全球乳化炸药的创新动态与未来展望

  乳化炸药是2O世纪6O一7O年代发展起来的新型含水炸药,它具有抗水性强、比其它种类工业炸药更具有优良爆轰性能的特点,因此在工程爆破中得到了广泛的应用。文中主要叙述了国外乳化炸药的发展状况。

1 当今乳化炸药的发展状况

  当今乳化炸药主要在两个方面进行了研究,即乳化炸药配方和乳化炸药敏化方法的研究。

1.1 乳化炸药配方的研究

  乳化炸药通常的配方是:分散相的无机含氧酸盐水溶液,连续相的油类等不溶于水的物质和乳化剂,以及敏化剂和其它微量添加剂等。为了满足特殊性能的要求,在某些方面对它的配方进行了必要的改进。

1.1.1 改进配方,提高乳化炸药的稳定性

  提高乳化炸药稳定性的方法主要有以下3种:①在乳化炸药的不连续相中添加聚合物单体,并在形成乳化液以后使之聚合;② 在乳化炸药的连续相中添加聚合物单体,并在形成乳化液以后使之聚合;③在乳化炸药中添加聚合物型乳化剂,使乳化体系稳定。

  在欧洲专利352396中介绍的配方就是采用第一种提高稳定性的方法。其特点是:在乳化炸药分散相的水溶液中,至少含有一种能发生聚合的有机单体,它的含量约占炸药总重量的0.01 ~2o 。有机单体可以是以下物质:异丁烯酸、亚甲基丁二酸、反式丁烯二酸、丁烯酸、顺式丁烯二酸酐、丙烯酰胺、丙烯醛、烯丙胺、烯丙醇、丙烯腈以及它们的衍生物。在制备这种乳化炸药时,首先将含氧酸盐和上述能发生聚合的有机单体溶于水中,制成水溶液,同时将碳氢燃料和乳化剂混合,形成油性混合物,然后将上述两种物质混合并搅拌,形成油包水型乳化液。在乳化液形成之后,使存在于分散相中的有机单体聚合。由于聚合作用大部分发生在液滴的内表面和临近的区域,因而在乳化液中形成了较大型的聚合分子结构,使乳化炸药具有较好的稳定性。此种乳化炸药的贮存期可达525d以上。

  在美国专利4994123中介绍的配方是采用第二种提高稳定性的方法。特点是在连续相中含有聚丙烯酯。配制该炸药的方法是将聚合物单体加入由燃料和氧化剂共同组成的熔融体中,同时加入聚合物催化剂和交联剂,并进行搅拌,使聚合物单体聚合。这种乳化炸药由于含有作用于分子间的聚合物,从而提高了整个乳化体系的稳定性。美国专利5000802和欧洲专利67520都是采用这种方法来提高稳定性的。

  在美国专利4931l1O中介绍的配方采用的是第三种提高乳化炸药稳定性的方法,即选用特殊乳化剂的方法。特点是在乳化液中添加聚合物型乳化剂。这种乳化剂是一种共价的二羧基化的或酐衍生的烯烃或乙烯基加聚物的二链烷基醇胺或二羟基化合物的衍生物,其中,加入聚物主链的平均链长为1O~32个碳原子(除支链或侧链外),最好是为15~27个碳原子。分析其提高稳定性的原因,主要是由于添加这种乳化剂,提高了含氧酸盐的液滴精细程度,降低了液滴的大小尺寸。从所列举的实例可以看出,其贮存期最长可达3a以上。

1.1.2 改进配方,使乳化炸药在小直径的条件下也能可靠起爆并爆轰

  要使乳化炸药在小直径(直径为2O~30mm)的条件下也能可靠起爆并爆轰,主要是对乳化炸药进行必要的敏化处理,即添加敏化成分。

1.1.3 改进配方,使乳化炸药具有其它的特殊性能

  (1)具有耐低温性能的乳化炸药。所谓耐低温性能是指在低温条件下,乳化炸药仍具有较好的稳定性、较好的起爆和爆轰性能。

  欧洲专利67520中介绍了一种在低温条件下具有较好性能的乳化炸药,它的配方特点有两个:①在连续相中,至少含有液态或具有较好分散颗粒度的聚合物的一部分,这种聚合物可在以下物质中选择:丙烯腈/丁基丙烯酸盐的共聚物、乙烯基乙酸盐/乙烯的共聚物和它们的混合物;②在分散相中,尽可能减小含水量,以减小爆轰时使水分汽化而消耗的能量。从所列举的实例可以看出,这种乳化炸药在一17 C时仍具有良好的稳定性和爆轰性能,由此可见,它具有较好的耐低温性能。

  (2)具有抗压死性能的乳化炸药。美国专利4933028介绍了一种具有一定抗压死性能的乳化炸药,它的特点是含有大量的乳化剂,其含量可占连续相(乳化剂和不溶于水的燃料)的45 以上,最佳含量是在60 以上。从所列举的实例可以看出,这种乳化炸药具有一定的抗压死性能。

  美国专利5017251中又介绍了另一种使乳化炸药具有抗压死性能的方法,它的特点是在乳化炸药中添加具有相对较高强度的玻璃或翅料空心微球。在压力为3.43MPa的条件下,约有1O%体积的微球破损,它的含量约占炸药总重量的1 ~10 。从所列举的对比实验中可以看出,由于添加了此种高强度微球,使乳化炸药的抗压死性能得到提高。

  (3)具有适应特殊爆破环境的乳化炸药。欧洲专利460952介绍了一种适应在易反应的硫/黄铁矿中使用的乳化炸药,它的特点是在炸药混合物中含有约占总重量的1%~3% 的尿素。尿素在乳化炸药中起稳定作用,从而抑制了乳化炸药与易反应的硫/黄铁矿发生的热能反应,这样就解决了一般乳化炸药不能在含有易反应的硫/黄铁矿中使用的问题。

1.2 乳化炸药敏化方法的研究

  敏化乳化炸药的方法主要有两种,第一种是利用添加猛炸药或敏感成分的药剂敏化法,第二种是利用乳化炸药中含有微小气泡来达到敏化炸药目的的气泡敏化法。

1.2.1 药剂敏化法

  在药剂敏化法中,可以分为添加猛炸药和添加敏感成分两类,但它们的原理都是利用猛炸药和敏感成分的起爆敏感性来提高乳化炸药的感度。

  (1)添加猛炸药的药剂敏化法。能够添加的猛炸药可以是常用的各种单质炸药,如TNT、RDX、PETN等。第87103658号中国专利就是采用此种方法来敏化炸药的。这种方法的优点是添加后的乳化炸药具有良好的起爆感度,并且稳定性较好,加工工艺也比较简单。但是它也存在着某些缺点,如添加的单质炸药价格较贵,从而使此种乳化炸药的成本提高,因此不易在工业炸药中广泛应用。

  (2)添加敏感成分的药剂敏化法。能够添加的敏感成分一般选用碱金属、碱土金属或铵的氯酸盐或高氯酸盐。在美国专利4128442、4149916、4149917和4398976中所采用的敏化方法都是此种方法。此种方法在一定程度上可以对炸药起到敏化作用,但是它存在着一个较大的缺点,就是所使用的氯酸盐和高氯酸盐的感度都很高,在生产中存在着很大的不安全因素,因此,它也不宜在工业炸药中广泛应用。

1.2.2 气泡敏化法

  (1)直接添加气泡的气泡敏化法。利用机械进行搅拌并直接混入气泡的方法。它的发泡效果不佳,贮存稳定性较低,因此不宜采用。

  (2)添加气体保持剂的气泡敏化法。在混入炸药之后能够保持一定数量气体的物质,如玻璃微球、树脂微球、塑料微球、珍珠岩、膨化珍珠岩和软木等物质。

  在英国专利1593163、2086363和美国专利4110134、4398976中采用的都是利用玻璃微球的敏化方法。这种方法的敏化效果较好,但也存在着缺点,即成本较高,不宜于在工业炸药中广泛应用。

  既要降低成本,又要达到良好的性能。某些专利采用了珍珠岩作为敏化剂,如美国专利231821介绍的乳化炸药就是利用珍珠岩敏化的。从所列举的实例可以看出,利用珍珠岩粉敏化的乳化炸药,爆轰性能较好,但也存在缺点,即由于珍珠岩粉是疏松的,强度较低,所以在搅拌的过程中容易破损渗油,从而影响敏化效果。

  为了弥补上述不足,在美国专利4940497中,采用了膨化珍珠岩作为敏化剂,这里所说的膨化珍珠岩是指经过高温加热处理后的珍珠岩。这种膨化珍珠岩改变了松散性,增加了致密度,提高了强度,从而提高了敏化效果。

  (3)利用化学发泡剂发泡的气泡敏化法。通常采用的发泡剂是亚硝酸盐,它产生气体的反应过程如下:

NO2 +NH 4+ ——N+H2O

  具体说来,就是亚硝酸盐与乳化炸药分散相中的铵离子发生上述化学反应,产生的氮气均匀地分散到乳化液的基质中,从而达到敏化炸药的目的。一般来说,上述反应的速度依赖于各种溶液的参数,如温度、pH值和反应物浓度等。

  虽然这种利用亚硝酸盐作为发泡剂的效果很好,但它还存在着发泡剂不易与乳化液混合,从而引起产气速度低的问题。此原因是发泡剂水溶液直接与乳化液基质冷混的过程是水在油中分散的过程,仅靠较慢速度的剪切搅拌,很难在短时间内将发泡剂水溶液分散成几微米的液滴,而发泡剂与乳化液的最终混合效果必须达到使液滴均匀分布并足够小的要求。

  为了解决这个问题,在英国专利8802209中,采用了一种乳化发泡剂的方法,即预先将发泡剂(亚硝酸盐)水溶液进行乳化,然后再与乳化液进行简单混合。这时混合较容易进行,并且能达到发泡剂与乳化液混合的要求。这样就从根本上解决了发泡剂与乳化液混合难的问题。

  在美国专利4960475中,采用了另外一种方法来解决此问题,即添加表面活性剂。这种表面活性剂既可以与化学发泡剂混合后一起加入乳化液中,又可以单独添加。如果采用此种方法,那么,在乳化液受到搅拌时,发泡剂较容易渗入乳化液的内相中,与其中要与之反应的物质混合并反应,这样明显地提高了乳化液中气泡的产出速度。

  添加这种表面活性剂能使发泡剂较容易渗入内相有两种可能的解释:① 在添加这种表面活性剂以后,它直接与内相和外相之间的界面相互作用,使此界面发生局部倒相,即变成水包油型胶态分子,或者发生其它种类的物理性破损,由此使发泡剂较简便、快速而均匀地与内相混合;② 在已经添加表面活性剂的溶液中,发泡剂离解,同时,表面活性剂作为一种发泡剂的载体,使发泡剂由乳化液的外面渗入内相,由此促进发泡剂进入内相,或反过来内相物质进入发泡剂并扩散。

  从专利说明书的实例可以看出,这种添加表面活性剂的方法大大提高了发泡剂的发泡速度,从而避免了使用保温发泡工序,降低了成本,同时还克服了发泡的后效问题,即“胀冒”和“破肚”。

  在采用以上提高化学发泡速度方法的基础上,还要采用添加发泡催化剂的方法。这里所说的催化剂通常是硫脲,它可以更进一步加快产气反应。在某些采用化学发泡法发泡的乳化炸药中,采用的发泡剂还可以是其它物质,如碳酸氢钠、醋酸、碳酸氢铵、硫酸铵和有机化合物发泡剂等物质。我国专利88102117和88102118介绍了几种可作发泡剂的有机化合物,即有机偶氮化合物、有机磺酰肼类化合物和有机亚硝基化合物。利用这种有机化合物发泡剂敏化的乳化炸药也具有较好的性能。

2 未来乳化炸药的发展趋势

2.1 进一步提高乳化炸药的稳定性和贮存期

  ①对于已配制好的乳化炸药,要在期限内,使之在贮存和运输过程中,保持各种成分的均匀一致性;②保持乳化炸药中敏化成分(如气泡)始终具有足够的敏化作用。

2.2 进一步提高乳化炸药的可靠起爆性

  在爆破工程中,要保证小直径乳化炸药可靠的起爆性,就要更好地对乳化炸药进行敏化处理。应考虑以下几个问题:① 敏化处理的成本不能过高;②敏化处理后的炸药在贮存和运输过程中,要具有足够的稳定性和安全性;③ 敏化处理的工艺要尽可能简单;④敏化处理后的乳化炸药要保持其原有的爆轰性能。近年来,采用联合使用多种敏化方法对乳化炸药进行敏化,是一种较好的发展方向。

2.3 提高乳化炸药的现场混合装填技术

  在实际应用过程中,现场混合装填技术存在的主要问题就是如何尽可能缩短均匀混合所需的时间和提高发泡速度。

  (1)缩短均匀混合所需的时间。要使乳化炸药尽快混合均匀,最好的方法是选用较好的乳化剂。在相同的搅拌强度下,选用较好的乳化剂可以达到尽快均匀混合的目的。因此,今后要进一步研究高效乳化剂,以利于缩短均匀混合的时间。

  (2)提高发泡速度。由于采用气泡敏化法的乳化炸药成本低,所以现场混合装填的乳化炸药都采用这种方法来敏化。这种方法存在的问题是:发泡速度相对较低。

2.4 在保证爆轰性能的前提下,进一步降低乳化炸药成本对于乳化炸药来说,降低成本就是:

  ①尽量减少高级燃料的使用量,多采用一些普通的燃料(如煤粉、沥青等);② 尽量采用气泡敏化方法;③简化生产工艺;④尽可能多采用现场混合装填技术等。

2.5 研究适应各种特殊要求的乳化炸药

乳化炸药应用得越广泛,对它的使用要求就越多。在一些特殊爆破工程中,根据具体情况研究一些与之相适应的乳化炸药。总而言之,随着工业爆破技术的发展,必将促进乳化炸药广泛地应用和发展。

来源:网络

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