提高粉状乳化炸药储存稳定性的方法研究磁.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2013. 06. 005 提高粉状乳化炸药储存稳定性的方法研究 磁 吕兆坤 ① 张凯铭① 倪欧琪①② 俞珍权② 唐淑娟② 范 敏① ①南京理工大学化工学院(江苏南京,210094) ②国家民用爆破器材质量监督检验中心(江苏南京,210094) [摘 要] 文章探讨了不同添加剂对提高粉状乳化炸药储存稳定性的作用。 试验发现,滑石粉可以有效地减少粉 状乳化炸药的结块现象,提高储存稳定性。 当粉状乳化炸药水分质量分数较低时,作为硝酸铵晶型抑制剂的硝酸 钾能有效地抑制粉状乳化炸药的结块现象。 采用聚异丁烯醇胺型乳化剂(PIBSA- TEA)能提高粉状乳化炸药的储 存稳定性,如果将其和聚异丁烯丁二酰亚胺乳化剂(T152)复配使用效果更佳。 在油相添加一定质量的松香能延长 炸药储存期,但加入量太高,生产过程中脱水困难,效果下降。 [关键词] 粉状乳化炸药 滑石粉 硝酸铵 硝酸钾 PIBSA- TEA T152 松香 [分类号] TQ564. 4 +2 TD235. 2+1 引言 粉状乳化炸药(PEE)是一类兼具传统粉状炸药 和乳化炸药优点的工业炸药,其结构是以极薄油膜 包覆的硝酸铵(AN)等无机盐晶体形状的粉末 [1] 。 PEE 的生产过程分为两部分,首先通过机械搅拌将 油相、水相乳化形成乳胶基质;然后将乳化基质经喷 雾干燥形成 PEE 药粉 [2] 。 PEE 在储存过程中会出 现结块现象,在湿度高、昼夜温差大的夏季尤为严 重。 这种缺陷影响了 PEE 的储存性、爆炸性能和安 全性 [3] 。 PEE 的结块现象由多种因素造成,主要是 AN 的吸湿性和晶型变化。 由于 AN 颗粒表面是极性高 能表面,且晶体表面结构为多孔空隙结构,故 AN 具 有较强的吸湿性,这导致了 AN 颗粒强烈地吸收空 气中的水分,并通过静电作用以及氢键和水分子相 结合 [3- 5] 。 常压下固体 AN 在 - 16. 9 ~ 169. 6 ℃温 度范围内存在 5 种热力学稳定的晶体立方晶体 (Ⅰ)、四方晶体(Ⅱ)、α斜方晶体(Ⅲ)、β斜方晶体 (Ⅳ)、正方晶体(Ⅴ)。 AN 在 5 种晶型转化的过程 中,晶型的结构、密度及其它物理性质亦随之发生变 化( 表1) 。这种经过晶型转化形成新的晶型的 过程,很容易使晶体破碎粉化,再加上吸湿效应, 使晶体更易聚结成块。发生于32. 3℃的相变,由于 与工业炸药的储存温度比较接近,影响最为严 重 [1,6- 8] 。此外,PEE颗粒微观结构保持着油包水型 ( W/ O)的结构 [9- 10] ,所以油相的组成、油膜强度的 表 1 硝酸铵晶体的相变参数变化 Tab. 1 Changes of ammonium nitrate crystal phase change parameters 相变类型 相变温度/ ℃ 体积变化/ % 相变热/ (J g -1) Ⅰ ~ Ⅱ125*. 2- 2儋. 1- 52拻. 7 Ⅱ ~ Ⅲ84摀. 21ǐ. 3- 16拻. 7 Ⅲ ~ Ⅳ32摀. 2- 3儋. 6- 19拻. 2 Ⅳ ~ Ⅴ- 18侣. 02ǐ. 9- 6{. 7 大小、乳化剂的乳化能力以及界面膜强度都对 PEE 的储存稳定性有较大的影响。 本文对 PEE 的储存稳定性进行了系统的研究, 探讨了不同添加剂提高 PEE 储存稳定性的作用。 1 试验部分 1. 1 试验仪器和药品 PEE 样品均来自生产企业。 含不同质量分数滑 石粉的 PEE 是按比例将滑石粉加入到 PEE 药粉中 混合均匀后制得。 含不同硝酸钾(KN)的 AN 通过 将 KN 和 AN 共同熔化后制得。 聚异丁烯醇胺乳化 剂(PIBSA- TEA)按文献[11]的方法制得。 EXCAL5423- H 环境实验箱,法国 Climates 公 司;DSC- 7 分析仪,美国 Perkin- Elmer 公司;CTM2050 万能材料试验机,上海协强仪器制造有限公司; Brookfield DV- Ⅱ黏度仪,美国博勒飞公司。 1. 2 DSC 测试条件 42 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 磁 收稿日期 2013- 07- 25 作者简介 吕兆坤(1990 ~ ),男,硕士研究生,主要从事应用化学专业的研究。 E- maillvzhaokun1990@163. com 通信作者 倪欧琪(1953 ~ ),男,教授,主要从事工业炸药相关研究。 E- mailniouqimmm@163. com 1. 2. 1 测试 PEE 中 AN 相变的 DSC 条件 DSC 测试温度范围10 ~ 170 ℃;升温速率2 ℃/ min;样品质量1 ~ 2 mg。 1. 2. 2 测试 PEE 热分解性的 DSC 条件 DSC 测试起始温度50 ℃;升温速率5 ℃/ min;样品质量1 ~ 2 mg。 1. 3 抗压强度测试 首先将不同 PEE 样品制成直径 12 mm、长 25 mm、质量 10 g 的药柱,然后将经过高低温循环(50 ℃储存1 h,1 h 降至10 ℃后储存1 h,1 h 升温至50 ℃为一次高低温循环)的药柱在相对湿度 80%的条 件下吸湿 10 h,再经 60 ℃下烘 6 h 后放入保干器 中,凉至室温,在万能材料试验机上测试其抗压强 度。 1. 4 PEE 的储存试验 PEE 的储存试验是将 PEE 按 25 kg/ 袋装袋密 封,每10 袋相同质量的 PPE 堆起摆放,每隔一段时 间观察压在最底下袋中 PEE 的结块现象。 1. 5 硝酸铵的吸湿性试验 将不同硝酸铵样品(初始样品的水分质量分数 均在 0. 02%以下)研磨后过筛(取过完 60 目的样 品),称取相同质量的样品于称量皿中,在温度 30 ℃、湿度 80%的情况下,每隔一段时间称量样品质 量的变化,计算硝酸铵的吸湿率。 1. 6 黏度测试条件 测试温度100 ℃以下;转速1 r/ min;转子型 号96 #。 2 PEE 储存稳定性研究 2. 1 惰性添加剂提高 PEE 储存稳定性的作用 在PEE 中,由AN 自身性质决定,其吸湿后颗粒 表面形成一层饱和水溶液膜,由于表面张力的作用, 相邻颗粒间形成“液桥”。 当外界温度降低时,“液 桥”AN 晶体析出形成“盐桥”而导致 PEE 的结块。 当在 PEE 中加入一定量的惰性添加剂滑石粉,有利 于增强药粉颗粒的流散性,减少颗粒间的连接与摩 擦,对于“盐桥”的生成产生一定的阻碍作用,防止 由药粉颗粒中裸露的 AN 引起的结块。 本文研究惰 性添加剂滑石粉提高 PEE 储存稳定性的作用。 不 同质量分数滑石粉的 PEE 药柱经高低温后抗压强 度如表2 所示。 由表2可知,加入滑石粉后PEE药柱的抗压强 度有所下降,滑石粉质量分数越高,药柱抗压强度下 降 越明显,说明加入滑石粉后PEE不易结块。但 是,如果加入滑石粉,炸药的爆炸性能或安全性能会 下降严重,将影响它的应用,所以需对其是否影响 表 2 高低温循环后 PEE 药柱的抗压强度变化 Tab. 2 Changes of compressive strength in the PEE medicine column after high and low temperature circulations kN 样品 高低温循环后次数/ 次 0镲3c6鬃10b 不含滑石粉的药柱0晻. 1270 . 1270}. 1480耨. 155 含5%滑石粉的药柱0晻. 1250 . 1320}. 1400耨. 152 含10%滑石粉的药柱0晻. 1160 . 1140}. 1220耨. 131 含15%滑石粉的药柱0晻. 0980 . 1140}. 1150耨. 119 PEE 的爆炸性能以及安全性能进行研究。 不同质量 分数滑石粉的 PEE 爆炸性能和安全性能分别如表 3 和表 4 所示。 表 3 不同质量分数滑石粉 PEE 的爆炸性能 Tab. 3 Explosion properties of PEE with different talcum powder contents 滑石粉质量 分数/ % 作功能力/ mL 爆速/ (m s -1) 猛度/ mm 殉爆距离/ cm 0痧36043860J17拻. 2213 5痧34543846J16拻. 5163 10 32243623J15拻. 3153 15 30843400J14拻. 8103 表 4 不同质量分数滑石粉 PEE 的安全性能 Tab. 4 Safety of PEE with different talcum powder contents 滑石粉 质量分数/ % 撞击 感度/ % 摩擦 感度/ % 热感度 静电火花 感度 分解 温度/ ℃ 0摀8 2d 未燃 未爆 未冒烟、燃 烧和爆炸 260K. 8 5摀4 2d 未燃 未爆 未冒烟、燃 烧和爆炸 267K. 3 10*4 1d 未燃 未爆 未冒烟、燃 烧和爆炸 269K. 8 15*4 0d 未燃 未爆 未冒烟、燃 烧和爆炸 284K. 6 由表3 和表 4 可知,随着滑石粉质量分数的增 加,PEE 的性能呈下降的趋势,加入量在 15%以内, PEE 的性能均在标准要求的范围之内。 此外,加入 滑石粉并未降低 PEE 的安全性,相反,在一定程度 上有所提高。 说明添加一定质量的滑石粉于 PEE 中是可行的。 2. 2 AN 晶型改进剂提高 PEE 储存稳定性的作用 AN 的晶型变化是引起 PEE 结块的重要原因, 522013 年12 月 提高粉状乳化炸药储存稳定性的方法研究 吕兆坤等 以往的研究发现 [12] ,硝酸钾(KN)能有效地抑制 AN Ⅲ ~ Ⅳ晶型变化,从而有效地改善 PEE 的结块现象。 但在夏季,加入 KN(2%)后的 PEE 依然出现结块现 象,原因在于,在 AN 中加入 KN 后,由 AN 和 KN 形 成的复盐吸湿性增强(表5)。 此外,当 AN 和 KN 体 系中水的质量分数较多,KN(2%)抑制 ANⅢ ~ Ⅳ晶 型变化的效果下降,当水的质量分数2. 3%时,ANⅢ ~ Ⅳ晶型变化再次出现(图 1 和图 2)。 故采用 KN 提高 PEE 储存稳定性,首先应将 PEE 水分控制在较 低水平。 表5 硝酸铵中加入硝酸钾后样品质量的增率 Tab. 5 Quality increase rate after the addition of potassium nitrate in ammonium nitrate % KN 质量 分数/ % 不同时间/ min 30�90C150煙180邋210*240p 0s0崓. 0210乙. 0360 . 0510]. 0530#. 0610梃. 065 1F. 50崓. 0250乙. 0520 . 0540]. 0610#. 0670梃. 070 1F. 80崓. 0230乙. 0590 . 0700]. 0690#. 7100梃. 078 2F. 00崓. 0230乙. 0900 . 1000]. 1140#. 1300梃. 120 图1 水分质量分数 1. 8% 时 PEE 的 DSC 图 Fig. 1 DSC of PEE with moisture content of 1. 8% 图2 水分质量分数2. 3%时 PEE 的 DSC 图 Fig. 2 DSC of PEE with moisture content of 2. 3% 2. 3 乳化剂提高 PEE 储存稳定性的作用 PEE 的微观结构是 W/ O 的结构,乳化剂紧密 排列于过饱和 AN 溶液和油相的界面上,在炸药储 存中起着关键的作用。 PEE 所用的乳化剂主要是聚 异丁烯丁二酰亚胺乳化剂(T152),尾链较长,和油 相具有较好的亲和性,能在一定程度上延长炸药储 存期。 但是,此类乳化剂也有成乳能力较差的缺点。 目前国内 PEE 生产所用乳化器大部分已更换成大 间隙、低转速的单级乳化器,乳化器在乳化时的剪切 效应较以往使用的两级乳化下降较多,在此情况下, 该乳化剂往往不能产生良好的乳化效果而影响了炸 药的储存期。 聚异丁烯醇胺型乳化剂(PIBSA- TEA) 是近年来国内外研究较多的乳化剂 [13- 14] ,具有较强 的乳化能力和稳定性,本文将合成的 PIBSA- TEA 乳 化剂应用于 PEE 生产,并将其和 T152 进行对比(表 6、表 7)。 表 6 采用不同乳化剂的 PEE 基质黏度的测试 Tab. 6 Test results of viscosity of PEE matrix with different emulsifiers 乳化剂类型 加入量/ % 黏度/ (Pa s) T152敂1*. 565002 PIBSA- TEA1*. 566502 PIBSA- TEA(20%),T152(80%)1*. 568002 表7 采用不同乳化剂的 PEE 药柱抗压强度变化 Tab. 7 Changes of compressive strength in PEE medicine column with different emulsifiers kN 乳化剂类型 加入量/ % 高低温循环次数/ 次 0刎3 659c T152敂1e. 50}. 1270�. 1270谮. 1480 . 155 PIBSA- TEA1e. 50}. 1020�. 1190谮. 1390 . 149 PIBSA- TEA(20%), T152(80%) 1e. 50}. 1160�. 1240谮. 1230 . 128 当连续相材料确定的情况下,乳化液的黏度主 要取决于分散相粒径。 乳化液的黏度越大,则粒径 越小,乳化效果越好。 由表 6 可以看出,在相同的加 入量情况下,PIBSA- TEA 制备的 PEE 乳化基质黏度 较 T152 稍大,而 PIBSA- TEA 与 T152 混合使用后, 制备的 PEE 乳胶基质黏度最大。 在使用量相同的情况下,采用 PIBSA- TEA 的 PEE 药柱高低温循环后抗压强度较 T152 稍有下降, 尤其在高低温循环前,由于 PIBSA- TEA 乳化效果 好,油膜包覆较完整,所制备的 PEE 抗压强度和 T152 相比降低较明显。 将PIBSA- TEA 和T152 混合 后应用于 PEE,PEE 在高低温后抗压强度最小,储存 稳定性最好。这可能是由于两种乳化剂协同作用,在 62 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 表8 不同质量分数松香的 PEE 的结块情况 Tab. 8 Agglomeration of PEE with different resin contents 油相各组分 含量基质黏度/ (mPa s) 水分质量 分数/ % PEE 结块情况 1 个月3 个月6 个月9 个月 复合蜡(100%)37父. 01妸. 4不结块不结块轻微结块结块 复合蜡(95%),松香(5%)39父. 01妸. 4不结块不结块不结块结块 复合蜡(90%),松香(10%)40父. 81妸. 3不结块不结块不结块不结块 复合蜡(85%),松香(15%)43父. 61妸. 8不结块不结块不结块不结块 复合蜡(80%),松香(20%)43父. 82妸. 4不结块不结块轻微结块结块 界面上形成更致密的界面膜,增强了乳化结构的稳 定性,从而提高了炸药的储存稳定性。 从 T152、PIBSA- TEA 以及两者的复配使用看, 不同乳化剂对 PEE 乳胶基质的乳化情况不同,而且 对 PEE 药柱抗压强度的影响也很明显,乳化剂在 PEE 中的复配使用往往比单一使用效果更佳。 2. 4 松香提高 PEE 储存稳定性的作用 Ⅰ型 PEE 采用石蜡、地蜡和松香作为油相材 料,经工艺、配方的改进,Ⅱ型 PEE 采用单一复合蜡 作为油相材料,可以降低成本,也方便工人操作。 复 合蜡主要是由石油产品炼制过程中产生的“下脚 料”再加工而成,成分比较复杂,质量难以控制,虽 能基本满足 PEE 生产和储存期的要求,但在潮湿的 雨季,所生产的 PEE 常常出现结块现象。 AN 的吸湿和结块是影响 PEE 储存稳定性的重 要因素,对于 AN 来说,吸湿是结块的根本原因之 一,所以改善 AN 物理性能的根本途径是防止 AN 吸湿,松香作为有机疏水基可以在 AN 表面形成一 层均匀的憎水层,大大降低了 AN 的抗水性能。 同 时松香和复合蜡的复配使用可以显著地增强油膜强 度,提高油膜韧性,对于 AN 的析出起到有效的阻碍 作用。 在复合蜡中添加一定比例的松香可以延长炸 药的储存期,而且松香还具有一定的敏化作用。 如 表8 所示,加入 10%松香,PEE 储存 9 个月无结块 现象。 此外,由于复合蜡本身黏度较高,加入松香后黏 度进一步增大,增加了喷雾干燥工序脱水的难度,使 得药粉的水质量分数提高,当松香质量分数增加到 20%,PEE 再次出现结块现象。 所以,选用松香提高 PEE 的储存稳定性,松香添加比例控制在 10% ~ 15%比较合适。 3 结论 通过对 PEE 储存稳定性研究可以得到以下结 论 1)滑石粉可以有效地降低 PEE 的结块现象,提 高炸药的储存稳定性,同时也能提高炸药的安全性。 2)在 PEE 水分质量分数较低时,KN 能在一定 程度上提高炸药的储存稳定性,但炸药含水量较高, KN 抑制 ANⅢ ~Ⅳ晶型变化的效果降低,PEE 结块 现象再次出现。 3)PIBSA- TEA 乳化剂具有较强的乳化能力,制 备的 PEE 抗压强度稍有降低。 将 PIBSA- TEA 和 T152 复配使用,防止 PEE 结块的效果最佳。 4)在复合蜡中添加一定质量的松香有利于延 长 PEE 储存期,但添加质量较大,在喷雾干燥过程 中水分难以除去,反而不利于炸药的长期存放。 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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Study on Storage Stability of Powdery Emulsion Explosive L册Zhaokun ①,ZHANG Kaiming①, NI Ouqi①②, YU Zhenquan②,TANG Shujuan①②, FAN Min① ①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology (Jiangsu Nanjing, 210094) ②National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials (Jiangsu Nanjing, 210094) [ABSTRACT] This paper discusses the effect of different additives in the role of improving the storage stability of pow - dery emulsion explosives. In experiments, it was found that talcum powder could improve the storage stability by effectively reducing the agglomerate. At lower water contents, potassium nitrate, as the ammonium nitrate crystal type inhibitor , could effectively inhibit agglomeration in powdery emulsion explosive .Using polyisobutene alcohol amine ( PIBSA- TEA) emulsifier can also improve the storage stability of powdery emulsion explosive , and the effect is better when it was used compound with polyisobutylene succinic imide (T152) emulsifier. Addition of a certain amount of rosin in the oil phase can prolong the storage time of explosives.But when the rosin addition is too high, the dehydration will become difficult in production process and the effect will decline. [KEY WORDS] powdery emulsion explosive, talcum powder, ammonium nitrate, potassium nitrate,PIBSA- TEA,T152, rosin 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。 枟爆破器材枠编辑部 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期