不同敏化材料对乳化炸药爆炸性能的研究

　　

不同敏化材料对乳化炸药爆炸性能的研究

孙绍飞[1] 高青福 习锟 张凯 田艳

（葛洲坝易普力湖北昌泰民爆有限公司，湖北 宜昌 443100）

摘 要：通过添加中空玻璃微球（CGM）和中空聚合物微球（CPM）两种不同敏化材料，制备两种不同乳化炸药，并对其爆速和密度、孔隙率的关系以及爆压进行了对比分析，研究表明，乳化炸药的爆速和密度呈现非线性关系，在同一密度下，CPM对乳化炸药的敏化效果比CGM好，且爆轰波在乳化炸药中传播时，被测炸药中CPM的爆压也略大于CGM的爆压。此外，综合对比爆速和爆压，表明乳化炸药孔隙率对爆轰性能具有重要影响，即一定条件下当孔隙率较大时可得到较大爆速和爆压，当孔隙率较小时，体系不具备雷管感度，不能起爆。此结果可为今后乳化炸药敏化发展提供指导作用。

关键字：乳化炸药；敏化；中空玻璃微球；中空聚合物微球；爆轰性能

中图分类号：TQ560 文献标识码：A

A Study on Detonation Performance of Two Sensitizing Materials for Emulsion Explosive

SUN Shao-Fei，GAO Qing-Fu，XI Kun，ZHANG Kai，TIAN Yan

(Gezhouba Explosive Hubei Changtai Civil Explosives Co.,Ltd. Hubei Yichang,443100)

Abstract: Two kinds of emulsion explosives were prepared in this paper though adding sensitizing materials of cavity glass microballoons (CGM) and cavity polymer microballoons (CPM). Their detonation velocity with density or porosity and detonation pressure were compared and analyzed. Results showed that the detonation velocity demonstrates non-linear behaviour in relation to density. And the detonation velocity and detonation pressure of emulsion explosive sensitized with CPM were larger than those sensitized with CGM during the propagation process of detonation wave. Moreover, comparing the detonation velocity and pressure, we find that the porosity played a vital role on detonation performance of emulsion explosive. Under the certain condition the bigger the porosity, the larger the detonation velocity and pressure are. However, the detonation in the emulsion explosives would extinguish when the porosity is too low. It is expected that this research will provide further guide for sensitization development of emulsion explosive.

Key words: emulsion explosive; sensitization; cavity glass microballoons; cavity polymer microballoons; detonation performance

引言

作为20世纪60年代的诞生的新型炸药，乳化炸药现已被广泛的应用到在矿业、岩土等爆破工程中^[1]。敏化工艺作为乳化炸药生产过程的关键，多年来得到了众多科研单位和厂家的重视。目前，物理敏化为乳化炸药敏化的最常用方式，即将中空微球等多孔物质结合到乳化基质里面形成均匀分布的小气泡，进而提高乳化基质的感度，尤其对乳化炸药的爆轰性能也有很大的提高^[2]。在物理敏化中，报道^[3,4]最多是中空玻璃球（cavity glass microballoons, CGM）敏化。而对于中空聚合物微球（cavity polymer microballoons, CPM）敏化的乳化炸药鲜有研究。因此，研究CPM敏化作用的意义重大。本文添加CGM和CPM两种不同敏化方式制备以硝酸铵为基的乳化炸药。通过对比两种不同敏化方式下爆速和密度、孔隙率及爆压的关系的情况，分析其对爆轰性能影响，为未来乳化炸药的敏化材料发展提供指导依据。

1实验部分

1.1乳化炸药的制备

如表1所示，按配方将定量硝酸铵和蒸馏水加热到110℃，制成水相溶液。再将定量油相复合蜡+乳化剂加热至115℃，使其熔化。然后控制乳化器转速在300r/min的情况下，将水相溶液缓慢地加到油相乳化剂中，待溶液加完后，慢慢均匀提高转速到1500r/min，最后乳胶基质，其密度为1.38 g/cm。

表 1 乳化基质组成配方

Table 1 Composition of emulsion explosive matrix

将上述制备的乳胶基质冷却到60℃左右，分别加入中空聚合物微球和中空玻璃微球进行敏化处理，得到乳化炸药。如表2所示，是乳化基质经分别经过不同数量CPM和CGM均匀分敏化得到的12组乳化炸药的密度。

表2 不同数量的CPM和CGM敏化后的乳化炸药密度

Table 2 Density of emulsion explosive sensitized with different amounts of CPM and CGM

1.2 爆轰性能测试

1.2.1 爆速测试

如图1所示，本文爆轰波速度是在圆柱体装药顶端测试的，其长220 mm，装药直径25 mm，4 mm厚的PVC管隔爆，并在距装药末端70 mm处设有多芯光纤探针，相邻的两个探针的距离为10mm。当乳化炸药发生爆轰时，若爆轰波阵面通过相邻探针的时间间隔为t，距离已知，可以求出相邻探针间的平均爆速，通常认为，多芯光纤探针测爆速的误差范围为 2 ~ 3 %，此数据即为测得乳化炸药的爆轰速度。

图1 乳化炸药的爆轰速度测试装置示意图

Figure 1 Schematic diagram of detonation velocity test equipment of emulsion explosive

1.2.2 爆压测试

如图2所示，本文是将锰铜压阻测试仪嵌入0.4 mm和25 mm厚的聚四氟乙烯板之间，然后将此转置放于炸药装药的底部。在乳化炸药发生爆轰时，锰铜压阻仪感受周围反应介质的压力作用，其就会产生压阻效应，将所测得电压数据经校准程序转变为电阻变化，再经数据校准，即可以通过Goransson方程^[5]得到的乳化炸药爆压。

图2 对乳化炸药爆轰压力测试装置示意图

Figure 2 Schematic diagram of detonation pressure test equipment of emulsion explosive

2 实验结果与分析

2.1 密度与爆速关系

图3显示了被测乳化炸药在经过CPM和CGM敏化后随密度变化的爆轰速度趋势。可以看出，两种敏化方式下的乳化炸药的爆速和密度呈现非线性关系。CPM敏化后的乳化炸药随着其密度慢慢增大，爆速缓慢增加，在密度为1.1 g·cm^-3达到最大，然后急剧降低再微增长到熄爆。CGM敏化后的乳化炸药其爆速变化趋势基本呈现先增大再减小，最后熄爆，在密度为1.05 g·cm^-3达到最大。CPM敏化的熄爆密度（即临界密度）为1.25 g·cm^-3，CGM敏化的临界密度为1.28 g·cm^-3。不难看出，无论是CPM还是CGM作敏化剂时，其密度较小或者较大时，都会影响其爆轰速度。一方面因为爆轰波在乳化炸药内部传播过程的衰减作用，当中空微球的颗粒数量增加到相当数量，即密度比较小时，爆轰波的衰减程度大幅增加，进而导致乳化炸药爆轰性能降低。另一方面是由于中空微球的颗粒数量太少，即密度比较大时，爆轰波压缩乳化基质，未能形成过多的有效热点，从而影响乳化炸药的爆轰性能下降，在密度为1.25 g·cm^-3和1.25 g·cm^-3的两个熄爆就是由于乳化炸药内部孔隙率过低，未能形成有效热点热点，使体系不具有雷管感度。

另外，由图3还可以看出，同一密度范围附近，经CPM敏化的乳化炸药爆速明显高于CGM敏化的乳化炸药爆速，前者基本达到了4 mm/μs以上，而后者基本在4 mm/μs以下。表明同一密度情况下，CPM这种材料对乳化炸药的敏化效果较好，在适宜的密度下能够提高乳化炸药的爆速。

图3 两种不同微球敏化后的乳化炸药的爆轰速度随密度变化图

Figure 3 Detonation velocity-density curve of emulsion explosive sensitized with CPM and CGM

以CPM敏化为例，本文还对不同装药直径下的乳化炸药的爆速随密度变化进行了研究。图4显示了3种装药直径（d = 25, 52, 102 mm）下爆轰随密度变化趋势，这个研究是基于（D, 1/d）Eyring模型理论^[6]，此理论认为爆轰速度和炸药的装药直径是线性关系，并且反应区域厚度会随着密度增大而增大。事实上，由图4可以看出，装药密度为102 mm的乳化炸药爆速大于装药密度为52 mm和25 mm时的爆速，即表明同一密度下，随着装药直径的增大爆轰速度变大，同时当炸药密度大到一定程度，反应区域厚度会随之增大，进而影响爆轰传播，直到熄爆。由图可知，当爆轰将熄灭时，乳化炸药密度慢慢接近于基质密度（1.38 g·cm^-3）。

图4 不同装药直径下的爆轰速度随密度变化趋势

Figure 4 Detonation velocity-density curve under different charge diameters

2.2 孔隙率与爆速关系

一般而言，乳化炸药的孔隙率Φ可以定义为：

在上式中，ρ_M表示乳化基质密度，ρ_MB表示中空微球的密度，ρ₀表示乳化炸药密度。在图5显示了以CGM和CPM敏化的乳化炸药的爆速和组分孔隙率的关系图。显然。两种中空微球敏化的乳化炸药熄爆的孔隙率分别为0.11（CPM敏化），0.09（CGM敏化），这分别与上面的临界密度相对应，表明其在孔隙率较低时不具有雷管感度不能起爆。还有图中可以看出，爆轰速度随着孔隙率增加慢慢增大，在Φ = 0.24 ~ 0.28范围内时达到最大，然后在缓慢减小。结果表明孔隙率对描述爆轰传播过程中爆速具有重大作用。而在爆轰传播过程中，理想的孔隙率可以使得能量释放达到最大，进而对应于最大的爆速，这对提高乳化炸药爆轰性能很有意义。此外，在乳化炸药制备时添加的微球粒径为70 μm和30μm两种规格，即两种体积，而从图5中，经过CPM和CGM不同敏化的乳化炸药的爆速值在同一孔隙率时基本重叠，这说明爆轰性能与敏化物质的体积和比质量关系不大，只与体系孔隙率有关。表明在同一孔隙率情况下，CPM敏化和CGM敏化对乳化炸药的爆速影响不大。这结果与上述密度分析一致，由于同一密度下，相比CGM敏化，CPM敏化的乳化炸药具有良好的孔隙率，因此其敏化效果较好。

图5 两种不同微球敏化后的乳化炸药的爆轰速度随孔隙率变化图

Figure 5 Detonation velocity-porosity curve of emulsion explosive sensitized with CPM and CGM

2.3 爆压

爆压也是乳化炸药爆轰性能的主要指标之一。本文分别选取CPM和CGM敏化的乳化炸药中孔隙率相同的两组炸药进行了爆轰压力测试，结果如图5和图6所示。可以看出，两种材料敏化的乳化炸药爆压变化趋势基本相似。不同的是达到爆压峰值和所需时间，CPM中，Φ = 0.18的乳化炸药达到峰值5.6 GPa所需时间为0.18 μs，Φ = 0.33达到峰值6.9 GPa所需时间为0.41 μs；CGM中，Φ = 0.18的乳化炸药达到峰值5.2 GPa所需时间为0.21 μs，Φ = 0.33达到峰值6.3 GPa所需时间为0.49 μs。按照爆轰ZND模型理论^[7]，可以知道峰值即为爆轰前沿冲击波波阵面通过锰铜压阻仪时的压力，时间是爆轰传播的时间。这就表明爆轰在乳化炸药中传播时，CPM敏化的前沿波阵面上压力大于CGM，且CPM爆轰传播速度大于CGM，这与密度分析结果一致。

此外，从两图中可以观察到，爆轰前沿冲击波阵面通过之后压力值急剧下降，这个区域被称为化学定态反应区。在此区域中由于反应惰性材料增加，体系孔隙率降低，使得反应释放的能量不足以支持爆轰波传播，进而压力迅速下降。而在反应区后连接着是压力下降较缓的非定态Taylor波，反应区末端和Taylor波是由一个转折点（CJ点）连接，此点处的压力即为爆压^[8]，如图6和图7所示，则可以得出CPM中两组乳化炸药爆压分别为4.8、5.6 GPa，而CGM中两组分别为4.2、4.9 GPa。因此，可以推断出在相同的孔隙率条件下，CPM敏化的乳化炸药爆压略大于CGM，即表明在对提高乳化炸药爆压上更显优势。

图6 以CPM敏化的两种不同孔隙率的乳化炸药爆炸压力时程曲线

Figure 6 Detonation pressure-time curve of emulsion explosive sensitized with CPM at two porosities

图7以CGM敏化的两种不同孔隙率的乳化炸药爆炸压力时程曲线

Figure 7 Detonation pressure-time curve of emulsion explosive sensitized with CGM at two porosities

3 结论

本文通过分别添加CGM和CPM敏化剂制备两种不同乳化炸药，并对其爆速和密度、孔隙率的关系以及爆压进行了对比分析，结果表明：1. 乳化炸药的爆速和密度呈现非线性关系，且在同一密度下，CPM对乳化炸药的敏化效果比CGM好，即在适宜的密度下能够提高乳化炸药的爆速；2. 爆轰波在乳化炸药中传播时，CPM敏化的前沿冲击波阵面上压力大于CGM，且被测炸药中CPM敏化的爆压也略大于CGM；3. 乳化炸药孔隙率对爆轰性能具有重大影响，在一定条件下当孔隙率适宜即可得到较大爆速和爆压；当孔隙率较小时，体系不能产生较多有效热点，因此不具备雷管感度，不能起爆。

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作者简介

孙绍飞(1990-)，男，汉族，助理工程师，辽宁营口人，现就职于葛洲坝易普力湖北昌泰民爆有限公司，从事乳化炸药企业的安全管理及技术改进工作。

电话：15871600680

邮编：443100

Email：sunshaofei829@163.com；

联系地址：湖北省宜昌市夷陵区小溪塔街道集锦路10-1-102号

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