模拟W_O法测乳化炸药水相析晶点的研究.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 05. 009 模拟 W/ O 法测乳化炸药水相析晶点的研究 ❋ 汪宏祥① 曲桂梅② 黄文尧① 吴红波① 刘文杰① ①安徽理工大学化工工程学院安徽淮南,232001 ②抚顺矿业集团有限责任公司十一厂辽宁抚顺,113000 [摘 要] 为准确测出乳化炸药水相析晶点,分析比较了析晶点测试主要方法的优缺点,设计一种模拟 W/ O 法乳 化炸药水相析晶点测试装置,对乳化炸药的水相析晶点进行了测试,并与烧杯自然降温法和橡胶塞密闭试管法测 得的析晶点进行对比。 结果表明,模拟 W/ O 法测得的析晶点误差小于 1 ℃,测试结果准确,测试方法简单,值得推 广应用。 [关键词] 乳化炸药;水相析晶点;模拟 W/ O 法 [分类号] TD235. 2 1 引言 乳化炸药是我国工业炸药的主要品种。 根据乳 化炸药使用场合不同,乳胶基质的水相除了有硝酸 铵外,还可能含有硝酸钠、氯化钾等,这种溶液浓度 高,温度系数大。 若水相的析晶点过高,将严重影响 炸药的抗水性能和储存稳定性[1]。 目前,工厂测乳 化炸药水相析晶点采用烧杯在空中自然降温的方 法,此方法易受外界环境、检测人员素质等因素的影 响,导致测试结果偏差较大,无法准确验证乳化炸药 水相配料量是否准确[2-4]。 因此,改进目前测定乳化炸药水相析晶点的方 法,提高乳化炸药水相析晶点测定的准确性,对乳化 炸药的配方设计和提高乳化炸药稳定性有着重要的 意义。 1 析晶点测试的主要方法 1. 1 烧杯自然降温法 按一定比例称量硝酸铵、硝酸钠、水等倒入烧杯 中,再将烧杯置于电炉上加热,溶解后将烧杯悬空固 定在铁架台上,插入温度计,自然降温冷却,直至溶 液出现细小结晶时,记录此时的温度,即为析晶点。 此操作方法简便易行,但该测试方法粗糙,测试的结 果不准确。 硝酸铵、硝酸钠等与水在加热溶解的过 程中,会有水汽溢出。 在溶液降温的过程中,溶液表 面与外界环境直接接触,如受空气流的影响,导致结 晶从溶液表面或烧杯壁面开始,这些晶核会诱使整 个溶液结晶,所测析晶点偏高。 1. 2 橡胶塞密闭试管法 按一定比例称量硝酸铵、硝酸钠、水等,倒入平 底试管中,然后用带温度计的橡胶塞塞住试管口,放 在恒温水浴槽中加热溶解,然后取出悬空固定在铁 架台上,自然冷却降温,测析晶点[5]。 此方法有着 许多可取之处,这种橡胶塞密封的方式减少了空气 流对其影响。 但试管内外温差的存在,会出现试管 壁挂水的现象,且管壁的降温速率快于内部溶液,出 现管壁先析晶、再诱导整个溶液析晶的现象。 1. 3 Tyndall 法 张茂煜等采用了 Tyndall 法测定硝酸铵水溶液 的析晶点[6],装置见图 1。 1 - 强光源;2 - 聚光镜;3 - 温度计;4 - 搅拌机; 5 - 冷却剂;6 - 恒温水浴槽;7 - 磁力搅拌器; 8 - 水相析晶点测试溶液;9 - 微晶闪光区域。 图 1 Tyndall 法测析晶点的装置 Fig. 1 Test device for crystallization point by Tyndall 24 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 5 期 ❋ 收稿日期2016-03-31 基金项目安徽省高等学校省级自然科学基金资助项目KJ2013A102 作者简介汪宏祥1991 - ,男,硕士研究生,主要从事乳化炸药的性能研究。 E-mail 281685437 qq. com 万方数据 该装置通过搅拌机和冷却剂使溶液以缓慢的冷 却速度10 ℃ / h降温,聚光的强光源通过恒温槽照 射到硝酸铵水溶液中,当硝酸铵溶液中刚出现微小 的结晶闪光时,记录此时的温度。 随着结晶的出现, 放出一定的相变热;即使恒温槽内温度下降,此温度 仍能保持一段时间,然后再缓慢地升温至晶粒闪光 消失。 重复上述试验步骤,记录析晶温度,求其平均 值,即为析晶点。 该方法避免了烧杯四周环境温度 和气流变化对析晶点的影响,通过加入冷却剂并搅 拌控制降温速率,能观察晶体析出的具体过程,但烧 杯的上端开口,反复受热会使水分蒸发,测试的结果 仍比水相所固有的析晶点高,且此方法对测试人员 的素质要求也较高。 2 模拟 W/ O 法析晶点测试原理及装置 2. 1 模拟 W/ O 法析晶点测试原理 由于乳化炸药水相中的主要成分是硝酸铵, NH 4 和 NO - 3 离子缔合为NH 4 NO - 3 离子对,该离 子对继续与 NH 4 和 NO - 3 结合形成离子群,当离子 群成长到足够大时,就成为晶核,而晶核的形成对整 个析晶过程起着诱导作用,即晶种作用[7-8]。 为避免敞开容器中的溶液四周降温不均匀,防 止在低温处溶液先形成晶核,诱导整个溶液结晶,设 计模拟 W/ O 法乳化炸药水相析晶点测试装置。 该 装置是基于乳胶基质本身的 W/ O 结构,将这种结 构进行宏观放大,模拟水相被油相所包覆,即将乳化 炸药水相四周被石蜡油所包围,隔绝了水相与外界 环境的直接接触,以此保证水相整体降温的一致性。 2. 2 模拟 W/ O 法析晶点测试装置 模拟 W/ O 法乳化炸药水相析晶点测试装置的 主要仪器有⌀30 mm 120 mm 平底试管 1 只,200 mL 烧杯 1 只,温度计 1 只,铁架台 1 套,电炉 1 台。 模拟W/ O法测析晶点的具体装置如图2所示, 方法是将硝酸铵、硝酸钠、水等按一定比例称量,倒 入平底试管中,水相总质量为20 g,再倒入10 mL左 1 - 平底试管;2 - 烧杯;3 - 液体石蜡; 4 - 水相;5 - 电炉。 图 2 水相溶液溶解装置 Fig. 2 Dissolving device of aqueous solution 右的液体石蜡;然后,将试管放入盛有一定量液体石 蜡的烧杯中;最后,将烧杯放在电炉上加热溶解。 当水相完全溶解后,将烧杯固定于铁架台上,烧 杯底部悬空离台面不小于 1 cm,再将平底试管安放 在烧杯中央,要求试管的液体石蜡液面和烧杯的液 体石蜡液面平齐,且试管平底离烧杯底部距离不小 于 2 cm,以确保水相在烧杯的中心。 最后把温度计 悬挂于水相中。 具体装置如图 3 所示。 1 - 温度计;2 - 试管夹;3 - 试管;4 - 液体石蜡; 5 - 水相;6 - 烧杯;7 - 铁架台。 图 3 模拟 W/ O 法析晶点测试装置 Fig. 3 Test device for crystallization point by simulating W/ O 3 模拟 W/ O 法析晶点测试装置在乳化炸药水相 中的应用 3. 1 试剂 试剂硝酸铵,分析纯,西陇化工股份有限公司; 硝酸钠,化学纯,天津化学试剂三厂;氯化铵,分析 纯,天津市福晨化学试剂厂;氯化钾,分析纯,蚌埠电 化试剂厂;液体石蜡,天津市福晨化学试剂厂。 3. 2 乳化炸药水相析晶点的测定 按上述模拟 W/ O 法析晶点测试装置和方法, 分别对 2岩石乳化炸药、二级煤矿许用乳化炸药、 三级煤矿许用乳化炸药的水相析晶点进行测试。 该 3 种乳化炸药的水相配比质量分数见表 1。 平行 做 3 次试验,求其平均值和极差,测试结果见表 2。 具体测试装置见图 4。 表 1 乳化炸药水相的配方 Tab. 1 ula of aqueous phase of emulsion explosives 炸药品种硝酸铵 硝酸钠 氯化钾 氯化铵水 2岩石 乳化炸药 8090011 二级煤矿许用 乳化炸药 7790410 三级煤矿许用 乳化炸药 7393411 342016 年 10 月 模拟 W/ O 法测乳化炸药水相析晶点的研究 汪宏祥,等 万方数据 表 2 模拟 W/ O 法乳化炸药水相析晶点测试结果 Tab. 2 Test results of crystallization point of emulsion explosive by simulating W/ O 炸药品种 析晶点/ ℃ 第 1 次第 2 次第 3 次平均值 极差/ ℃ 2岩石 乳化炸药 76. 175. 576. 476. 00. 9 二级煤矿许用 乳化炸药 69. 970. 370. 770. 30. 8 三级煤矿许用 乳化炸药 64. 164. 363. 564. 30. 4 图 4 模拟 W/ O 法析晶点测试装置实物图 Fig. 4 Practicality map of testing device for crystallization point by simulating W/ O 此外,对 2岩石乳化炸药的水相析晶点分别用 烧杯自然降温法和橡胶塞密闭试管法进行了测定, 测定结果与模拟 W/ O 法测得的析晶点进行了对 比,其结果见表 3,3 种方法的初始析晶位置见图 5。 表 3 不同方法对 2岩石乳化炸药 水相析晶点的测试结果 Tab. 3 Crystallizing point determination of water phase of No. 2 rock emulsion explosive by different s 测试方法 析晶点/ ℃ 第 1 次第 2 次第 3 次平均值 极差/ ℃ 模拟 W/ O 法76. 175. 576. 476. 00. 9 烧杯自然 降温法 86. 785. 384. 985. 61. 8 橡胶塞密闭 试管法 78. 276. 378. 977. 82. 6 3. 3 结果与讨论 从表2可以看出,用模拟W / O法测3种乳化炸 药水相析晶点所测得的结果重复性好,极差最大0. 9 ℃ 。从表3可以看出,烧杯自然降温法测得析晶点 极差为1. 8 ℃,橡胶塞密闭试管法测得析晶点极差 a模拟 W/ O 法;b烧杯自然降温法; c橡胶塞密闭试管法 图 5 3 种方法的初始析晶位置图 Fig. 5 Initial crystallization location by the three s 为2. 6 ℃,相对于模拟W/ O法,这两种方法重复性 差,测试结果偏高。 这是由于烧杯自然降温法水相 加热溶解时有水汽溢出,溶液浓度增大;而橡胶塞密 闭试管法在水相加热溶解时,水汽虽不会溢出,但会 在试管壁上凝结成液滴,且试管内的压力增大。 这 两种方法在降温析晶时溶液各向降温不均匀,导致 测试结果误差较大。 从乳化炸药水相初始析晶位置来看,模拟 W/ O 法水相初始析晶是从溶液内部的一个点开始,然后 晶体慢速成长,直至溶液全部析晶。 而橡胶塞密闭 试管法和烧杯自然降温法的水相初始析晶是从溶液 的表面开始,快速从上往下诱导整个溶液全部析晶。 就装置而言,液体石蜡油的沸点在 180 250 ℃ 之间,沸点高,可测析晶点的范围广,试验装置简单, 操作简便。 在此装置中,所测乳化炸药水相的量较 少,并被液体石蜡油浴全部包围,由于液体石蜡的热 容量较大,降温速率低,又隔绝了空气,避免了外界 环境因素对内部水相析晶点的影响,从根本上避免 了水相因整体降温不均匀,局部产生的晶核诱导整 个溶液析晶的现象,因此,测试结果准确,重现性 较好。 4 结论 1模拟 W/ O 法测乳化炸药水相析晶点所采用 的仪器均为实验室常用仪器,试验装置安装简单、操 作简便。 2模拟 W/ O 法测试析晶点与以往析晶点的测 试方法不同,该方法模拟 W/ O 型的结构,将乳化炸 药水相密闭在液体石蜡油浴内,减少了外部环境对 水相析晶点测定结果的影响,并通过油浴降温,控制 了降温速率,使析晶点的测试结果准确,误差可控制 在 1 ℃以内,值得推广应用。 参 考 文 献 [1] 黄文尧,颜事龙. 炸药化学与制造[M]. 北京冶金工 业出版社,2009. 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Study on the Crystallization Point of Water Phase of Emulsion Explosive by Simulating W/ O WANG Hongxiang①, QU Guimei②, HUANG Wenyao①, WU Hongbo①, LIU Wenjie① ①School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology Anhui Huainan, 232001 ②The 11th Factory, Fushun Mining Group Liaoning Fushun, 113000 [ABSTRACT] In order to accurately measure crystallization point of aqueous phase of the emulsion explosive, the advan- tages and disadvantages of the main measurement s for crystallizing point were identified and compared. Measuring device for crystallization point of liquid phase was designed by simulating W/ O , and test results of this is compared with those of natural cooling of beaker and the rubber plug closed test tube . Results show that the error of crystallization point measured by simulating W/ O is less than 1 ℃, and the test results are accurate. This test is simple, so it is worth to be widely applied. [KEYWORDS] emulsion explosive; crystallization point of water phase; simulating W/ O ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ■■■■■■■■■■ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ■■■■■■■■■■■ ■ ■ ■ 声 明 1、本刊对发表的文章拥有出版电子版、网络版版权,并拥有与其他网站交换信息的权利。 本刊支付的稿酬已 包含以上费用。 2、本刊文章版权所有,未经书面许可,不得以任何形式转载。 爆破器材编辑部 542016 年 10 月 模拟 W/ O 法测乳化炸药水相析晶点的研究 汪宏祥,等 万方数据