CN117820062A - 一种制备单分散乳化炸药的设备和方法以及单分散乳化炸药 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种制备单分散乳化炸药的设备和方法以及单分散乳化炸药，涉及乳化炸药生产技术领域。该设备包括：原料供给单元、层流乳化单元、物料分离单元和敏化强化混合单元。制备方法包括：油相和水相在微米级层流乳化单元内混合、乳化得到混合料；混合料通过物料分离单元分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物，油相分离物返回油相进料装置与层流乳化单元之间循环使用；单分散乳胶基质与通过敏化强化混合单元进入的敏化材料在敏化强化混合单元内进行均匀分布得到单分散乳化炸药。本申请提供的设备和方法，在生产过程中远小于乳化炸药的传爆直径，可实现本质安全，所生产的乳化炸药的储存期长且密度可进行设计调整。

Description

一种制备单分散乳化炸药的设备和方法以及单分散乳化炸药

技术领域

本申请涉及乳化炸药生产技术领域，尤其涉及一种制备单分散乳化炸药的设备和方法以及单分散乳化炸药。

背景技术

乳化炸药是借助表面活性剂的作用，使氧化剂盐类水溶液的微滴，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，形成具有油包水型结构的工业炸药。将分散相均匀的分布在连续相中是制备乳胶基质生产工艺中的关键技术，也是决定乳化炸药性能的关键因素。

现有乳化炸药制备工艺是通过外力场做功(机械、高压搅拌或超声)破坏两种互不相溶液体之间的界面，使油相与水相进行高速剪切、混合，从而形成微米量级的油包水型乳胶基质，随后加入敏化剂与水相中成分发生化学反应生成气体或加入玻璃微珠等多孔物质，通过搅拌使之均匀分布于基质中，形成乳化炸药。乳化炸药的生产设备发展经历了桨叶式乳化罐、胶体磨、高速剪切型动态乳化器、敞开式搅拌静态乳化设备以及全静态乳化设备。

目前乳化技术是利用射流式漩涡流乳化的原理设计。通过机械结构改变水油两相的流动方向，在形成良好的径向混合效果的同时也使得流体在管线中流动冲击各种类型板元件，增加了流体层流运动的速度梯度并形成湍流，产生大量的漩涡，使得油水两相充分混合，在表面活性剂的作用下形成乳胶基质液滴，如CN103664424B一种乳化炸药的乳化方法及设备。

近些年随着微流控技术的成熟，在微米尺度通道内，形成了利用水油两相流动剪切力与界面张力之间的相互作用将水相分离成离散液滴的一种技术。如CN112979396A一种基于膜分散微反应器乳化炸药的制备公开了利用微米级别微孔膜进行乳胶基质的制备。CN113105297A一种基于被动式微混合芯片的乳化炸药的制备方法和系统公开了一种利用微流控混合芯片制备乳胶基质的方法。

现有乳化炸药的制备方法工艺简单，生产率高，通道尺寸往往是毫米级别。但是由于外力场的不均匀性，致使形成的乳胶基质液滴在尺寸、形态上差异较大，其制备的液滴一般是多分散性的，这将会造成乳化炸药在威力及储存性能方面的下降。而CN112979396A与CN113105297A在制备乳胶基质后，采用搅拌的方式进行敏化，对气泡或多孔物质的分布均匀性难以保障。

发明内容

本申请的目的在于提供一种制备单分散乳化炸药的设备和方法以及单分散乳化炸药，以解决上述问题。

为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

一种制备单分散乳化炸药的设备，包括：

原料供给单元，包括用于提供油相的油相进料装置、用于提供水相的水相进料装置和用于提供敏化材料的敏化材料进料装置；

层流乳化单元，设置微米级层流乳化通道，用于乳化所述油相和所述水相得到混合料；

物料分离单元，用于通过非接触外力场从所述混合料中分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物；

敏化强化混合单元，用于所述敏化材料均匀分布于所述单分散油包水乳胶基质得到所述单分散乳化炸药；

所述油相进料装置和所述水相进料装置与所述层流乳化单元的入口连通，所述层流乳化单元的出口与所述物料分离单元和所述敏化强化混合单元顺次连通。

优选地，所述层流乳化通道的宽度为1-100μm。

可选的，所述层流乳化通道的宽度可以为1μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm或者1-100μm之间的任一值。

优选地，所述层流乳化通道包括T型、十字型、Y型、同轴流动结构中的一种或多种。

优选地，所述非接触外力场包括电场、磁场中的一种或多种。

优选地，所述敏化强化混合单元具有U形通道、回字形通道或蚊香盘状通道。

优选地，所述制备单分散乳化炸药的设备还包括乳化炸药收集单元。

需要说明的是，本申请提供的设备，其结构可通过重复并联的方式实现大批量生产制造。

本申请还提供一种制备单分散乳化炸药的方法，使用所述的制备单分散乳化炸药的设备进行制备，所述方法包括：

所述油相进料装置提供的油相和所述水相进料装置提供的水相在所述层流乳化单元内混合、乳化得到所述混合料；

所述混合料通过所述物料分离单元分离得到所述单分散油包水乳胶基质和所述油相分离物，所述油相分离物返回所述油相进料装置与所述层流乳化单元之间循环使用；

所述单分散油包水乳胶基质与来自所述敏化材料进料装置的敏化材料通过所述敏化强化混合单元内使所述敏化材料均匀分布于所述单分散油包水乳胶基质得到所述单分散乳化炸药。

优选地，所述油相包括还原剂和乳化剂，所述水相包括氧化剂水溶液。

优选地，所述敏化材料包括化学敏化材料、物理敏化材料和气体敏化材料；

所述化学敏化材料包括亚硝酸钠和酸，所述酸包括醋酸和/或柠檬酸；

所述物理敏化材料包括多孔材料，所述多孔材料包括多孔珍珠岩和/或空心玻璃微珠；

所述气体敏化材料包括空气、二氧化碳、氢气、氮气中的一种或多种。

乳化炸药的敏化是为了在乳胶基质中制造空隙，便于在冲击压缩下形成热点起爆炸药，现有技术引入空隙的方式多为化学敏化或者物理添加，本申请在此基础上可直接注入气体，实现炸药功能性上的微调。如对其中充可燃性气体H₂可提高炸药能量，充O₂可进一步调节氧平衡，充空气则降低成本。

优选地，所述敏化材料为气体敏化材料；

所述气体敏化材料的流量满足以下条件：

其中，乳胶基质密度ρ₀，乳化炸药密度ρ₁，水相密度ρ_水，油相密度ρ_油，敏化气体密度ρ_气，水相流量U_水，油相流量U_油，敏化气体流量U_气，单位时间t。

本申请还提供一种单分散乳化炸药，使用所述的制备单分散乳化炸药的方法制得。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的制备单分散乳化炸药的设备和方法，相比于传统制备技术通过毫米级缝隙生成湍流对水油两相进行乳化，设置微米级层流乳化通道，采用微流控技术利用微米级通道，以层流的方式对水油相进行乳化，能够制备得到粒径均一的乳胶基质液滴，单分散乳胶基质液滴能够使得油膜之间排液作用变弱，液滴间聚合概率降低，减少液滴间析晶破乳，进而提高乳化炸药的稳定性。同时，本申请制备乳胶基质的生产过程中的尺度远小于炸药的爆轰临界直径，制备不需要强剪切作用，因而具有本质安全性。通过物料分离单元可对乳胶基质液滴和油相进行分离筛选，乳胶基质为油包水型乳液，内部水相为极性氧化剂水溶液，油相为非极性材料，因而通过施加非接触外力场可使乳胶基质液滴在管道内的流动发生偏移，实现乳胶基质液滴与油相材料的分离筛选。采用通过微米级管道注入敏化材料的敏化方式，相比现有的搅拌式敏化，大大提升了混合精度以及均匀度。此外，通过控制敏化材料的添加量及添加时间，可对乳化炸药的密度以及空隙的分布进行调整。

本申请提供的制备单分散乳化炸药的设备和方法，可以自由控制最终乳化炸药的成品密度，且降低成本；此外，还可以结合通过调整原料种类，实现对炸药爆速的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为本申请实施例提供的制备单分散乳化炸药的设备的示意图；

图2为本申请实施例提供的制备单分散乳化炸药的方法的流程示意图；

图3为层流乳化通道的结构示意图；

图4为敏化强化混合单元的结构示意图；

图5为实施例3制备得到的乳化炸药的显微镜照片；

图6为实施例4制备得到的乳化炸药的显微镜照片；

图7为实施例5制备得到的乳化炸药的显微镜照片；

图8为实施例6制备得到的乳化炸药的显微镜照片；

图9为对比例1制备得到的乳化炸药的显微镜照片；

图10为对比例1制备得到的乳化炸药的粒径分布图；

图11为本申请实施例3和对比例2制备得到的乳化炸药常温日常储存7天的显微镜对比照片。

附图标记：

1-水相进料装置；2-油相进料装置；3-层流乳化单元；4-物料分离单元；5-敏化材料进料装置；6-敏化强化混合单元；7-乳化炸药收集单元；8-管路；101-水相入口；102-油相入口；201-敏化入口；202-敏化出口。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种制备单分散乳化炸药的设备，包括：

原料供给单元，该原料供给单元包括用于提供水相的水相进料装置1、用于提供油相的油相进料装置2；以及层流乳化单元3、物料分离单元4。层流乳化单元3设置宽度为10μm的十字型层流乳化通道，用于乳化所述油相和所述水相得到混合料；物料分离单元4用于通过电场作用(20V/cm)从混合料中分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物。

可以理解的是，原料供给单元包括储料装置、送料泵等设施。

原料供给单元还包括用于提供敏化材料的敏化材料进料装置5。

该设备还包括敏化强化混合单元6和乳化炸药收集单元7；敏化强化混合单元6用于使敏化材料均匀分布于乳化炸药；乳化炸药收集单元7用于收集来自敏化强化混合单元6的单分散乳化炸药。

水相进料装置1、油相进料装置2与层流乳化单元3的入口连通，层流乳化单元3的出口与物料分离单元4、和敏化强化混合单元6和乳化炸药收集单元7顺次连通。

实施例2

本实施例提供一种制备单分散乳化炸药的设备，包括：

原料供给单元，该原料供给单元包括用于提供水相的水相进料装置1、用于提供油相的油相进料装置2；以及层流乳化单元3、物料分离单元4。层流乳化单元3设置宽度为100μm的Y型层流乳化通道，用于乳化所述油相和所述水相得到混合料；物料分离单元4用于通过磁场(1.5*10⁴A/m)作用从混合料中分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物。

原料供给单元还包括用于提供敏化材料的敏化材料进料装置5。

该设备还包括敏化强化混合单元6和乳化炸药收集单元7；敏化强化混合单元6用于强化敏化得到单分散乳化炸药；乳化炸药收集单元7用于收集来自敏化强化混合单元6的单分散乳化炸药。

水相进料装置1、油相进料装置2与层流乳化单元3的入口连通，层流乳化单元3的出口与物料分离单元4、敏化强化混合单元6和乳化炸药收集单元7顺次连通。

参见图3，在其它的实施方式中，层流乳化通道还可以为十字形或同轴流动结构。其中101为水相入口，102为油相入口。

需要说明的是，敏化强化混合单元6具有U形通道、回字形通道或蚊香盘状通道。具体如图4所示，其中201为敏化入口，202为敏化出口。

实施例3

如图2所示，本实施例提供一种制备单分散乳化炸药的方法，使用实施例1提供的设备进行制备，具体包括如下步骤：

1.水相进料装置1提供的水相和油相进料装置2提供的油相在层流乳化单元3内混合、乳化得到混合料；油相包括还原剂和乳化剂，水相包括氧化剂水溶液；

油相为柴油，5％，乳化剂为司盘80，2％；水相为：硝酸铵，69.5％，水，17％，硝酸钠，6.5％(均为质量分数)。

其中水相流量2μl/min，油相流量2μl/min，生成液滴直径为10μm。

在其它的实施方式中，油相可以为矿物油、柴油、机油中的一种或多种，乳化剂可以为司盘80或高分子聚异丁烯丁二酸酐，水相由硝酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、尿素中的一种或多种组成的水溶液。其中，油相添加量在4％-6％，乳化剂添加量在1％-3％，水相添加量在92％-94％，敏化方式为化学敏化时，敏化剂添加量在1％-2％之间。

需要说明的是，敏化方式为注入气体时，各参数指标需要满足以下条件：

其中，乳胶基质密度ρ₀，乳化炸药密度ρ₁，水相密度ρ_水，油相密度ρ_油，敏化气体密度ρ_气，水相流量U_水，油相流量U_油，敏化气体流量U_气，单位时间t。

由于敏化气体密度非常小，可以近似于零，所以有：

2.混合料通过物料分离单元4分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物，油相分离物通过管路8返回油相进料装置2与层流乳化单元3之间循环使用；

3.单分散油包水乳胶基质与来自敏化材料进料装置5的敏化材料在敏化强化混合单元6内强化敏化得到单分散乳化炸药。敏化材料为空气，流量为1.4μl/min，可制备密度为1g/cm³的乳化炸药。所得单分散乳化炸药实物图如图5所示。

实施例4

与实施例3不同的是：

乳化单元宽度为10μm的Y字型夹角为60°层流乳化通道，其中水相流量2μl/min，油相流量2μl/min，生成液滴直径为10μm。敏化气体为氮气，流量为0.9μl/min，可制备密度为1.1g/cm³的乳化炸药。

所得单分散乳化炸药实物图如图6所示。

实施例5

与实施例3不同的是：

乳化单元宽度为10μm的十字型层流乳化通道，其中水相流量4μl/min，油相流量2μl/min，生成液滴直径为30μm。敏化气体为氢气，流量为0.75μl/min，可制备密度为1.2g/cm³的乳化炸药。

所得单分散乳化炸药实物图如图7所示。

实施例6

与实施例3不同的是：

乳化单元宽度为10μm的T型层流乳化通道，其中水相流量7μl/min，油相流量2μl/min，生成液滴直径为40μm。敏化气体为氧气，流量为4.5μl/min，可制备密度为0.9g/cm³的乳化炸药。

所得单分散乳化炸药实物图如图8所示。

实施例7

与实施例3不同的是，敏化材料为物理敏化材料，该物理敏化材料为多孔珍珠岩。

在其它的实施方式中，物理敏化材料可以为空心玻璃微珠。

实施例8

与实施例3不同的是：

炸药配方为：油相为柴油，5.5％，乳化剂为高分子乳化剂，1.5％，硝酸铵，69％，水，17％，硝酸钠，6.5％，柠檬酸，0.5％。敏化液为亚硝酸钠溶液，额外添加1％。

在其它的实施方式中，敏化材料还可以包括醋酸。

在其它的实施方式中，醋酸可以使用柠檬酸替代。

对比例1

采用搅拌式所制备的乳胶基质粒径为多分散相，显微照片如图9所示。粒径分布如图10所示。

而采用本申请所制备的油包水液滴为单分散相，粒径大小统一，减少了液滴间的聚合，从而可提高乳化炸药的储存性能。

例如，实施例3得到的乳化炸药的粒径分布数据如下表1所示：

表1实施例3得到的乳化炸药的粒径分布数据

粒径	占比/％
		9.008	6.59
9.4605	22.64
		9.964	39.21
10.524	28.23
		11.1475	3.33

由图10和表1对比可知，本申请提供的设备和方法制得的乳化炸药的粒径分布更窄。

对比例2

对传统搅拌方式制备的乳化炸药及本申请实施例所制备的乳化炸药进行常温日常储存7天对比，再于显微镜进行观测，对比图如图11所示(左图为本申请实施例得到的乳化炸药的照片，右图为对比例2传统搅拌方式制备的乳化炸药照片)。

传统搅拌方式所制备的乳化炸药液滴之间已经出现了析晶，稳定性大大降低，从而会导致炸药性能降低。而本申请所制备的液滴间粒径大小变化不大，稳定性良好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种制备单分散乳化炸药的设备，其特征在于，包括：

原料供给单元，包括用于提供油相的油相进料装置、用于提供水相的水相进料装置和用于提供敏化材料的敏化材料进料装置；

层流乳化单元，设置微米级层流乳化通道，用于乳化所述油相和所述水相得到混合料；

物料分离单元，用于通过非接触外力场从所述混合料中分离得到单分散油包水乳胶基质和油相分离物；敏化强化混合单元，用于所述敏化材料均匀分布于所述单分散油包水乳胶基质得到所述单分散乳化炸药；

所述油相进料装置和所述水相进料装置与所述层流乳化单元的入口连通，所述层流乳化单元的出口与所述物料分离单元和所述敏化强化混合单元顺次连通。

2.根据权利要求1所述的制备单分散乳化炸药的设备，其特征在于，所述层流乳化通道的宽度为1-100μm。

3.根据权利要求1所述的制备单分散乳化炸药的设备，其特征在于，所述层流乳化通道包括T型、十字型、Y型、同轴流动结构中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的制备单分散乳化炸药的设备，其特征在于，所述非接触外力场包括电场、磁场中的一种或多种；

所述敏化强化混合单元具有U形通道、回字形通道或蚊香盘状通道。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备单分散乳化炸药的设备，其特征在于，还包括乳化炸药收集单元。

6.一种制备单分散乳化炸药的方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的制备单分散乳化炸药的设备进行制备，所述方法包括：

所述油相进料装置提供的油相和所述水相进料装置提供的水相在所述层流乳化单元内混合、乳化得到所述混合料；

所述混合料通过所述物料分离单元分离得到所述单分散油包水乳胶基质和所述油相分离物，所述油相分离物返回所述油相进料装置与所述层流乳化单元之间循环使用；

所述单分散油包水乳胶基质与来自所述敏化材料进料装置的敏化材料通过所述敏化强化混合单元内使所述敏化材料均匀分布于所述单分散油包水乳胶基质得到所述单分散乳化炸药。

7.根据权利要求6所述的制备单分散乳化炸药的方法，其特征在于，所述油相包括还原剂和乳化剂，所述水相包括氧化剂水溶液。

8.根据权利要求6所述的制备单分散乳化炸药的方法，其特征在于，所述敏化材料包括化学敏化材料、物理敏化材料和气体敏化材料；

所述化学敏化材料包括亚硝酸钠和酸，所述酸包括醋酸和/或柠檬酸；

所述物理敏化材料包括多孔材料，所述多孔材料包括多孔珍珠岩和/或空心玻璃微珠；

所述气体敏化材料包括空气、二氧化碳、氢气、氮气中的一种或多种。

9.根据权利要求6所述的制备单分散乳化炸药的方法，其特征在于，所述敏化材料为气体敏化材料；

所述气体敏化材料的流量满足以下条件：

其中，乳胶基质密度ρ₀，乳化炸药密度ρ₁，水相密度ρ_水，油相密度ρ_油，敏化气体密度ρ_气，水相流量U_水，油相流量U_油，敏化气体流量U_气，单位时间t。

10.一种单分散乳化炸药，其特征在于，使用权利要求7-9任一项所述的制备单分散乳化炸药的方法制得。