从事工业炸药配方及安全性研究。 E-mailxzx820708@163. com 表 1 不同乳化剂的基质储存稳定性及黏度 Tab. 1 Storage stability and viscosity of emulsion matrix with different surfactants 乳化剂一个月两个月三个月 基质黏度/ Pas PIBSA无变化无变化无变化18. 20 Span80 有晶体 析出 有大量晶 体析出 有大量晶 体析出 16. 44 稳定性有显著的影响。 为了阻止絮凝,乳化剂应有 足够有效的液滴之间排斥力,排斥力取决于乳化剂 的界面浓度,同时也与分子结构有关。 乳化剂本身 的化学结构特性和形成稳定油包水乳液的浓度,限 定了乳状液液滴的聚集,乳化剂吸附在油水界面,降 低了界面张力,提供有效的液滴界面排斥力,因此, 能阻止液滴絮凝。 由于 Span80 的极性基团主要是 酯键、醚键和羟基,如果质量控制不好,可能羟基数 量很少;而高分子乳化剂含有羧基、羟基和酯键等, 所以极性基团多,而且极性强。 因此,高分子乳化剂 相比 Span80 而言,一方面有较强的活性基团可以与 硝酸铵水溶液形成强大的相互作用;另一方面大分 子的亲油基团的存在增强了液滴之间排斥力,并且 增强了乳胶基质的黏度,改变了流变学性质,所以提 高了乳状液的储存稳定性。 从表 1 可以看出,采用 含高分子乳化剂的油相制备的乳胶基质的黏度显著 高于含 Span80 制备的乳胶基质的黏度,乳胶基质稳 定性也显著高于 Span80 制备的乳胶基质,与分析一 致,所以高分子乳化剂能提高乳化炸药基质的储存 稳定性。 另一方面乳胶基质内相配方的调整也是提高乳 化炸药储存稳定性的重要方法。 在乳化炸药生产 中,某些配方会加入尿素,为了分析尿素对乳胶基质 储存稳定性影响,通过试验进行了分析。 为了便于 用电子显微镜照相取得油包水结构图像以及硝酸铵 破乳后油包水结构破坏图像,选择高含水的现场混 装乳胶基质作为研究对象。 配方为质量分数硝 酸铵74%,尿素2%,水17%,油相5%,乳化剂2%, 测试结果见表 2。 从表2可以看出,尿素的存在显著提高了乳胶 基质的储存稳定性。在相同乳化剂条件下,尿素的 存在抑制了硝酸铵的结晶,使得硝酸铵晶体很难刺 破油膜造成乳状液破乳[7],从而提高乳胶基质储存 稳定性。另一方面,硝酸铵的极性基团硝基与氨 基与尿素和乳化剂之间弱的氢键作用,增强了液 滴之间的排斥力,因此促进了乳胶基质的储存稳 表 2 添加尿素的基质储存稳定性及黏度 Tab. 2 Storage stability and viscosity of emulsion matrix with or without urea 无机盐一个月两个月三个月 基质黏度/ Pas AN无变化 有晶体 析出 有大量 晶体析出 19. 20 AN + 尿素 无变化无变化无变化17. 63 定性。 综上所述,乳化炸药基质的稳定性除了与外相 的乳化剂密切相关外,还与乳胶基质内相的氧化剂 盐有很大关系。 2. 2 乳化炸药破乳机理 由于乳化炸药为硝酸铵水溶液在乳化剂作用下 形成的乳状液,所以破乳机理不一定与其他乳状液 相似。 为了分析乳化基质的破乳过程,通过显微镜 观察乳胶基质在不同时期内的状态,分析乳胶基质 的破乳过程。 选择将乳胶基质在低温下储存,储存 温度为 -10 ℃,测试时升温至室温。 图 1 为相同乳 化剂条件下电子显微镜观察的乳胶基质破乳图片。 a b 图 1 乳胶基质破乳电子显微图 Fig. 1 SEM of demulsion of emulsion matrix 图 1 为储存时间达到1 个月的乳胶基质样品在 不同位置取样得到的电子显微图,结果说明此时乳 胶基质已破坏,图 1a能清晰地观察到硝酸铵晶体 的存在,但是图 1b也说明乳胶基质不是整体遭到 破坏,而是部分乳胶基质先遭到破坏,其他乳胶基质 仍然完好。 乳胶基质的破乳为硝酸铵析晶后刺破周 边液滴的油膜,导致周边硝酸铵氧化剂迅速析晶,周 边成片硝酸铵晶体析出,加速了乳胶基质的破乳,观 察结果与文献[7]一致。 另一方面也说明,硝酸铵 晶体的存在并不意味着乳胶基质所有的液滴都已发 生破乳,在某一阶段,乳液和晶体共存。 从图2可以看出,随着储存时间的延长,乳胶 液滴半径在慢慢地变大。同时图2中也能看到大的 乳胶液滴周边聚结了很多小的液滴,小液滴聚结在 932015 年 12 月 乳化炸药稳定性及其破乳机理研究 刘 杰,等 a1 个月 b2 个月 c4 个月 d6 个月 图 2 乳胶基质储存期间电子显微图 Fig. 2 SEM of emulsion matrix in different storage period 大液滴周边,促使大的液滴不断地长大。 这是因为 当硝酸铵过饱和水溶液中的晶体未刺破液滴的油膜 时,小液滴就不断地聚集在大液滴周边,导致大液滴 不断地长大。 一旦硝酸铵晶体刺破油膜时,硝酸铵 水溶液瞬间结晶成硝酸铵晶体,并刺破周边的油膜, 导致乳胶基质迅速成片地结晶。 文献[11]的观察 结果也发现乳胶液滴有一个不断长大的过程。 试验过程中同时也发现,并非所有的乳胶液滴 都存在聚结过程,在试验中观察 Span80 乳胶液滴 时,就发现显著的差异。 图 3 为 Span80 乳化剂的乳 胶基质。 a刚制备 b制备一周 图 3 Span80 乳化剂的乳胶基质 Fig. 3 Emulsion matrix with Span80 从图 3b可以看出,乳胶基质的大小基本一 致,但是已有明显的硝酸铵晶体析出,说明此时乳胶 液滴并无聚结过程,也看不出小液滴聚结在大液滴 周边的情况,大液滴还没有来得及形成,硝酸铵晶体 已经刺破液滴的油膜形成结晶,并造成周边的油膜 一起被破坏,导致乳胶基质破乳。 乳胶基质的破乳机理可以理解为乳化剂一定 时,且乳化剂浓度满足乳状液稳定最低要求时,乳胶 液滴存在一个聚结过程,但是并无其他分离、沉淀等 过程,一旦硝酸铵晶体刺破油膜时,硝酸铵晶体迅速 结晶,导致乳胶液滴成片结晶,造成乳胶液滴破乳。 当乳化剂的液滴排斥力较小时,聚结过程也不一定 存在,一旦过饱和溶液中有硝酸铵晶体析出,并刺破 油膜时,硝酸铵过饱和溶液中的硝酸铵迅速结晶,并 刺破周边油膜,导致乳胶液滴成片结晶,造成乳胶液 滴破乳。 2. 3 乳化炸药硝酸铵析晶量与时间关系 为了更进一步分析不同乳化剂对炸药乳液储存 稳定性关系,采用甲醛还原法测试了乳胶基质硝酸 铵析晶量与时间的关系。 为了加快硝酸铵析晶破 乳,选择在低温下储存,储存温度为 -30℃,选择不 同时间测试硝酸铵的析晶量,测试结果见图 4 和表 3。 可以看出,采用 Span80 乳化剂制成的乳胶基质, 其稳定性比高分子乳化剂制成的乳胶基质稳定性要 差,说明 Span80 与硝酸铵水溶液之间的相互作用比 高分子乳化剂差。 测试结果也说明乳化剂的性质对 于乳状液的稳定性有着至关重要的影响。 图 4 乳胶基质硝酸铵析晶量与储存时间关系 Fig. 4 Relationship between crystallization of ammonium nitrate and storage time 表 3 乳胶基质硝酸铵析晶量与储存时间关系 Tab. 3 Relationship between storage crystallization of ammonium nitrate and storage time 时间/ d0567 Span80/ %01. 2704. 5326. 208 PIBSA/ %00. 3241. 6832. 179 812152024 15. 26236. 27351. 27376. 85487. 973 4. 64112. 18221. 65738. 59349. 954 3034405060 96. 12598. 265 68. 58375. 68287. 96392. 12795. 587 04 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 6 期 2. 4 影响乳化炸药破乳的因素 目前普遍认为,乳化剂在乳状液乳化过程中降 低界面张力,降低拉普拉斯压力并降低乳胶液滴分 散力,阻止新形成的液滴聚结[12-14]。 前文研究发 现,虽然 Span80 乳化剂表面张力低于高分子乳化 剂,但是形成的乳胶液滴并不稳定。 因此,对于同一 种乳化剂而言,在相同浓度时乳化炸药储存稳定性 与内相硝酸铵结晶程度有着密切的联系。 乳胶液滴水相为过饱和的硝酸铵溶液,硝酸铵 溶液要想形成晶体,只有硝酸铵晶核的半径大于 r* 时,晶核才能进一步生长成核和晶体[15],其中 r*为 r*= 2r32Ω kTlnS 。1 式中r32为表面能,mJ/ m2;Ω 为每个生长单元的体 积,m3;S 为饱和度,%;k 为波尔兹曼常数;T 为温 度,K。 在一定的温度条件下,式1中,k、T 是一定的, 表面能与表面张力有直接的联系,Ω 也是一定的,所 以硝酸铵的饱和度对硝酸铵成核和析晶有重要影 响。 当乳胶液滴配方中加入了尿素时,尿素的存在 降低了硝酸铵的析晶点,改变了硝酸铵的饱和度,抑 制了硝酸铵成核和结晶,所以在相同条件下含有尿 素的乳化炸药配方储存稳定性好。 当乳胶液滴从高 温向低温条件转变时,硝酸铵溶质未变,但溶解度随 温度降低而下降,所以硝酸铵更容易成核结晶,容易 刺破油膜,从而导致乳胶基质破乳,所以低温条件下 乳胶基质储存稳定性差。 从以上分析可以看出,在一定的条件下,降低硝 酸铵过饱和度也是提高乳化炸药储存稳定性的有效 方法。 在乳化炸药生产过程中,影响乳化炸药储存 稳定性和破乳的关键因素是乳化剂的选择,合适的 乳化剂能显著地提高乳化剂和硝酸铵水溶液的相互 作用;增强油膜厚度,抑制硝酸铵晶体刺破油膜。 同 时合适的配方设计也很重要。 综上所述,影响乳状液储存稳定性关键因素是 乳化剂和硝酸铵结晶。 为了提高乳胶基质储存稳定 性,必须选择合适的乳化剂和合适的硝酸铵浓度。 2. 5 乳化炸药产品储存稳定性 上文分析了油包水型乳化炸药特殊乳液的液滴 稳定性机理,由于现场混装乳化炸药和包装型乳化 炸药都为油包水型乳状液,所以该结果可以用于包 装型乳化炸药。 在包装型乳化炸药实际生产过程 中,乳化炸药产品时常会出现储存期内爆炸性能衰 减,达不到 GB180952000乳化炸药的要求。 为 了对上文的理论进行验证,在生产条件下,通过调整 水油质量比和油相中乳化剂含量验证了储存稳定性 试验结论。 验证结果见表 4。 从表 4 可以看出,当油相比例较小,且油相中乳 化剂含量较低时,乳化炸药产品储存稳定性很差,储 存至第 3 个月时,产品出现拒爆。 在提高油相比例 或油相中乳化剂含量时,乳化炸药产品储存稳定性 明显改善,在乳化剂质量相同的情况下,提高油相比 例生产的产品的储存期性能相对稳定。 说明乳化剂 在乳胶基质储存过程中起着关键的作用,同时由于 目前国内 Span80 乳化剂的质量相对较差,所以适当 提高乳化剂比例可以提高乳化剂液滴间排斥力,从 而提高乳化炸药储存稳定性。 稍微提高油相含量, 可以增加液滴的油膜强度,可以提高乳化炸药的储 存稳定性。 3 结论 通过对乳化炸药储存稳定性和破乳机理进行分 析,得到结论如下 1乳化剂是影响乳化炸药储存稳定性的关键 因素;在乳化剂一定的条件下,乳胶基质内相的硝酸 铵浓度是影响乳化炸药储存稳定性的重要因素。 2乳化炸药破乳机理为当乳化剂浓度较低或 者排斥力较小时,液滴中硝酸铵迅速结晶后刺破周 围油膜形成大片硝酸铵结晶,导致破乳。 当乳化剂 浓度较高或者排斥力较大时,乳胶液滴存在聚结过 程,液滴有一个不断增大的过程,但是并不存在其他 破乳现象。 3实际生产条件下,可以通过提高油相比例或 增加油相中乳化剂含量的办法显著改善产品储存期 性能。 表 4 不同水油比和不同乳化剂含量的油相生产的乳化炸药储存期性能 Tab. 4 Explosion performance of emulsion explosives at different storage times with different formation 水油 质量比 Span80/ % 生产当天 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 1 个月 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 2 个月 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 3 个月 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 4 个月 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 6 个月 爆速/ m.s -1 猛度/ mm 93.8︰6.22.04 70015.74 20014.53 40012.7拒爆 93.5︰6.52.04 90018.45 20018.65 10018.24 80017.74 90017.64 70017.5 93.8︰6.22.54 70017.54 80016.74 60016.44 40016.54 30016.14 10015.7 142015 年 12 月 乳化炸药稳定性及其破乳机理研究 刘 杰,等 参 考 文 献 [1] MAHADEVAN E G. 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Guizhou Anshun, 561006 ②School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University Jiangshu Zhenjiang, 212013 ③ Production Safety & Civil Explosive Materials Administrative Office, Economic & Information Commission of Guizhou Province Guizhou Guiyang,550001 [ABSTRACT] In order to investigate the storage stability and demulsion mechanism of emulsion explosives EE, stabil- ity experiments of EE were carried out, micrograph was used to observe the changes of emulsion droplets, and crystalliza- tion process of ammonium nitrate AN with time were also tested and analyzed. The results show that surfactant is a key factor to affect the storage stability of EE, which is also confirmed by the relationship of crystallization and time. The de- mulsion mechanism of EE was proposed. Enhancement of oil film strength with PIBSA surfactant and inhibition crystalliza- tion of AN are the fundamental means to increase the storage stability of EE. The experiment results were also analyzed by production of EE. The research have significant implication in the understanding of storage stability and breaking mecha- nism of EE. [KEY WORDS] emulsion explosives; ammonium nitrate; storage stability; demulsion; crystallization 24 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 6 期