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《北京科技大学》 2020年 博士论文
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乳胶基质失稳过程的规律研究

张阳  
【摘要】:乳化炸药被广泛应用于工程爆破作业之中,其主要组成成分为乳胶基质。乳胶基质是具有高内相体积比的W/O型乳状液,是一种热力学不稳定体系。因而随着储存时间的增加,乳胶基质会逐渐失稳破乳,从而造成其使用性能的下降。乳胶基质失稳过程中所出现的现象规律无法完全使用经典的乳状液稳定理论来进行解释,同时现今乳化炸药产品储存期的确定大多是依据经验,缺少有力的理论支撑,所以对于乳胶基质失稳过程的研究是非常必要的。本文针对乳胶基质的失稳过程,首先从经典的乳状液稳定机理出发,分析了造成乳胶基质失稳的原因,并采用了较为基本的乳胶基质配方进行制样,对其失稳过程的规律及相关机理进行了深入研究。本文的主要研究工作如下:(1)乳胶基质失稳过程的实验研究与规律分析。通过高低温循环法加速了乳胶基质的失稳过程,并结合宏观观测、光学显微镜观测、粒度分析以及热分析等测试手段对乳胶基质在失稳过程中的现象进行了多角度的观测。研究结果表明,分散相过饱和硝酸铵溶液的析晶是造成乳胶基质失稳的主要原因。单个液滴内晶体的形成是相对独立的,其发生的空间位置具有随机性。析出的晶体会在液滴间进行生长,形成析晶团。在本文的实验条件下,未发生析晶的分散相液滴的粒径大小在乳胶基质的失稳过程中并不会发生变化。(2)乳胶基质失稳过程的结晶动力学研究。依循分散相液滴中硝酸铵析晶的形成方式和过程推导了乳胶基质的老化方程,该方程对乳胶基质失稳过程中的多个影响因素进行了综合描述。通过实验和文献数据的验证表明,老化方程与乳胶基质及乳化炸药失稳过程中析晶率的变化规律相吻合,因而提供了一种量化乳胶基质老化程度的方法。其中的特征时间表征了某一品种的乳胶基质及其产品在一定的外界环境中,老化速率达到最大时所需的时间,便于直观、定量的评定乳胶基质及其产品在储存性能方面的优劣。(3)乳胶基质失稳过程的演化。通过结合实验所观测到的现象规律,基于逾渗理论建立了乳胶基质的老化模型,该模型建立在网格上,以格点的占据情况代表分散相液滴是否发生析晶,实现了对乳胶基质失稳过程的演化。随着老化程度的加剧,在达到一定的临界条件时,原先相互独立的析晶团会相互连接,出现跨越整个系统的析晶团。此时系统发生全面破乳,液滴发生析晶的可能性达到最大,通过与老化方程联合,为计算乳胶基质的全面破乳时刻提供了一种方法,对确定乳胶基质及其产品的储存期有着重要的参考意义。(4)储存直径对乳胶基质失稳过程的影响。根据重整化理论,乳胶基质内部的析晶团在临界条件附近具有分形的特征,从而设计了不同储存直径下乳胶基质的老化实验,并依据老化模型对实验中所观测到的现象进行了分析。研究结果表明,对于同一品种的乳胶基质,储存直径越大,该样品发生全面破乳所需的时间越短,样品从全面破乳到完全失效之间的时间间隔也会越短,这对远程配送方面的工业设计和参数优化具有一定的参考意义。


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