膨化炸药返工药粉水浴升温防潮返工技术措施研究

(整期优先)网络出版时间:2025-01-24
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膨化炸药返工药粉水浴升温防潮返工技术措施研究

谢绵坩

(福建海峡科化股份有限公司永安分公司,福建永安,366034)

提要: 通过对膨化炸药和返工药粉的特性分析,研究了防潮技术措施的必要性和有效性。通过理论分析和实验验证,提出了水浴升温创造返工药粉适宜储存环境防潮的返工技术措施,并对其进行了详细的描述和解析。最后,总结了研究成果对实际应用的意义。

关键词:膨化炸药;返工药粉;防潮技术措施;水浴升温防潮

  1. 膨化炸药和返工药粉的物理化学性质。

膨化硝铵炸药是以经过膨化的硝酸铵为主要氧化剂,与适量可燃剂以及其他功能添加剂组成的一类粉状混合炸药[1]。膨化炸药作为一种高威力的含能材料,在军事和民用领域都有广泛的应用。膨化炸药中经膨化工艺膨化的硝酸铵具有大量10-5~10-6mm微孔[2]和薄片状结构,能够构成起爆热点而自敏化,无需添加单质炸药、高感度盐或金属粉等敏化剂即可被8号雷管引爆而且在工业雷管工艺尚不先进的时期,只用水溶法便能安全处理盲炮是一种先进的工业硝铵炸药。硝酸铵颗粒具有较高的表面能与极性表面,能够通过静电吸引空气中水分子以氢键连接吸附;同时,膨化硝铵的10-5~10-6mm多微孔结构的毛细作用也增强了对空气中水分的吸附。经过膨化的硝酸铵由表面活性剂膨化改性包覆,减少了硝酸铵的暴露,大大降低了吸湿性,但在混拌生产、螺旋输送过程中,其薄片状结构往往发生断裂,露出硝酸铵晶体,加上多微孔的毛细作用,膨化硝铵炸药药粉仍然具有较大的吸湿性。由此,膨化硝铵炸药往往容易吸潮结块,破坏膨化效果,当水分含量超0.5%时,炸药爆轰感度和各种性能降低,甚至形成“半爆”、“息爆”现象,不利安全使用。

膨化炸药在生产中采用高温真空膨化硝酸铵,直至包装成成品其整个过程药粉温度在40℃以上,且药粉制造输送过程均处于封闭状态,有效隔离潮湿空气,此外,整个生产过程仅耗时20分钟左右,故能够保证膨化炸药药粉不发生较多吸潮,使得水分含量达到质量控制要求。

膨化炸药药条采用敷蜡纸筒包装,其纸筒纸既要求保持疏松多孔以保证能够吸附足够的石蜡对硝铵药粉进行封闭防潮,又要保证较高的抗张力以满足敷蜡纸筒装填包装时的强度避免药条破口、弯折。然而纸筒纸疏松多孔必然抗张力较小,对纸筒纸这两个要求是矛盾的,制造既疏松多孔又抗张力高的纸筒纸有较高难度,常常因纸筒纸抗张力不足导致敷蜡纸筒在装填膨化硝铵药粉时发生破口、弯折,产生较多外观质量不合格药条需要返工。这些药条的药粉是质量合格药粉,收集后可以直接返工包装,但在相对湿度高的环境中,收集的返工药粉吸潮发生水分超标质量不合格而无法直接用于返工包装。因此,研究膨化炸药返工药粉的防潮技术措施对于保障膨化炸药的质量和使用安全具有重要意义。

2. 膨化炸药返工药粉受潮的原因及其影响因素。

众所周知硝酸铵的吸湿性主要取决于硝酸铵本身的性质和晶体的结构。硝酸铵的分子式为NH 4 NO 3,其中NO 3-中的N原子以SP2杂化轨道与3个氧原子形成σ键外,还与这些氧原子形成一个四中心六电子的大Π键Π46,由于氮原子和氧原子的电负性不同,导致分子中正负电荷中心不重合,从而使得硝酸铵分子具有极性,拓扑分子极性表面积TPSA=63.9,能够对水分子形成静电吸引作用。

硝酸铵的吸湿性还与硝酸铵所处大气环境的温度和相对湿度有很大关系。经实验室条件验证, 如果温度相同, 则相对湿度越大硝酸铵越容易吸湿,相对湿度越小硝酸铵越不容易吸潮[3]。且在相同的温度和相同湿度下, 如果存放的时间越长, 则吸湿量越大[3][4]。然而,在硝酸铵实际生产使用时,在同一大气环境中,硝酸铵不同存储温度的吸湿性变化未有明确研究结论。

查文献资料,我国学者研究表明,硝酸铵吸湿过程分为两个阶段[5]

硝酸铵吸湿过程第一阶段是从具有高表面能的绝对干燥的硝酸铵的极性表面对空气中的水分子以静电方式吸附开始的,硝酸铵的高表面能表面有吸附水分子后降低表面能形成较稳定表面的趋势。根据表面能定义之一,表面能是表面粒子相对于内部粒子所多出的能量,可知升高硝酸铵温度则硝酸铵固体表面粒子相对于内部粒子多出的能量将变小,即升高温度,表面能变小[6],则硝酸铵对周围空气中的水分子的吸引作用变小,即绝对干燥的硝酸铵吸湿性变小。因此在硝酸铵吸湿的第一阶段,升高温度,硝酸铵吸湿性变小。

根据饱和溶液定义,在一定温度下,向一定量溶剂里加入某种溶质,当溶质不能继续溶解时,所得到的溶液叫做这种溶质的饱和溶液,因此当绝对干燥的硝酸铵由于吸附作用吸收了一定水分后,在其晶体表面将形成一薄层硝酸铵饱和溶液。此时,由气体吸收的双膜理论(图1)可知,硝酸铵的吸湿作用表现为水蒸气通过硝酸铵饱和溶液界面气膜向界面液膜扩散溶解进入硝酸铵饱和溶液,有形成硝酸铵不饱和溶液的趋势,但硝酸铵易溶于水,则硝酸铵晶体会溶解于不饱和溶液重新形成饱和溶液。这样,硝酸铵吸湿过程将进入水蒸气溶解于硝酸铵饱和溶液的第二阶段。根据勒夏特勒(‌Le Chatelier)定律,对于放热反应,升高温度会使平衡向吸热方向(即逆反应方向)移动;降低温度则使平衡向放热方向(即正反应方向)移动。当温度升高时,气体分子运动速率加快,容易自界面液膜逸出,可知当气体压强一定时,气体的溶解度随着温度的升高而减少。由水的饱和蒸气压力定义,如果把纯水放在一个密闭的容器里,并抽走上方的空气。当水不断蒸发时,水面上方气相的压力,即水的蒸气所具有的压力就不断增加。当温度一定时,气相压力最终稳定在一个固定的数值上,这时的气相压力称为水在该温度下的饱和蒸气压力。由文献资料(图2)可知,温度升高水的饱和蒸气压力增大,那么在水蒸气凝结过程中,温度升高,由于要在密闭容器中增大饱和蒸气压力,需要更多的水分子转化为气相,必然使得水蒸气有不易凝结的趋势,即在同一密闭系统在温度升高,水蒸气越不容易发生凝结。因此,在同一大气环境的生产场所中,温度升高,空气中的水蒸气发生凝结的趋势变小。同样可以推论,空气中水蒸气溶解(可简化视为凝结)于硝酸铵饱和溶液过程中,当水蒸气分压不变时,水蒸气在硝酸铵饱溶液的溶解度将随着温度的升高而减少,即如果大气环境相同,总压强不变且大气环境的水蒸气分压不变(假设大气环境为理想流体),而硝酸铵饱和溶液温度升高,则表现出硝酸铵饱和溶液对空气中水分吸收能力变小

[6]。因此,在同一大气环境下,在硝酸铵吸湿的第二个阶段中,升高温度使得硝酸铵吸湿能力变小。

总之,在同一大气环境中,升高硝酸铵储存温度,则硝酸铵吸湿性变小。

气液双膜扩散理论图示

图1 气体吸收的双膜理论图示

Fig. 1. The two-film theory of gas absorption

水的饱和蒸气压力曲线

图2  标准大气压下水的饱和蒸气压曲线

Fig.2.  Saturated vapor pressure curve of water at standard atmospheric pressure

由上述对硝酸铵吸湿性大小的影响因素可知,由于返工药粉在收集过程中与空气较多接触,存放时间至少30分钟以上,且药粉温度不断下降至与环境相当仅为20℃~30℃,极易大量吸收空气中水分造成水分超标质量不合格,不能直接用于返工包装。

3. 由前文理论推论可得,如果对返工药粉进行水浴升温,创造一个适宜储存的环境,则可以有效防潮。实验验证如下:

取包装工序药条药粉作为返工药粉样品,其组成为硝酸铵90%、油相5%、木粉4.6%、膨化剂0.15%、水分0.25%,每份样品量10±2克,在带盖封闭不锈钢盒中均匀铺开面积为60mm×90mm,封闭预热5分钟至预设温度,去盖,在空气中敞开20分钟,测得样品吸湿率见表1。

不同储存大气环境温度膨化炸药返工药粉均匀铺开

面积为60mm×90mm在空气中敞开20分钟时吸湿率(表1)

The moisture absorption rate of reworked powder of expanded explosives at different storage atmospheric temperatures is evenly spread with an area of ​​60mm×90mm and left open in the air for 20 minutes.Table 1

储存环境温度℃

29(室温)

40(恒温水浴)

50(恒温水浴)

大气相对湿度%

70

67~70

70

样品质量g

10.0155

12.1485

11.5698

吸湿增量g

0.1767

0.0724

-0.0188

吸湿率%

1.76

0.60

-0.16

由表1可见,将返工药粉储存环境的温度由29℃室温提高至40℃时,吸湿率显著降低;进一步将返工药粉收集在人工设计的恒温水浴50℃储存环境中,均匀铺开为60mm×90mm面积的12克药粉在25分钟内有一定的解吸效应。由此,升高返工药粉储存环境的温度,在相近大气相对湿度中与室温相比可以有效防潮。

此外,我国研究者对各种膨化剂作用下的膨化硝铵进行DSC差热谱图分析测试膨化硝酸铵晶型转变点数据结果显示,在2℃~52℃温度范围并未出现吸热峰或放热峰[7][8](图3)。根据硝酸铵在某个温度时是否有明显的能量变化,就可以反推出硝酸铵在该温度时的晶型是否发生了改变原理[8][9],即可判断在2℃~52℃温度范围内膨化硝酸铵未发生晶型转变,不会因晶型变化引起体积变化导致膨化硝酸铵结块。由此可以推测在用水浴升温至50℃提高返工药粉储存环境温度的防潮技术措施中,膨化硝铵药粉不会发生晶型转变,不会因晶型转变引起硝酸铵体积变化导致返工药粉出现结块现象,从而保证返工药粉符合质量控制要求,可以用于直接返工包装。

两类硝酸铵DSC图谱

图3  两类膨化剂处理的膨化硝酸铵DSC谱图[7]

Fig.3.  Ammonium nitrate DSC spectrum for two types of puffer treatment

4. 结论:膨化炸药返工药粉受潮的主要原因是大气环境湿度和存储时间; 对返工药粉进行水浴升温防潮是一种有效的防潮技术措施,与室温收集储存返工药粉相比可以显著降低膨化炸药返工药粉的水分含量,具有操作简便、效果明显的优点。

5. 参考文献

[1]随便问问949,膨化硝铵炸药[OL],百度百科https://baike.baidu.com/item/%E8%86%A8%E5%8C%96%E7%A1%9D%E9%93%B5%E7%82%B8%E8%8D%AF/6151862?fr=ge_ala.

[2]周新利. 膨化硝酸铵自敏化理论及其炸药的物理性能和改性研究[D]. 南京:南京理工大学,2003.

[3]陈天云,刘祖亮,彭新华等.硝酸铵防吸湿性研究[J].爆破器材,1994,23(5):31~32.

[4]吴广清.对商品吸湿性的探讨[J].吉林商高专学报,1994,(3):26-27.

https://www.doc88.com/p-9963176124994.html.

[5]刘锡源.硝酸铵的相对吸湿速度.爆破器材[J],1966(4):30.

[6]董元彦 王运 张方钰.无机及分析化学(第三版)[M].科学出版社.2010.21.

[7]吕春绪.膨化硝酸铵晶体特性研究[J].兵工学报,2002,23(3):317~318.

[8]陈天云,刘祖良,吕春绪.膨化硝酸铵防结块性能研究[J].南京理工大学学报,1995,19(5):465~466.

[9]张克从.近代晶体学基础[M].北京:科学出版社,1987.

Abstract: This article aims to discuss the water bath heating and moisture-proof technical measures for reworked powder of expanded explosives. By analyzing the characteristics of expanded explosives and reworked powder, the necessity and effectiveness of moisture-proof technical measures were studied. Through theoretical analysis and experimental verification, the rework technical measures of heating up the water bath to create a moisture-proof environment suitable for the storage of reworked pharmaceutical powder were proposed, and were described and analyzed in detail. Finally, the significance of the research results for practical applications is summarized.

Keywords: expanded explosives; reworked powder; moisture-proof technical measures; water bath heating and moisture-proofing