废弃动植物油脂在乳化炸药油相中的应用研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2015. 05. 008 废弃动植物油脂在乳化炸药油相中的应用研究 ❋ 吴彩洪 福建海峡科化股份有限公司福建永安,366034 [摘 要] 本文研究了一种用于乳化炸药的专用复合脂,是以废弃动植物油脂地沟油及煎炸老油为主要原料, 经过一定的物理工艺处理,辅之以高热值并具有催化活性的材料对其改性制备而得。 其物理性能指标为针入度 0. 1 mm58,运动黏度 7. 38 mm2/ s,含油量质量分数30. 2%,滴熔点 56 ℃,用其制备的乳化炸药的爆速为 4 980 m/ s,殉爆距离为 5 cm,猛度为 18. 5 mm,且成本低、理化性能合适,能够满足乳化炸药爆炸性能的同时,使我国问题 繁多的“地沟油”得到了资源化利用,具有良好的经济及社会效益。 [关键词] 乳化炸药;复合蜡;理化性能;废弃动植物油脂;爆炸性能 [分类号] 235. 2 +1 引言 乳化炸药因其较低的机械感度、热感度、火焰感 度以及良好的爆炸性能、抗水性、低污染等特点,目 前已成为我国工业炸药的主要产品。 作为乳化炸药 可燃剂的油相材料是乳化炸药 W/ O 型乳状液的连 续相,它赋予了乳化炸药良好的抗水性能、适宜的流 变性及外观状态,其质量和性能关系到乳化炸药的 爆炸性能和贮存稳定性,因此,油相材料是乳化炸药 关键组分之一[1 ̄2]。 本文所研究的废弃动植物油脂 与乳化炸药通常所用的石油复合蜡具有相近的热 值,具备作为工业炸药还原剂、可燃剂的能量基础, 且具备较好的乳化性能及防水性能,可针对乳化炸 药可燃剂的要求[3],将其改性成为乳化炸药复合 蜡,通过配方的改善,调节制备出同乳化炸药复合蜡 具有相近滴熔点、针入度、运动黏度及含油量的乳化 炸药新型复合蜡,形成可再生资源,符合行业发展方 向,减少民爆行业对石油产品的依赖性,并可持续发 展,具有巨大的经济效益和社会效益。 1 试验 1. 1 试验材料与仪器 材料硝酸铵工业级,硝酸钠工业级,Span 80工业级,地沟毛油及煎炸老油自制,经过滤除 杂、高温真空除水除味,减三线蜡下油工业级, 微晶蜡工业级,聚乙烯工业级。 仪器FM ̄I 型乳化机,DV ̄I 爆速测定仪,日立 S ̄2150 型扫描电子显微镜。 1. 2 乳化炸药新型复合蜡的制备 将按比例称量的地沟毛油、煎炸老油、减三线蜡 下油、微晶蜡加热到熔化,继续升温到 120 ℃,在低 速下恒温搅拌 60 min,冷却到常温制得产品。 1. 3 乳化炸药新型复合蜡物理性能测定 乳化炸药新型复合蜡性能测定[4] 按 GB/ T35542008 测定乳化炸药新型复合蜡的含油量; 按 GB/ T49851998 测定乳化炸药新型复合蜡的针 入度;按 GB/ T2651988 测定乳化炸药新型复合蜡 的运动黏度;按 GB/ T80261987 测定乳化炸药新 型复合蜡的滴熔点。 1. 4 乳化炸药制备[5] 以质量分数计。 将 75. 5% 的硝酸铵、8. 0% 的 硝酸钠及 10. 0%的水混合,于 90 100 ℃下加热溶 解,形成水相,保温待用。 将4. 3% 的乳化炸药新型 复合蜡加热熔化后,加入 2. 2%的 Span 80 乳化剂混 熔搅拌均匀,温度控制在 90 100 ℃。 将溶好保温 的水相溶液缓慢、匀速地加入油相中,开启乳化机搅 拌,开始时转速为 600 r/ min,25 s 后转速升至 1 200 r/ min,继续搅拌 3 min,形成乳胶基质,冷却至 50 55 ℃,加入 0. 25% 化学敏化剂外加,搅拌均匀, 即为乳化炸药。 2 结果与讨论 根据馏程、针入度及含油量等参数确定了调合 组分为地沟毛油、煎炸老油、减三线蜡下油、微晶蜡, 通过探索试验,得出初始配方中各种原料的适宜配 132015 年 10 月 废弃动植物油脂在乳化炸药油相中的应用研究 吴彩洪 ❋ 收稿日期2015 ̄05 ̄07 基金项目福建省 2013 年科技成果转化和产业化项目,战略性新兴产业项目。 作者简介吴彩洪1968 ,男,在职硕士研究生,主要从事民用爆破器材技术管理与研究工作。 E ̄mailwch@ hxkh. com 比范围质量分数 为地沟毛油 25%、煎炸老油 35%、减三线蜡下油 20%、微晶蜡 20%,在确定初始 配方的基础上,又分别考察了各组分含量的变化对 产品质量的影响。 2. 1 地沟毛油含量的影响 保持煎炸老油、减三线蜡下油、微晶蜡用量不 变,改变地沟毛油用量,性能影响见表 1。 表 1 地沟毛油含量对新型复合蜡性能的影响 Tab. 1 Effect of waste oil content on performances of the new compound wax 地沟毛油含量 质量分数 / % 25283032 针入度25℃,0. 1 mm69. 772. 974. 378. 5 滴熔点/ ℃54. 954. 554. 353. 9 含油量 质量分数 / % 27. 8230. 2533. 0135. 28 运动黏度/ mm2s -1 6. 316. 246. 196. 01 从表 1 可见,随着地沟毛油含量的增加,新型复 合蜡的针入度上升较快变软,滴熔点稍许降低, 但基本影响不大,含油量规律增长,运动黏度降低缓 慢;适当增大地沟毛油用量,有利于提高新型复合蜡 的含油量,利于乳化,当用量为 30%质量分数时, 含油量为 33. 01% 质量分数,此范围的含油量较 适于乳化,此时滴熔点为54. 3 ℃,基本符合要求,但 针入度0. 1 mm74. 3 偏大,运动黏度 6. 19 mm2/ s 偏小,应继续调和以确定其他原料的含量。 2. 2 煎炸老油含量的影响 保持地沟毛油、减三线蜡下油、微晶蜡用量不 变,改变煎炸老油用量,性能影响见表 2。 表 2 煎炸老油含量对新型复合蜡性能的影响 Tab. 2 Effect of fried waste oil content on performances of the new compound wax 煎炸老油含量 质量分数 / % 28303235 针入度25℃,0. 1 mm68. 668. 969. 269. 7 滴熔点/ ℃53. 954. 354. 654. 9 含油量 质量分数 / % 31. 9730. 4029. 5827. 82 运动黏度/ mm2s -1 6. 186. 236. 286. 31 从表 2 可见,随着煎炸老油含量的增加,新型复 合蜡的针入度、运动黏度、滴熔点略有增加,含油量 降低缓慢,但都基本影响不大;煎炸老油熔点为 43. 1 ℃,适当加入一定量的煎炸老油,有利于提高 新型复合蜡的滴熔点,利于乳化膜强度的增加,当用 量质量分数 为 30% 时,含油量质量分数 为 30. 40%,此范围的含油量也较适于乳化,此时滴熔 点为 54. 3 ℃,基本符合要求,但针入度0. 1 m 68. 9偏大,运动黏度 6. 23 mm2/ s 偏小,应继续调节 配方以改善针入度及运动黏度指标。 2. 3 减三线蜡下油含量的影响 保持地沟毛油、煎炸老油、微晶蜡用量不变,改 变减三线蜡下油用量,性能影响见表 3。 表 3 减三线蜡下油含量对新型复合蜡性能的影响 Tab. 3 Effect of third vacuum dewaxing distillate content on performances of the new compound wax 减三线蜡下油含量 质量分数 / % 15202530 针入度25℃,0. 1 mm67. 968. 468. 869. 1 滴熔点/ ℃54. 054. 254. 554. 9 含油量 质量分数 / % 31. 2130. 7030. 5730. 16 运动黏度/ mm2s -1 6. 206. 316. 426. 61 从表 3 可见,随着减三线蜡下油含量的增加,新 型复合蜡的针入度、运动黏度、滴熔点略有增加,含 油量降低缓慢,但基本影响不大;减三线蜡下油为溶 剂脱 蜡 生 产 润 滑 油 基 础 油 的 副 产 物, 熔 点 为 54. 9 ℃,含油量为 29. 8%质量分数,适当加入一 定量的减三线蜡下油,有利于提高新型复合蜡的滴 熔点,利于乳化膜强度的增加,当用量质量分数 为 25%时,含油量质量分数为 30. 57%,此范围 的含油量也较适于乳化,此时滴熔点为 54. 5℃,基 本符合要求,但针入度0. 1 mm68. 8偏大,运动黏 度 6. 42 mm2/ s 偏小,应继续调节配方以改善针入度 及运动黏度指标。 2. 4 微晶蜡含量的影响 保持地沟毛油、煎炸老油、减三线蜡下油用量不 变,改变微晶蜡用量,性能影响见表 4。 从表4可见,随着微晶蜡含量的增加,新型复合 蜡的运动黏度、滴熔点增加,含油量降低;微晶蜡是 一种近似微晶性质的精制合成蜡,具有光泽好、熔点 高、色泽浅的特点,其结构紧密,坚而滑润,能与各种 天然油脂互熔,并能提高其低度蜡的熔点,改进粗性 蜡的性能[6]。熔点为60. 5 ℃ ,运动黏度99 ℃ 为 9. 2 25. 0 mm2/ s,适当加入一定量的微晶蜡,有利 于提高新型复合蜡的滴熔点,利于乳化膜强度的增 加,当用量质量分数为15% 时,含油量质量分 23 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 5 期 表 4 微晶蜡含量对新型复合蜡性能的影响 Tab. 4 Effect of f microcrystal wax content on performances of the new compound wax 微晶蜡含量 质量分数 / % 5101520 针入度25℃,0. 1 mm69. 968. 668. 268. 1 滴熔点/ ℃52. 853. 454. 254. 9 含油量 质量分数 / % 31. 0230. 6630. 1430. 01 运动黏度/ mm2s -1 6. 226. 316. 626. 71 数为 30. 14%,此范围的含油量适于乳化,此时滴 熔点为54. 2 ℃,基本符合要求,针入度略有降低,运 动黏度略有增高,为 6. 62 mm2/ s,仍然偏小,应继续 调节配方以改善针入度及运动黏度指标。 2. 5 配方的完善及确定 综上研究,确定乳化炸药新型复合蜡的初步配 方质量分数为地沟毛油 30%、煎炸老油 30%、 减三线蜡下油 25%、微晶蜡 15%。 此配方调和出的 新型复合蜡具有如下性能范围针入度0. 1 mm68 69,滴熔点 54 55 ℃,含油量质量分数30 31%,运动黏度 6. 3 6. 7 mm2/ s。 从几项性能分 析,作为乳化炸药专用复合蜡,其针入度略微偏高, 运动黏度偏小。 此外,配方中的地沟毛油及煎炸老 油,含有一定量的不饱和脂肪酸,在生产、储存、使用 过程中易氧化变质,需在配方中采取适当措施予以 克服。 采用在配方中添加聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、 聚异丁烯、石油树脂、乙烯 ̄醋酸乙烯共聚物、乙烯 ̄ 丙烯共聚物的一种或几种混合物。 聚乙烯是一种乙 烯基的直链状聚合物,相对分子质量为 5 000 20 000的聚乙烯效果较为理想,可提高油脂的硬度、 滴点及密封强度,降低油脂的锥入度,提高油脂的黏 度,从而改善乳化炸药的外观状态,增强乳化炸药的 弹塑性[7]。 用量一般不超过 5%。 采用在配方中添加抗氧剂包括丁基羟基茴香醚 BHA、四[β ̄3,5 ̄二叔丁基 ̄4 ̄羟基苯基丙酸]季 戊四醇酯1010、2,6 ̄二叔丁基对甲酚BHT、2,4, 6 ̄三叔丁基苯酚246、三[2. 4 ̄二叔丁基苯基]亚磷 酸酯168的一种或几种混合物[8]。 当其在油脂中 少量存在时,可延缓或抑制油脂氧化过程的进行,从 而阻止油脂的酸败或老化,实际使用经常为几种抗 氧剂的复合,以利用各种助剂之长,配合使用,产生 协同效应,考虑性能及成本间平衡,一般用量质量 分数不超过 0. 5%。 经过大量试验研究确定的乳化炸药新型复合蜡 配方为 质量分数 地沟毛油 25%, 煎炸老油 30%,减三线蜡下油 25%,微晶蜡 15%,聚合物 4. 5%,抗氧剂 0. 5%。 按上述配方制备的乳化炸药新型复合蜡的含油 量、针入度、运动黏度和滴熔点的性能测定结果为 针入度0. 1 mm58,运动黏度 7. 38 mm2/ s,含油量 质量分数30. 2%,滴熔点 56 ℃。 2. 6 新型复合蜡制备乳化炸药性能研究 以新型复合蜡制得的乳胶基质 SEM 见图 1。 图 1 新型复合蜡乳胶基质照片及 SEM Fig. 1 Picture and SEM of emulsion matrix prepared by the new compound wax 从扫描电镜图可知,用乳化炸药新型复合蜡制 得的乳化基质在扫描电子显微镜下为细小球状颗 粒,即为新型乳化炸药的 W/ O 粒子。 颗粒分布均 匀,基本符合正态分布[9],粒径大多分布在在 1. 0 2.0 μm。 由于在乳化炸药中,无机氧化剂盐水溶液 分散相液滴越小,表面积急剧增大,界面自由能 也必然增加,从而影响氧化剂盐的晶析↔溶解平衡, 阻止结晶的形成。 因为当粒子变小时,表面积对粒 子体积比,即界面能对结晶核内能的比增大,溶解状 态稳定,从而使乳化基质稳定[10]。 由此也说明新型 复合蜡得的乳化炸药具有良好的储存稳定性。 将 3 种乳化炸药专用蜡制备的乳化炸药分别测 定性能如表 5。 通过 3 种乳化炸药爆炸性能来看,以废弃动植 物油脂制备的乳化炸药新型复合蜡同石油蜡制成的 乳化炸药都符合 GB180952000乳化炸药的要 求,可作为乳化炸药理想的连续相。 3 结论 1所研制的以废弃动植物油脂为主制备的乳 化炸药新型复合蜡的基本配方质量分数为地沟 毛油 25%,煎炸老油 30%,减三线蜡下油 25%,微 晶蜡 15%,聚合物 4. 5%,抗氧剂 0. 5%;其理化性 能为针入度0. 1 mm58,运动黏度 7. 38 mm2/ s, 含油量质量分数30. 2 %,滴熔点 56 ℃。 2以乳化炸药新型复合蜡制备的乳化炸药,具 332015 年 10 月 废弃动植物油脂在乳化炸药油相中的应用研究 吴彩洪 表 5 3 种乳化炸药性能比较 Tab. 5 Performance comparison of three emulsion explosives 油样 新型 复合蜡 广东茂名 复合蜡 河南南阳 复合蜡 外观弹塑态胶态、较硬胶态、较硬 装药密度/ gcm -3 1. 15 1. 20 1. 15 1. 20 1. 15 1. 20 殉爆距离/ cm555 爆速/ ms -1 4 9805 0204 965 猛度/ mm18. 518. 818. 5 高低温循环次数121212 有良好的爆炸性能,符合 GB180952000乳化炸 药的要求。 3以废弃动植物油脂制备乳化炸药专用蜡,一 定程度上减少了民爆行业对石油产品的依赖性,使 问题繁多的“地沟油”得到了资源化利用,具有良好 的经济及社会效益。 参 考 文 献 [1] 吕春绪,等. 工业炸药理论[M]. 北京兵器工业出版 社,2003. 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It mainly consists of abandoned animal and vegetable oil waste oils and fried oil, and was prepared by a certain physical process and modified by materials with high calorific value and high catalytic activity. Its physical properties are as followsthe penetration 0. 1 mm is 58, the kinematic viscosity is 7. 38 mm2/ s, the mass fraction of oil is 30. 2% and the drop melting point is 56 ℃. Detonation performances of the emulsion explosive prepared by the special compound wax are as follows the detonation velocity is 4 980 m/ s, the gap distance is 5 cm and the brisance is 18. 5 mm. The special compound wax has the advanta ̄ ges of low cost and appropriate physical and chemical properties, and it enables to meet the detonation performances of emulsion explosives, which not only effectively utilize waste oil with a wide range of problems but also has numerous economic and social benefits. [KEY WORDS] emulsion explosive; compound wax;physical and chemical property; waste vegetable oil and animal fats; detonation performance 43 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 5 期