湿态中性LTNR的性能及在电子雷管中的应用探究.pdf

实实实验验验研研研究究究湿态中性 LTNR 的性能及在电子雷管中的应用探究任泰昌1,吴平召1,邹志兵1,李建权1,吴国群2(1.江西新余国泰特种化工有限责任公司,江西 新余 338018;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122)摘要:为探究湿态中性三硝基间苯二酚铅在电子雷管生产、使用中的可行性,通过试验验证其发火性能,并将其应用于电子雷管用引火药头,研究使用该引火药头的电子雷管的性能,研究表明,以湿态中性三硝基间苯二酚铅为引火药头的电子雷管发火可靠性高,综合性能稳定,药头感度、雷管感度不太高,本质安全性高,可实现电子引火药头的自动化、连续化等人机隔离生产,具有较好的应用前景。关键词:湿态中性三硝基间苯二酚铅;制备;发火性能;电子雷管中图分类号:TQ563 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)02-0001-04收稿日期:2022-12-19作者简介:任泰昌(1993),男,四川宜宾人,工程师,主要从事火工品设计开发、技术管理等工作。E-mail:。引用格式:任泰昌,吴平召,邹志兵,等.湿态中性 LTNR 的性能及在电子雷管中的应用探究J.煤矿爆破,2023,41(2):1-4.REN Taichang,WU Pingzhao,ZOU Zhibing,et al.Performance of wet neutral LTNR and its application in electronic detonatorsJ.Coal Mine Blasting,2023,41(2):1-4.Performance of wet neutral LTNR and its application in electronic detonatorsREN Taichang1,WU Pingzhao1,ZOU Zhibing1,LI Jianquan1,WU Guoqun2(1.Jiangxi Xinyu Guotai Special Chemical Co.,Ltd.,Xinyu 338018,China;2.CCTEG Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,Fushun 113122,China)Abstract:To investigate the feasibility of wet neutral LTNR for electronic detonator production and usage,experiments are conducted to verify its ignition performance.Subsequently,the ignition heads made by the wet neutral LINR are utilized to produce electronic detonators,and their performance is thoroughly evaluated.According to the experiment,the electronic detonator with wet neutral LTNR as the ignition head has the characteristics of high ignition reliability,stable comprehensive performance,low head and detonator sensitivity,and high intrinsic safety.In addition,it can also realize the automatic and continuous man-machine isolation production of electronic ignition head,making it a promising technology for future applications.Key words:wet neutral LTNR;preparation;ignition performance;electronic detonator0 引言三硝基间苯二酚铅俗称斯蒂芬酸铅,简称LTNR,由 PGriess 于 1874 年首次制取成功,主要分为中性三硝基间苯二酚铅和碱性三硝基间苯二酚铅。随着传统工业雷管向更加安全、可靠、可控、高效的数码电子雷管的转型升级,三硝基间苯二酚铅以其优良的火焰感度作为引火药剂被广泛应用在数码电子雷管用引火元件(简称“电子引火元件”)中。目前,以三硝基间苯二酚铅作为电子引火元件的引火药剂的雷管生产企业中多采用干态碱性三硝基间苯二酚铅。张建国等1提出碱性三硝基间苯二酚铅1第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023具有较高的静电感度和静电积累值,在生产和使用上存在危险性,不利于安全生产。美国专利 USP40 29530 曾介绍采用湿法制备中性三硝基间苯二酚铅,其感度表现不佳,生产和使用相对安全。1 湿态中性三硝基间苯二酚铅的制备1.1 制备原理将三硝基间苯二酚与碳酸钠反应生产钠盐,生成的钠盐在弱碱性条件下与硝酸铅反应生成中性三硝基间苯二酚铅,其化学式为:C6H(NO2)3(OH)2+Na2CO3 C6H(NO2)3(0Na)2+H2O+CO2(1)C6H(NO2)3(0Na)2+Pb(NO3)2+H2OC6H(NO2)3O2PbH2O+2NaNO3(2)1.2 制备工艺流程1)按照工艺比例称取定量的三硝基间苯二酚及碳酸钠,少量多次加入配料槽均匀搅拌至完全溶解,控制 pH 值为 89,配制成三硝基间苯二酚钠溶液;2)称取定量的硝酸铅及吐温加入配料槽,均匀搅拌至完全溶解,用 200 目绢筛进行过滤,控制温度为 5565;3)将配制好的三硝基间苯二酚钠溶液和硝酸铅溶液同步加入化合器中,控制反应温度、加料时间及搅拌速度;4)将化合后的三硝基间苯二酚铅母液真空抽滤,用去离子水少量多次(35 次)冲洗出料,控制药剂的含水量为 15%25%2。具体工艺流程如图 1 所示。三硝基间苯二酚碳酸钠硝酸铅吐温三硝基间苯二酚钠溶液硝酸铅溶液加料化合洗滤出料图 1 湿态中性三硝基间苯二酚铅制备工艺流程2 湿态中性三硝基间苯二酚铅的性能2.1 外观湿态中性三硝基间苯二酚铅为黄色、细腻粉末状固体,含水量过高为黄色膏状固体,水的质量分数为 38.5%的湿态中性三硝基间苯二酚铅如图2 所示。图 2 水的质量分数为 38.5%湿态中性三硝基间苯二酚铅2.2 晶型采用高倍电子显微镜进行观察,清晰可见湿态中性三硝基间苯二酚铅的晶型为 2050 m 的六棱柱规则黄色细小晶体,并伴有少许絮状物,图 3为湿态中性三硝基间苯二酚铅与传统干态碱性三硝基间苯二酚铅晶型对比。湿态中性三硝基间苯二酚铅干态碱性三硝基间苯二酚铅图 3 湿态中性三硝基间苯二酚铅与传统干态碱性三硝基间苯二酚铅晶型对比2.3 水分变化将湿态中性三硝基间苯二酚铅分盘装入编号为 1#5#药桶内(每个药桶内药量约 200 g),采用防静电塑料袋包覆药桶置于存药间,在第 1、7、15、30 d 分别从 5 个试样中取样,测量水的质量分数,水分变化结果见表 1。结果表明,湿态中性三硝基间苯二酚铅采用防静电塑料袋包覆药桶进行储存,30 d 内水分无明显变化。2Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月表 1 30 d 内水分变化结果时间/d水的质量分数/%1#2#3#4#5#123.223.323.223.423.1723.323.323.123.323.21523.223.323.123.323.13023.123.223.123.223.12.4 药头感度取 1 发电子引火药头(引火药剂为苦味酸钾、高氯酸钾混合药剂)置于装有适量湿态中性三硝基间苯二酚铅的样品盒内,确保药剂完全包覆电子引火药头,引爆电子引火药头,重复试验两次,结果为试样未被引爆。图 5 为试样被电子引火药头引爆前后对比图。引爆前引爆后图 4 电子引火药头引爆前后对比图2.5 雷管感度取 1 发 8 号电雷管置于装有适量湿态中性三硝基间苯二酚铅的样品盒内,确保药剂完全包覆电雷管底部聚能穴,然后置于安全防护装置内引爆电雷管,重复试验两次,结果为试样未被引爆。图 5为试样被 8 号电雷管引爆前后对比图。图 5 8 号电雷管引爆前后对比图3 湿态中性三硝基间苯二酚铅在电子雷管中的应用3.1 电子雷管生产对引火药剂的要求电子雷管主要由电子并联脚线、注塑塞、电子引火药头、基础雷管组成,如图 6 所示,作用原理是控制器对电子雷管的芯片电容充电,然后控制器向电子雷管发出起爆信号,经过一定时间将电容中的电释放给引火药头,使引火药头通以一定强度的电流,桥丝发热引燃引火药,引火药产生的火焰冲能引爆基础雷管。上述过程中,引火药的性能有着至关重要的作用3-4。12341脚线;2注塑塞;3电子引火药头;4基础雷管。图 6 电子雷管产品结构电子引火药头对引火药剂的要求为安全性能好、具有较好的火焰感度;在充电电容为 33 F 的条件下,不发火电压不低于6 V,可靠发火电压不高于9 V。在上述条件下,引火药头可以实现自动化、连续化及人机隔离生产,生产过程本质安全性高;电子雷管发火可靠性高、综合性能好。3.2 引火药剂发火性能3.2.1 引火药头制备与发火电压测试为验证湿态中性三硝基间苯二酚铅作为引火药剂应用于电子雷管的可行性,对其发火性能进行试验,步骤如下:1)配制质量分数为 8%的聚乙烯醇胶液作为引火药剂的黏结剂;2)将水的质量分数为 25%的湿态中性三硝基间苯二酚铅与配制的聚乙烯醇胶液混合均匀,三硝基间苯二酚铅与聚乙烯醇的质量比为 100 a,配制为引火药剂;3)采用专用滴药工具将引火药剂滴入电阻为8.08.6 电阻器(带药杯),自然沉降、晾干 24 h,然后在温度为 4055 的烘房内烘制 24 h;4)采用升降法测试引火药剂的发火性能,在0.95 置信水平下,计算试样发火概率为 99.99%和0.01%的电压值,相关指标计算如下:发火概率为 50%时的发火电压x-=x0+dAN12()(3)式中:x-为发火概率 50%时的发火电压的值,V;x0为有效数据统计中,首发发火电压的值,V;d 为电压步长值,V;A 为统计量;N 为有效样本量;为有效样本量发火时取“-”号,有效样本量不发火时3第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023取“+”号。样本标准差 s s=1.620(M+0.029)d(4)M=(NB-A2)/N2(5)式中:s 为样本发火电压值的标准差,V;d 为电压步长值,V;N 为有效样本量;A、B 为统计量。发火电压 xpxp=x-3.719 s(6)式中:xp为发火概率 99.99%和 0.01%时试样的发火电压的数值,当计算 99.99%试样的发火电压的数值时,取“+”号,当计算 0.01%试样的发火电压的数值时,取“-”号,V;x-为发火概率 50%时的发火电压的值,V;3.719 为在 0.95 置信水平下,试样发火概率为 99.99%和 0.01%时对应的数值;s 为样本发火电压值的标准差,V。5)统计计算发火性能结果,得出结论。3.2.2 数据统计及计算结果第1 组数据统计情况:起始电压 8.0 V,步长0.2 V,最大发火电压 8.2 V,最小不发火电压 7.4 V,有效样本量 50 发。第 2 组数据统计情况:起始电压7.7 V,步长0.2 V,最大发火电压8.1 V,最小不发火电压7.3 V,有效样本量50 发。计算结果见表2。表 2 药剂发火电压计算结果汇总组别x-/Vx0.000 1/V x0.999 9/VNs/V 9 V 发火情况1 7.7807.2638.297500.139全部发火2 7.6857.1708.199500.138全部发火平均值 7.7337.2168.2480.139由表 2 可知,由湿态中性三硝基间苯二酚铅配制的引火药剂的不发火电压、可靠发火电压满足电子雷管对引火药剂的要求,可以用于电子雷管引火药头。3.3 电子雷管相关性能探究用湿态中性三硝基间苯二酚铅药剂作为电子雷管用引火药头后,对电子雷管相关性能进行测试。根据 WJ 90852015工业数码电子雷管标准要求,相关技术指标5-6如下。1)发火可靠性:采用专用起爆器对电子雷管进行注册、起爆,应能可靠起爆。2)抗震性能:将电子雷管置于凸轮转速为(601)r/min、落高为(1502)mm 的震动试验机中,连续震动 10 min,震动过程中电子雷管不应发生爆炸、结构松散或损坏等现象;震动完毕后,电子雷管应能正常起爆。3)抗撞击性能:在落锤质量为(20.002)kg、落高为(0.80.01)m 的条件下,分别撞击电子雷管的电子引火药头及起爆药装药部位,电子雷管不应发生爆炸。4)抗跌落性能:自由跌落,电子雷管从距离水平混凝土地面垂直高度为(50.05)m 的高处自由跌落,不应发生爆炸或结构损坏,电子雷管应能正常起爆;导向跌落,电子雷管底部朝下从垂直竖立的(50.05)m 长钢管内跌落至钢板上,不应发生爆炸或结构损坏,电子雷管应能正常起爆。5)静电感度:在电容为 500 pF、串联电阻为5 000 及充电电压为 25 kV 的条件下,对电子雷管的脚线脚线、脚线管壳放电,电子雷管不应发生爆炸;在电容为 2 000 pF、串联电阻为 0 及充电电压为 8 kV 的条件下,对电子雷管的脚线脚线、脚线管壳放电,电子雷管不应发生爆炸。6)延期时间:电子雷管在-20、70 以及常温试验条件下,均应满足当延期时间150 ms 时,误差1.5 ms;当延期时间150 ms 时,相对误差1%。采用湿态中性三硝基间苯二酚铅作为引火药剂生产电子雷管 3 个批次,每个批次 10 000 发,随机在其中一个批次中抽取 650 发产品进行上述试验,结果详见表 3。其中,延期时间验证结果为:1)常温条件下:当延期时间150 ms 时,误差为-0.495 0.428 ms,误差1.5 ms;当延期时间150 ms 时,相对误差为-0.542%-0.170%,相对误差1%。2)-20 条件下:当延期时间150 ms 时,误差为-0.5030.505 ms,误差1.5 ms;当延期时间150 ms 时,相对误差为-0.593%-0.235%,相对误差1%。3)70 条件下:当延期时间150 ms 时,误差为-0.494 0.554 ms,误差1.5 ms;当延期时间150 ms 时,相对误差为-0.548%-0.188%,相对误差1%。(下转第 11 页)4Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月3)试验结果表明,雷管采用四装三压装药结构可以提高雷管的起爆能力,为了进一步改良雷管品质,尽量避免用户在爆破作业中出现因雷管起爆能力不足造成炸药局部或全部拒爆进而影响爆破效果和爆破安全的情况。目前,本公司工业雷管的装压参数已由原来的三装两压装药结构更改为四装三压装药结构,经推广使用后效果良好,客户满意度较高,未出现因雷管起爆能力不足造成炸药拒爆的情况。参考文献 1 张华 郭宝义.管体材质和装药量对雷管起爆能力影响的研究 J.辽宁工程技术大学学报 自然科学版 2001 1 29-31.2 刘晓文 任冬梅 詹旭.电子雷管推广应用问题及对策措施 J.煤矿爆破 2022 40 1 32-34.3 陈文基 陈姗姗 杜华善.数码电子雷管电子引火元件发火可靠性影响因素研究 J.煤矿爆破 2021 39 3 15-18.4 许宜安 唐洪 农家笑 等.浅谈雷管带不动炸药 J.科技信息 2011 36 344.5 陈森.提高煤矿许用电雷管起爆能力的装药方式 J.煤矿爆破 2008 2 5-7.6 端家荣 陶培培 韩震 等.一种低感度点火药头在电子数码雷管中的应用 J.煤矿爆破 2021 39 3 32-34.7 井志明.减小密度梯度提高雷管威力 J.爆破器材 1990 5 15-17.8 吴春蓉.影响铝壳火雷管穿孔能力的主要工艺参数探讨 J.科技资讯 2005 26 32.9 黄跃全 张成俊.浅析数码电子雷管的发火可靠性 J.煤矿爆破 2019 37 3 24-26.(上接第 4 页)表 3 电子雷管相关性能试验结果检验项目数量/发结果发火可靠性200合格抗震性能20合格抗撞击性能50合格抗跌落性能100合格静电感度100合格延期时间180合格由表 3 可知,湿态中性三硝基间苯二酚铅作为引火药剂应用于电子雷管时,其各项性能指标符合WJ 90852015 性能指标要求。4 结语湿态中性三硝基间苯二酚铅制备工艺可实现批量化生产,且易制取、易保存。通过测试表明,以湿态中性三硝基间苯二酚铅为引火药剂的电子雷管具有发火可靠性高、综合性能稳定的特点,特别是药头感度、雷管感度不太高,生产使用的安全性高,可实现电子引火药头的自动化、连续化等人机隔离生产,符合“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划的要求,在电子雷管生产中具有较好的应用前景。参考文献 1 张建国 张同来.三硝基间苯二酚铅发展概况 J.火工品 1999 2 34-39.2 蓝卯 席晟华 郑琪 等.湿态三硝基间苯二酚铅 细结晶 LTNR 的批量化制备与应用 J.科学技术创新 2021 25 159-160.3 张英豪.数码电子雷管应用问题的研究 J.煤矿爆破 2018 36 1 19-24.4 任泰昌 邹志兵.GT-1A 型电子雷管的研究与应用 J.煤矿爆破 2020 38 2 34-37.5 王德鑫.H 型电子雷管起爆及管控系统设计 D.石家庄 河北科技大学 2018.6 刘晓文 任冬梅 詹旭.电子雷管推广应用问题及对策措施 J.煤矿爆破 2022 40 1 32-34.11第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023