CN115160092A - 含硼镁混合粉的金属化乳化炸药及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含硼镁混合粉的金属化乳化炸药及制备方法，其组分包括基体炸药和硼镁混合粉，所述基体炸药是工业膏状乳化炸药，所述金属化高能乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00‑98.00wt％，硼镁混合粉2.00‑35.00wt％；其中硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00‑70.00wt％，镁粉30.00‑70.00wt％。所述的工业膏状乳化炸药配方与现有常用乳化炸药的配方相同，硼镁混合粉采用工业镁粉与硼粉在粉体混合机中使用干混法制备，含硼镁混合粉金属化高能乳化炸药的制备方法与现有技术中添加物理敏化剂玻璃微球的制备方法相同。本发明所添加的硼镁混合粉提高了乳化炸药的密度，并先后参与爆轰反应及与反应产物的二次后燃反应，提升了乳化炸药的做功能力与输出能量。

Description

含硼镁混合粉的金属化乳化炸药及制备方法

技术领域

本发明涉及炸药制备技术领域，具体是一种含硼镁混合粉的金属化乳化炸药及制备方法。

背景技术

乳化炸药是民用工业炸药中使用量最大的炸药品种，泛指一类用乳化技术制备的使氧化剂盐类水溶液的微滴均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成一种油包水型(W/O)的乳胶状含水工业炸药。因为具有优良的抗水、环保、爆炸、贮存性能得到了广泛的应用。成分上主要由氧化剂水溶液(以硝酸铵、硝酸钠、硫酸钠等溶于水制成，俗称“水相”)、油相材料(复合蜡等，俗称“油相”)、乳化剂、敏化剂 (包括物理敏化剂与化学敏化剂，起“敏化作用”)构成。传统乳化炸药虽然具有优异的做功能力，其猛度甚至高于TNT，但因其密度较小，且水下爆炸实验表明，它的爆炸冲击波峰值、冲量、能量等指标较小。这说明乳化炸药在做功能力与输出能量方面略显不足，需要在这方面做出改进。

炸药的金属化是提高炸药做功能力的有效方法，制备金属化高能乳化炸药是一种有效提高炸药密度、爆炸威力与爆炸能量的新型方法。所谓金属化高能乳化炸药是指在传统乳化炸药中添加一种或多种高能可燃烧金属粉(铝粉、硼粉、镁粉、钛粉等)，通过混合搅拌形成均匀混合体系，高能金属粉均匀的分散在乳化炸药体系中，参与爆轰反应及与反应产物的二次反应并释放出大量的能量。在各种可用于火炸药领域的燃料中，铝(燃烧热31.0MJ/kg)、硼(燃烧热58.6MJ/kg)、镁(燃烧热25.1MJ/kg)、钛(燃烧热19.7MJ/kg)均具有质量热值高、体积热值高、原料无毒、燃烧产物无毒、来源广泛等诸多优点。研究表明，镁硼混合粉已被应用于军用炸药(RDX、HMX)中，并且可以少量参与爆轰波阵面反应及与反应产物进行二次反应，能显著地提高炸药的密度、做功能力与输出能量。

从理论上分析，硼(B)的质量和体积燃烧热(58.9kJ/g和137.8kJ/cm³)分别是铝(Al) 质量和体积燃烧热(31.3kJ/g和84.5kJ/cm³)的1.9和1.6倍，属于人们非常关注的高燃烧热金属燃料。硼粉不仅燃烧热值高，而且在常温下，没有铝粉活跃，不和空气中的水分反应，这对含硼炸药的安全性和长储性都非常有利。由于硼颗粒的表面多相燃烧，且粘性氧化层(B₂O₃)在表面堆积，因B₂O₃的沸点也较高(熔点为460℃，沸点为1860℃)阻碍了硼粉与氧化剂的混合，使其燃烧效率低下。已有文献表明：单独添加硼粉未能有效提高做功能力与爆炸能量的输出。国内外研究文献也表明：在RDX(黑索金)、HMX(奥克托今)等军用炸药中添加一定比例的硼镁混合粉末体系，可以相应的提高炸药密度以及爆炸总能量输出。这是因为在炸药爆轰过程中，镁粉的熔点(651℃)与沸点(1107℃)均较低，首先镁粉易于气化和氧化，且耗氧量低，氧化热值较高，为硼粉的氧化提供了高温环境和剩余氧，随后硼粉在高温环境下开始发生燃烧反应，环境温度超过了氧化产物B₂O₃沸点(1860℃)，使得B₂O₃氧化层不断蒸发，降低硼粉发生氧化反应的难度，内部的硼粒子持续燃烧，最后提高了硼粉的燃烧效率与持续时间，硼粉有效释放热量提高了爆轰反应总的能量释放。

目前，尚未发现在乳化炸药中使用硼镁混合粉体系的报道，硼镁金属化高能乳化炸药的制备对于提高乳化炸药密度、做功能力、爆炸能量将表现出显著的优势，大大拓宽了乳化炸药的应用领域与范围，使得乳化炸药作为一些特殊弹体的主装药成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含硼镁混合粉的金属化乳化炸药及制备方法；该金属化乳化炸药采用传统乳化炸药作为基体炸药，向基体炸药中添加一定比例均匀混合后的硼镁混合粉，经充分搅拌混合后使得硼镁混合粉均匀分散在乳化炸药体系内。乳化炸药中加入硼镁混合粉，首先提高了乳化炸药的密度，其次硼镁混合粉参与爆轰波阵面反应及与反应产物进行二次反应，镁粉先参与反应，为后参与反应的硼粉营造高温环境，镁粉的反应产物在高温下会气化，有利于去除硼粉的氧化层，提高了硼粉的燃烧效率与持续时间，进而提高了乳化炸药的做功能力与能量输出。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种含硼镁混合粉的金属化乳化炸药，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00-98.00wt％，硼镁混合粉2.00-35.00wt％。

在本发明的一个实施例中，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00-98.00wt％。例如，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00wt％、66wt％、67wt％、68wt％、69wt％、70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、 74wt％、75wt％、76wt％、77wt％、78wt％、79wt％、80wt％、81wt％、82wt％、83wt％、84wt％、85wt％、86wt％、87wt％、88wt％、89wt％、90wt％、91wt％、92wt％、93wt％、94wt％、95wt％、96wt％、97wt％或98.00wt％。

在本发明的一个实施例中，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：硼镁混合粉2.00-35.00wt％。例如，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：硼镁混合粉2.00wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、 21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％、30wt％、 31wt％、32wt％、33wt％、34wt％或35.00wt％。

进一步的，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00-70.00wt％，镁粉30.00-70.00wt％。

进一步的，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉由如下重量百分比的原料组成：硼粉30.00-70.00wt％，镁粉30.00-70.00wt％。

在本发明的一个实施例中，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00-70.00wt％。例如，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00wt％、35wt％、40wt％、41wt％、42wt％、43wt％、44wt％、 45wt％、46wt％、47wt％、48wt％、49wt％、50wt％、51wt％、52wt％、53wt％、54wt％、 55wt％、56wt％、57wt％、58wt％、59wt％、60wt％、65wt％或70.00wt％。

在本发明的一个实施例中，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：镁粉30.00-70.00wt％。例如，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：镁粉30.00wt％、35wt％、40wt％、41wt％、42wt％、43wt％、44wt％、 45wt％、46wt％、47wt％、48wt％、49wt％、50wt％、51wt％、52wt％、53wt％、54wt％、 55wt％、56wt％、57wt％、58wt％、59wt％、60wt％、65wt％或70.00wt％。

本发明还提供一种制备如上任一项所述的含硼镁混合粉金属化乳化炸药的方法，包括如下步骤：

(1)制备基体炸药；

(2)制备硼镁混合粉；

(3)将所述硼镁混合粉加入到基体炸药中，搅拌后制得所述含硼镁混合粉金属化乳化炸药。

进一步的，步骤(1)中，制备基体炸药包括如下步骤：

进一步的，步骤(2)中，制备硼镁混合粉包括如下步骤：采用直接混合法(也叫干混法)，称量选定质量的镁粉、硼粉依次添加至粉体混合机中，混合机调至低速运转(30转/ 分钟)，运转混合20分钟后停止，混合机静置2小时后取出硼镁混合粉。

进一步的，步骤(3)包括：在乳化炸药中添加硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌45分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上即完成。

具体地，一种含硼镁混合粉金属化乳化炸药，其组分包括基体炸药和硼镁混合粉，所述基体炸药是工业膏状乳化炸药，所述金属化高能乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00-98.00wt％，硼镁混合粉2.00-35.00wt％；其中硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00-70.00wt％，镁粉30.00-70.00wt％。

进一步的，所述的工业膏状乳化炸药配方与现有常用乳化炸药的配方相同，由乳化基质中添加敏化剂制成；乳化基质一般有硝酸铵、硝酸钠、硝酸钙、硫酸钠、尿素、水、蜡、松香、山梨糖醇单油酸酯、乳化剂等组分构成；敏化剂一般有物理敏化剂(玻璃微球、膨胀珍珠岩)、化学敏化剂(亚硝酸钠)。例如，所述乳化基质包括硝酸铵、硝酸钠、硝酸钙、硫酸钠、尿素、水、蜡、松香、山梨糖醇单油酸酯和乳化剂。

进一步的，所述的硼镁混合粉采用工业镁粉与硼粉在粉体混合机中使用干混法制备，称取相应质量比的镁粉与硼粉依次添加至粉体混合机中进行搅拌混合，控制运行速率45～90转 /分钟，混合搅拌40分钟以上，静置60分钟后取出混合粉样品；其中镁粉纯度大于98％，为雾化镁粉，粒径在5-50μm范围内；硼粉纯度大于98％，为无定型晶型，粒径在1-5μm范围内。

例如，镁粉粒径为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、 15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、22μm、24μm、26μm、26μm、28μm、30μm、 32μm、34μm、36μm、38μm、40μm、42μm、44μm、46μm、48μm或50μm。

例如，硼粉粒径为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。

进一步的，所述的含硼镁混合粉金属化高能乳化炸药的制备方法与现有技术中添加物理敏化剂玻璃微球的制备方法相同，在乳化炸药中添加一定质量百分比的硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌45分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上即完成。

本发明的有益效果：

1、本发明所添加的硼镁混合粉在乳化炸药中分布均匀，形成一种金属化高能乳化炸药体系，硼镁混合粉制备工艺简单，原材料价格便宜，硼镁混合粉均匀添加至乳化炸药体系后，由于不存在空气间隙，进而提高了炸药体系的密度与做功能力，降低了高能乳化炸药成本。

2、本发明含硼镁混合粉乳化炸药作为一种新型金属化高能炸药，相比于现有乳化炸药以及单独添加镁粉、硼粉的乳化炸药，活泼金属镁与爆轰产物发生燃烧放热反应营造了高温环境，为随后硼粉的持续燃烧放热提供了条件，镁粉的反应产物在高温下会气化，有利于去除硼粉的氧化层，大幅度提高了硼粒子的燃烧效率，使得本发明炸药在做功能力与爆炸性能上均有所提升，拓宽了乳化炸药的应用范围与领域。

3、本发明的含硼镁混合粉金属化高能乳化炸药的生产工艺简单方便，向成品乳化炸药中添加一定质量百分比的硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌45分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上即可进行包装、运输、储存。

附图说明

图1是本发明实施例1中普通乳化炸药进行水下爆炸测试得到的距离120cm处的冲击波曲线图。

图2是本发明实施例1中高能乳化炸药进行水下爆炸测试得到的距离120cm处的冲击波曲线图。

图3是本发明实施例2中普通乳化炸药进行水下爆炸测试得到的距离120cm处的冲击波曲线图。

图4是本发明实施例2中高能乳化炸药进行水下爆炸测试得到的距离120cm处的冲击波曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

乳化基质制备步骤：首先，分别称量一定质量的硝酸铵、硝酸钠、纯水放入水相罐中，将其放置于油浴锅中，加热搅拌至溶解并保温在105-110℃；其次，分别称量一定质量的复合蜡(C₁₈H₃₈)和Span-80(失水山梨糖醇脂肪酸酯)，放入油相罐中，将其放置于油浴锅中，加热至85-95℃并保温；最后，将搅拌器固定在油相罐上方，搅拌叶片浸没于油相中，打开搅拌器，将水相罐中溶液缓慢倒入油相罐中，倒入过程持续1分钟，将搅拌器转速提升至1000转/分钟，持续时间5分钟，关闭搅拌器与油浴锅，凉至室温得到乳化基质。

普通乳化炸药制备步骤：称量一定质量的上述乳化基质至混合罐中，混合罐放置于50℃油浴锅中，加入一定比例的玻璃微球敏化剂，搅拌10分钟至炸药体系均匀，即制得普通乳化炸药。

含硼镁混合粉金属化高能乳化炸药(简称高能乳化炸药)30g，硼镁混合粉含量为总质量的5％(＝1.5g)，普通乳化炸药含量为总质量的95％(＝28.5g)。乳化炸药采用常规敏化剂玻璃微球进行敏化，以乳化炸药总重量计，玻璃微球(D₅₀＝40um，密度0.32g/cm³，美国公司)含量为4wt％。

表1实施例1所使用的乳化基质配方

表2实施例1所使用的乳化炸药配方

硼镁混合粉中硼粉(D₅₀＝1um)与镁粉(D₅₀＝15um)质量比为55:45，将硼粉与镁粉按质量比55:45依次添加至粉体混合机中进行搅拌混合，控制运行速率50转/分钟，搅拌混合 40分钟，静置60分钟后取出混合粉样品。高能乳化炸药制备步骤：称量一定质量的普通乳化炸药放置于搅拌器中，向搅拌器中添加一定比例的硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌45 分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上，即制取高能乳化炸药。分别将普通乳化炸药、高能乳化炸药进行爆速实验、水下爆炸测试，对比分析硼镁混合粉对乳化炸药的做功能力与爆炸性能的影响。

水下爆炸测试中，普通乳化炸药距离120cm处的冲击波曲线见图1，高能乳化炸药距离 120cm处的冲击波曲线见图2。图中：横坐标表示时间(单位：us)，纵坐标表示压力(单位： MPa)，水下爆炸冲击波曲线由示波器记录。各种测试参数见表3，表3中数据均从冲击波曲线上获取。

表3实施例1水下爆炸冲击波爆轰参数

从表2、3可见，本发明的高能乳化炸药爆速、峰值压力略小于普通乳化炸药，是因为参与爆轰波阵面反应的炸药质量减少；但炸药密度、衰减时间、冲量、总能量均大于后者。也就是说，加入的硼镁混合粉虽然降低了乳化炸药爆轰速度、水下爆炸的冲击波峰值压力，但是硼镁粉末的二次反应可以提高爆炸场的温度及持续时间，使得炸药密度增加2.92％，衰减时间提升了6.85％，冲量提升了4.51％，总能量提升1.54％，对提高乳化炸药毁伤效应具有积极作用。

实施例2：

乳化基质制备步骤：首先，分别称量一定质量的硝酸铵、硝酸钠、纯水放入水相罐中，将其放置于油浴锅中，加热搅拌至溶解并保温在105-110℃；其次，分别称量一定质量的复合蜡和Span-80(失水山梨糖醇脂肪酸酯)，放入油相罐中，将其放置于油浴锅中，加热至85-95℃并保温；最后，将搅拌器固定在油相罐上方，搅拌叶片浸没于油相中，打开搅拌器，将水相罐中溶液缓慢倒入油相罐中，倒入过程持续1分钟，将搅拌器转速提升至1000转/分钟，持续时间5分钟，关闭搅拌器与油浴锅，凉至室温得到乳化基质。

普通乳化炸药制备步骤：称量一定质量的上述乳化基质至混合罐中，混合罐放置于50℃油浴锅中，加入一定比例的玻璃微球敏化剂，搅拌10分钟至炸药体系均匀，即制得普通乳化炸药。

含硼镁混合粉金属化高能乳化炸药(简称高能乳化炸药)30g，硼镁混合粉含量为总质量的10％(＝3.0g)，普通乳化炸药含量为总质量的90％(＝27.0g)。乳化炸药采用常规敏化剂玻璃微球进行敏化，以乳化炸药总重量计，玻璃微球(D50＝40um，密度0.32g/cm³，美国公司)含量为4wt％。

表4实施例2所使用的乳化基质配方

表5实施例2所使用的乳化炸药配方

硼镁混合粉中硼粉(D₅₀＝3um)与镁粉(D₅₀＝25um)质量比为(50:50)，将硼粉与镁粉按质量比50:50依次添加至粉体混合机中进行搅拌混合，控制运行速率60转/分钟，搅拌混合45分钟，静置60分钟后取出混合粉样品。高能乳化炸药制备步骤：称量一定质量的普通乳化炸药放置于搅拌器中，向搅拌器中添加一定比例的硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌60 分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上，即制取高能乳化炸药。分别将普通乳化炸药、高能乳化炸药进行爆速实验、水下爆炸测试，对比分析硼镁混合粉对乳化炸药的做功能力与爆炸性能的影响。

水下爆炸测试中，普通乳化炸药距离120cm处的冲击波曲线见图3，高能乳化炸药距离 120cm处的冲击波曲线见图4。图中：横坐标表示时间(单位：us)，纵坐标表示压力(单位： MPa)，水下爆炸冲击波曲线由示波器记录。各种测试参数见表6，表6中数据均从冲击波曲线上获取。

表6实施例2水下爆炸冲击波爆轰参数

从表5、6可见，本发明的高能乳化炸药爆速、峰值压力略小于普通乳化炸药，是因为参与爆轰波阵面反应的炸药质量减少；但炸药密度、衰减时间、冲量、总能量均大于后者。也就是说，加入的硼镁混合粉虽然降低了乳化炸药爆轰速度、水下爆炸的冲击波峰值压力，但是硼镁粉末的二次反应可以提高爆炸场的温度及持续时间，使得炸药密度增加9.03％，衰减时间提升了17.81％，冲量提升了8.40％，总能量提升3.40％，炸药密度以及爆轰性能的提升大大拓宽了乳化炸药的应用范围与领域。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种含硼镁混合粉的金属化乳化炸药，其特征在于，以含硼镁混合粉的金属化乳化炸药原料的总重量计，所述金属化乳化炸药包括如下重量百分比的原料：基体炸药65.00-98.00wt％，硼镁混合粉2.00-35.00wt％。

2.根据权利要求1所述的炸药，其特征在于，以硼镁混合粉的总重量计，所述硼镁混合粉包括如下重量百分比的原料：硼粉30.00-70.00wt％，镁粉30.00-70.00wt％。

3.根据权利要求1所述的炸药，其特征在于，所述的基体炸药由乳化基质中添加敏化剂制成；

优选地，所述乳化基质包括硝酸铵、硝酸钠、硝酸钙、硫酸钠、尿素、水、蜡、松香、山梨糖醇单油酸酯和乳化剂中的一种或多种；

优选地，所述敏化剂包括物理敏化剂和/或化学敏化剂；

优选地，所述的物理敏化剂为玻璃微球或膨胀珍珠岩；

优选地，所述的化学敏化剂为亚硝酸钠。

4.根据权利要求1所述的炸药，其特征在于，所述的硼镁混合粉采用镁粉与硼粉在粉体混合机中使用干混法制备，称取镁粉与硼粉依次添加至粉体混合机中进行搅拌混合，控制运行速率45～90转/分钟，混合搅拌40分钟以上，静置60分钟后取出混合粉样品；

优选地，镁粉纯度大于98％，为雾化镁粉，粒径在5-50μm范围内；

优选地，硼粉纯度大于98％，为无定型晶型，粒径在1-5μm范围内。

5.制备如权利要求1-4任一项所述的含硼镁混合粉金属化乳化炸药的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备基体炸药；

(2)制备硼镁混合粉；

(3)将所述硼镁混合粉加入到基体炸药中，搅拌，制得所述含硼镁混合粉金属化乳化炸药。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，制备硼镁混合粉包括如下步骤：将镁粉和硼粉依次添加至粉体混合机中，混合的得到硼镁混合粉。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：在乳化炸药中添加硼镁混合粉，使用搅拌器连续搅拌45分钟以上，使混合均匀，再放置60分钟以上即完成。

Images