复合油相替代乳胶基质生产乳化粒状铵油炸药工艺

刘冬水，朱火平，郭佳甲，陈敏，龙海青

(江西吉安国泰特种化工有限责任公司，江西 吉安 343136)

0 引言

乳化粒状铵油炸药(又称重铵油炸药)是由乳胶基质、柴油与多孔粒状硝酸铵混合而成的一种工业炸药。该炸药配方中硝酸铵为氧化剂，柴油为还原剂，乳胶基质则在混拌过程中，被涂复在多孔粒硝酸铵表面，主要起抗水防潮及黏结剂作用。该炸药具有本质安全性高、密度大、爆能高、成本低等优点，兼具有一定的抗水性，广泛应用于矿山爆破开采。但乳化粒状铵油炸药产品目前保质期只有30 d，且存贮过程中易发生柴油渗出、吸湿结块、硬化失效等问题。乳胶基质是制造乳化炸药的半成品，这是一种由硝酸铵、硝酸钠和水组成的氧化剂溶液，与还原剂复合油混合，再在乳化剂的作用下，乳化分散形成的油包水型乳胶体。生产过程工艺复杂，包含水相配置、油相融化、保温及乳化等工序，安全要求高、能耗高、成本高。通过选择复合油相替代乳胶基质，不用再单独生产乳胶基质，在保证产品性能、抗水性及黏性基本不变情况下，生产变得简单、安全、节能、低成本，且克服了柴油易渗出、结块硬化等缺陷，延长了乳化粒状铵油炸药存贮期。

1 基本原理

常温下多孔粒状硝酸铵与柴油混合后，多孔粒状硝铵孔隙吸收柴油，再喷洒熔化的复合油相溶液与其混合，降温后所得产品即为乳化铵油炸药。而复合油相中添加亲水亲油的乳化剂，通过乳化剂的作用，将油相材料均匀包覆在多孔粒状硝铵颗粒表面，降至常温，复合油相冷凝后在多孔粒状硝酸铵颗粒表面形层一成致密的油相薄膜，形成的油相薄膜一方面能锁住多孔粒状硝酸铵颗粒孔隙中的柴油，另一方面可以隔绝多孔粒状硝酸铵颗粒间的接触，将硝酸铵颗粒间吸湿结块的“盐桥”阻断，使得产品不易结块[1]，且使产品具备一定的黏性及抗水性，提高了产品的保质期。实验时，复合油相与柴油合计按不超过6% (质量分数)与94%左右(质量分数)的多孔粒状硝铵混合，设计氧平衡为负氧接近零氧平衡，正式生产时可通过优化微调配方，让爆炸化学反应能量充分释放。

2 复合油相材料选择

复合油相材料的选择与配比应保证乳化粒状铵油炸药的爆炸性能、黏性及一定的抗水性，符合以下要求：配制的复合油相能在氧化反应时能释放热量，与硝酸铵等物料应有良好的相容性和热稳定性，还需要保持一定的黏稠度，具有一定的成膜性能。由于多孔粒状硝酸铵的内部存在很多毛细孔隙，会吸入少量油相，导致孔隙的减少影响爆轰性能。而复合油相形成的膜包覆多孔硝酸粒子表面，能减少渗入粒子内部的油相，还能提供防潮作用。故而油相材料选择非常关键，主要考虑以下几个方面：

(1)温度变化因素。在油相材料选择中，应对其熔点进行综合考虑，熔点过高则会导致生产过程中耗能大，不利于泵送，应确保油相在100 ℃以下温度条件下可溶成液体。而且油相材料熔点不应过低，避免油相出现挥发、被碳化或是着火的情况，对产品的质量产生影响。所以，要想确保产品质量稳定，应将油相温度控制在80～100 ℃之间，并根据季节变换加以调整。

(2)黏稠度因素。若油相材料的黏度过小，将无法满足垂直向上孔黏附要求，无法装药。若油相材料的黏度过大，乳化粒状铵油炸药就会黏附在炸药输送管管壁上，造成堵管现象，无法通过高压空气正常输送。为此，需要将乳化铵油炸药的运动黏度(100 ℃)控制在10～45 mm2/s。

(3)乳化效果因素。应保证油相材料和乳化剂的HLB 数值接近，确保两者更好地搭配，由此来确定乳化剂，保证乳化的效果。但尽可能选择和油相容易发生络合反应的乳化剂，这样在形成配位化合物后能增强炸药本身的稳定性。

(4)热值因素。由于炸药需要在短时间内放出大量热量，如果热值较低，则会导致配制成的乳化铵油炸药爆炸性能受到影响甚至无法引爆。热值应当是越高越好。

(5)成本因素。由于油相材料占比较多，应尽量选用成本较低的油相材料。

(6)环保因素。依照国家对工业炸药的环保要求，对炸药爆炸之后的气体排放有一定要求，有毒气体量应尽可能少。所以油相材料中尽量不添加或少添加有毒组分，同时尽量满足零氧平衡。

乳化剂、凡士林以及复合蜡等是最常使用的油相材料。其中，乳化剂是多元醇脂肪酸酯与环氧乙烷的加成物，属于非离子型的表面活性剂，没有毒性作用，且不与水相溶，但能够和热油类与普通有机溶剂相溶，特别是与复合蜡和凡士林等，融合效果理想，在运输中可将其列为非危险品。凡士林则属于油脂状的石油产品，会散发矿物油气味，颜色从白色至黄棕色，滴点在37～54 ℃之间。主要化学成分为16～18 碳长链烷烃混合物，常温下其外观状态符合要求。可与汽油、乙醚、苯和氯仿等多种有机溶剂相溶，但与水并不相溶。凡士林的化学稳定性与抗氧化性均十分理想，光安定性与抗氧化安定性的性能也较为明显。

另外添加松香、硬脂酸、乳化剂SP-80、高分子乳化剂等材料中的一种或几种到复合油相中，可增强炸药的抗水性[2]。这几种添加材料用途不同，其中松香可以增加油相黏度及油膜强度，乳化剂及硬脂酸可以增强油相与硝酸铵颗粒包覆紧密性。

松香能溶于乙醇、乙醚、丙酮、甲苯、二硫化碳、二氯乙烷、松节油、石油醚、汽油、油类和碱溶液。松香具有增黏、乳化、软化、防潮、防腐等优良性能，常用作增黏树脂，增加初黏性，在加入到复合油相材料中可增加各组分的黏接强度，增加油相黏度及油膜强度。

硬脂酸是一种饱和脂肪酸。由油脂水解生产，它是一种难溶于水的蜡状固体，化学式C18H36O2，可溶于乙醇和丙酮，易溶于乙醚、氯仿、四氯化碳、苯和二硫化碳等溶剂中。

硬脂酸为白色或类白色有滑腻感的粉末或结晶性硬块，其剖面有微带光泽的细针状结晶，有类似油脂的微臭，无味，相对密度：0.940 8。硬脂酸是制造一般乳化制品不可缺少的原料，广泛用于制造化妆品、塑料耐寒增塑剂、脱模剂、稳定剂、表面活性剂、橡胶硫化促进剂、防水剂、抛光剂、金属皂、金属矿物浮选剂、软化剂、医药品及其他有机化学品。其主要指标如表1 所示。

表1 硬脂酸主要技术指标

司盘80 为黄色油状液体，能分散于温水和乙醇中，溶于丙二醇、液体石蜡、乙醇、甲醇或醋酸乙酯等有机溶剂中，HLB 为4.3，常用作油包水型乳剂的乳化剂。

高分子乳化剂主要采用的是聚异丁烯基丁二酰亚胺(T154A)，该材料具有良好的清净分散性，可将各项材料均匀分散在复合油相中。

3 工艺技术

采用连续自动化工艺技术设备，将柴油喷洒到多孔粒状硝酸铵中，并在铵油混合螺旋中混合。复合油相熔化后，保温在85～95 ℃范围内，使用时喷入乳化粒状铵油炸药双螺旋混拌机中，与吸咐了柴油的多孔粒状硝酸铵充分混合成乳化粒状铵油炸药[3]。混合好的物料经冷却螺旋输送至自动包装机包装，每袋质量24 kg。试验时采用同一厂家同一批生产的多孔粒状硝铵，水分含量低于0.15%；柴油符合GB 252—2011《普通柴油》中0 号标准要求；工业凡士林满足表2 中1 号要求。

表2 工业凡士林主要技术指标

4 实验及结果

柴油是炸药生产的优质燃料[4]，常温下易于被多孔粒硝酸铵吸收，爆炸时能量释放充分，炸药性能优良，在矿山现制现用影响不大，但用于生产商品炸药，存贮时易发生柴油渗出，影响爆炸性能。通过选取多组配方，分别考察柴油与凡士林配比对炸药性能影响、凡士林中添加硬脂酸、松香、乳化剂SP-80、高分子乳化剂聚异丁烯丁二酰亚胺等组成复合油相的配比对炸药抗水性及存贮期影响。炸药存贮试验条件为：库房温度低于30 ℃，相对湿度低于70%。

4.1 柴油与凡士林配比对炸药性能的影响

试验时柴油与凡士林组成油相材料合计质量比为6%，与94%的多孔粒状硝酸铵混合制成乳化粒状铵油炸药。在6% 的油相材料中，改变柴油与凡士林的配比，观察其对炸药性能的影响。添加顺序为：多孔粒状硝酸铵先与柴油混合好，再喷洒熔化好85～95 ℃的凡士林溶液与之搅拌均匀。实验结果表明：柴油与凡士林按1∶1 比例组成复合油相时，炸药存贮7 d外观及爆炸性能合格，但在10 d 内也出现柴油渗出，说明单一凡士林与柴油作为复合油相，包覆硝酸铵颗粒不紧密。实验结果如表3 所示。

表3 柴油与凡士林配比对炸药性能的影响

4.2 凡士林与添加物组成复合油相对炸药性能的影响

为改善凡士林作为单一油相包覆硝酸铵颗粒产生的缺陷，试验选择在凡士林中添加硬脂酸、松香、乳化剂SP-80、聚异丁烯丁二酰亚胺高分子乳化剂等材料配成复合油相材料，再与柴油按1∶1 比例，组成6%的油相作为还原剂用于生产乳化粒状铵油炸药。复合油相配制工艺：一定量的凡士林在熔化罐中加热熔化，分别加入乳化剂SP-80、聚异丁烯丁二酰亚胺、硬脂酸及松香熔化，搅拌均匀，85～95 ℃保温备用。对炸药性能影响如表4 所示。

表4表明：用5% 的松香、5% 的硬脂酸、12.5%的聚异丁烯丁二酰亚胺、12.5% 的乳化剂SP-80 与65% 的凡士林配成复合油相，生产乳化粒状铵油炸药黏度合适、抗水性及爆炸性能较好，有效期可达到180 d。

5 结语

通过对比试验发现，单独采用凡士林与柴油作为复合油相时，包覆硝酸铵颗粒不紧密。柴油会从乳化铵油炸药中溢出，进而影响到炸药的性能，需要添加其他油相材料。试验结果表明：当采用5%的松香、5%的硬脂酸、12.5%的聚异丁烯丁二酰亚胺高分子乳化剂、12.5% 的乳化剂SP-80 与65% 的凡士林配成复合油相，与柴油按1∶1 比例组成6%的油相，得到黏度合适、抗水性及爆炸性能较好；存贮在库房温度低于30 ℃、空气相对湿度低于70% 条件下，有效期可达到180 d，较采用乳胶基质的方案炸药性能有很大提升，说明此复合油相配方可以替代乳胶基质加入到乳化炸药中。