陸麗園,王曉云,王作鵬
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乳膠基質(zhì)的聲速測(cè)試及其影響因素研究
陸麗園,王曉云,王作鵬
(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽淮北,235039)
利用超聲波技術(shù)中的聲速法測(cè)量了不同質(zhì)量狀態(tài)乳膠基質(zhì)的聲速,并通過試驗(yàn)與理論研究分析了影響乳膠基質(zhì)聲速的主要因素。結(jié)果表明,不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì)的聲速存在顯著差別,分散相液滴顆粒的大小及乳膠基質(zhì)的粘度是影響乳膠基質(zhì)聲速的主要因素,聲速可以用來表征乳膠基質(zhì)的性能。
乳化炸藥;乳膠基質(zhì);聲速;粘度;粒徑
乳膠基質(zhì)的質(zhì)量從根本上決定了乳化炸藥成品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性及其爆炸性能,因此研究乳膠基質(zhì)的性能及其表征方法具有重要意義。目前對(duì)乳膠基質(zhì)性能的認(rèn)識(shí)尚顯不夠,對(duì)性能的表征方法也少,文獻(xiàn)報(bào)道的主要有基質(zhì)分散相粒子的大小及其表征方法[1-4]、基質(zhì)的粘度[5]、基質(zhì)的電性質(zhì)[6]等。
根據(jù)超聲波檢測(cè)原理[7-9],物質(zhì)的聲速與其組成、微觀結(jié)構(gòu)、存在形態(tài)以及物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān),在組成及存在形態(tài)一定的情況下,基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與性能不同,其聲速也就不同。因此研究乳膠基質(zhì)的聲速對(duì)研究基質(zhì)的性質(zhì)與性能,以及建立基質(zhì)性能新的表征方法具有重要意義。同時(shí),超聲波檢測(cè)技術(shù)具有快速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。
本文利用超聲波檢測(cè)法研究了不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì)的聲速,分析了影響乳膠基質(zhì)聲速的因素。
1.1 乳膠基質(zhì)樣品的制備
以2#巖石乳化炸藥配方為基準(zhǔn),制備了幾種不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì)小樣,主要考慮了幾種工藝偏離正常情況的基質(zhì):(1)乳化轉(zhuǎn)速為1 100r/min,油水相配比發(fā)生變化:采用相同的制備工藝,只改變油、水相配比,分別選擇正常配比的125%、100%、70%、55%、50%油相制備乳膠基質(zhì);(2)油水相配比正常,乳化轉(zhuǎn)速降為600r/min,制備乳膠基質(zhì);(3)油水相配比正常,乳化轉(zhuǎn)速降為320r/min,制備乳膠基質(zhì)。
1.2 儀器與試驗(yàn)方法
(1)聲速的測(cè)定:利用自制的聲速測(cè)定儀,裝置如圖1所示。先調(diào)節(jié)發(fā)射器與接收器上的固定螺釘,使發(fā)射面和接收面互相平行且與游標(biāo)卡尺尺面垂直;再調(diào)節(jié)示波器和信號(hào)發(fā)生器,調(diào)節(jié)頻率使系統(tǒng)處于共振狀態(tài),在此頻率下開始測(cè)定乳膠基質(zhì)的聲速;將乳膠基質(zhì)填入發(fā)射器與接收器中,緩慢地由遠(yuǎn)及近地移動(dòng)接收器,逐個(gè)記錄振幅最大時(shí)的刻度值,結(jié)合李薩如圖形的變化,可以求得波長(zhǎng),利用公式=,即可求得聲速。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖
(2)乳膠基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定:采用Winner 2000型臺(tái)式激光粒度分析儀對(duì)不同乳化基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。
(3)乳膠基質(zhì)的粘度測(cè)定:采用DV-1 型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)不同乳化基質(zhì)的粘度進(jìn)行測(cè)定。
2.1 乳膠基質(zhì)的聲速
根據(jù)乳膠基質(zhì)樣品的李薩茹圖形的轉(zhuǎn)變,測(cè)得值及頻率,可計(jì)算出聲速。不同乳膠基質(zhì)在95℃條件下測(cè)得的聲速見表1。從表1中可以看出,一定溫度下,不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì),其聲速存在顯著差別。
2.2 影響乳膠基質(zhì)聲速的因素
影響物質(zhì)聲速的因素主要有溫度與介質(zhì)的性質(zhì),其中介質(zhì)本身的性質(zhì)是影響聲速的關(guān)鍵,包括組成、微觀結(jié)構(gòu)、存在形態(tài)以及物理化學(xué)性質(zhì)。同一配方制備的乳膠基質(zhì),其組成與存在形態(tài)基本相同,此時(shí)聲速主要與基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。
表1 不同乳化基質(zhì)樣品的聲速 (m/s)
Tab.1 Sound velocity of emulsion matrix samples
注:50%油相的基質(zhì)不乳化,下同。
2.2.1溫度對(duì)聲速的影響
乳膠基質(zhì)的聲速隨溫度的升高而增加,分別測(cè)試了乳化轉(zhuǎn)速為1 100r/min、100%油相的乳膠基質(zhì)在不同溫度條件下的聲速,結(jié)果見表2,表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。
表2 不同溫度條件下乳膠基質(zhì)樣品的聲速
Tab.2 Velocity of emulsion matrix samples under different temperatures
從表2中可以看出,乳膠基質(zhì)的聲速受溫度影響較大,隨溫度的升高而增大。對(duì)同種介質(zhì),溫度是影響聲速的主要因素。一般來說,溫度越高,聲速越大。因?yàn)闇囟仍礁?,分子運(yùn)動(dòng)越快,傳遞振動(dòng)也快,表現(xiàn)為聲速隨溫度的升高而增加。
2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)對(duì)聲速的影響
為考察聲速與基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系,測(cè)定了樣品的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果見表3,表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。
表3 不同乳化基質(zhì)樣品的分散度 (μm)
Tab.3 Dispersion of emulsion matrix samples
從表3中可以看出,正常配比及正常工藝條件下(乳化轉(zhuǎn)速為1 100r/min、100%油相)制備的基質(zhì)的粒徑較小,且分布較均勻,平均粒徑最小,基質(zhì)質(zhì)量最佳;125%油相的基質(zhì),小直徑的粒子較正?;|(zhì)有所增加,但粒徑分布范圍變寬,出現(xiàn)了直徑較大的粒子,平均粒徑增大;隨著油相含量的減少,粒子直徑逐漸增加,粒子分布范圍也越來越大,說明油相的包覆力減弱;隨著乳化轉(zhuǎn)速的降低,基質(zhì)的粒徑隨之增大,且粒徑分布范圍也大大增加,乳化效果不理想。
綜合表1、3可以看出,基質(zhì)的聲速隨著粒徑的增大而降低,但低轉(zhuǎn)速的基質(zhì)沒有此規(guī)律。
2.2.3粘度對(duì)聲速的影響
測(cè)定了各樣品的粘度,結(jié)果見表4。從表4中可以看出,基質(zhì)的粘度隨著油相的減少而增加,隨乳化轉(zhuǎn)速的降低而降低??梢钥闯?,低轉(zhuǎn)速的基質(zhì)不僅分散相顆粒較大,粘度也較低。綜合表1、4可看出,基質(zhì)的聲速隨粘度的增大而降低,但含125%油相的乳膠基質(zhì),其粘度低于100%油相的基質(zhì),但聲速卻低于100%油相的基質(zhì)。
表4 95℃下不同乳化基質(zhì)的粘度 (Pa·s)
Tab.4 Viscosity of emulsion matrix samples at 95℃
2.2.4影響聲速因素的理論分析
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)能量會(huì)衰減。能量的衰減取決于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。由擴(kuò)散引起的衰減是由聲源及傳播約束條件決定的,與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)[10]。因此,此處只討論吸收衰減和散射衰減。
(1)吸收衰減:吸收衰減主要是由于介質(zhì)粘滯性,使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦,從而使一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能損失掉[11]。當(dāng)粘滯的介質(zhì)中相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí),它們之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力——亦即粘滯力。由于內(nèi)摩擦引起的吸收,其衰減系數(shù)α可用式(1)表示[12]:
式(1)中:為介質(zhì)密度,kg/m3;為粘滯系數(shù),無(wú)因數(shù);為超聲波頻率,Hz;為聲速,m/s;為波長(zhǎng),m,=/。從式(1)可以看出,吸收衰減與介質(zhì)的粘滯系數(shù)成正比。介質(zhì)的粘度越大,則吸收衰減越大,聲速越低。表1與表4中,乳膠基質(zhì)聲速隨粘度的降低而增大(125%油相的乳膠基質(zhì)除外),證實(shí)了這點(diǎn)。
(2)散射衰減:散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)中的顆粒使聲波產(chǎn)生散射,一部分聲能不再沿原來的傳播方向運(yùn)動(dòng)而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子性質(zhì)有關(guān)。散射作用比較著名的理論為瑞利散射和米散射理論。當(dāng)分子或粒子的半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí),散射輻射服從瑞利公式,而當(dāng)粒子尺度增大到一定程度(粒子尺度參數(shù))時(shí),瑞利公式不再適用,應(yīng)改為米氏理論。乳膠基質(zhì)中分散相粒子的平均粒徑為幾微米,符合瑞利散射。
散射強(qiáng)度與粒子的半徑及粒子數(shù)量的關(guān)系見式(2)[11]:
式(2)中:為波長(zhǎng),m;為粒子的半徑,m;為粒子數(shù)量。從式(2)中可以看出,乳膠基質(zhì)分散相顆粒的粒徑越小,散射衰減就越弱,聲速就越大。表1、3中,基質(zhì)的聲速隨著粒徑的增大而降低(低轉(zhuǎn)速的基質(zhì)除外)證實(shí)了這點(diǎn)。
表1中,125%油相的樣品粘度雖然比100%油相的樣品低,但其平均粒徑卻比100%油相的樣品大,因此其散射衰減也大,這就解釋了為什么125%油相的樣品粘度低于100%油相的樣品粘度,但其聲速卻低于100%油相樣品的聲速。同理,低轉(zhuǎn)速的基質(zhì)雖然粒徑較大,但其粘度較低,因此聲速較大。
綜上所述,一定溫度下乳膠基質(zhì)的聲速取決于乳膠基質(zhì)本身的性質(zhì),即乳膠基質(zhì)的粘度及分散相顆粒的大小,是二者共同作用的結(jié)果。乳膠基質(zhì)的粘度越大,則吸收衰減越強(qiáng),聲速越低;分散相顆粒越大,則散射衰減越強(qiáng),聲速越低。
(1)試驗(yàn)研究了幾種不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì)樣品的聲速,發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量狀態(tài)的乳膠基質(zhì)的聲速存在顯著差別。
(2)影響乳膠基質(zhì)聲速的因素除了溫度外,主要取決于乳膠基質(zhì)本身的性質(zhì):乳膠基質(zhì)的粘度及分散相顆粒的大小,是二者共同作用的結(jié)果。粘度越大則吸收衰減越強(qiáng),聲速越低;分散相顆粒越大,則散射衰減越強(qiáng),聲速越低。
(3)一定溫度下乳膠基質(zhì)的聲速取決于乳膠基質(zhì)本身的性質(zhì),因此,聲速可以用來表征乳膠基質(zhì)的性能。
研究過程中,由于儀器比較簡(jiǎn)單,加之實(shí)驗(yàn)室制備的乳膠基質(zhì)樣品多少都混有氣泡,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差。
[1] 崔安娜,汪旭光.乳化炸藥基質(zhì)粒子的結(jié)構(gòu)與觀測(cè)技術(shù)[J].爆破器材,1984(1):30-32.
[2] 張顯丕,郭子如,李道平.乳化炸藥基質(zhì)分散相液滴大小及分布的影響因素[J].含能材料,2006,2(14):147-150.
[3] 申英鋒,汪旭光,肖裕民.乳化炸藥粒徑分布的表征方法及分布模擬算法[J].爆破器材,1998,27(5):1-4.
[4] 徐國(guó)財(cái).乳化炸藥基本粒子的測(cè)試與表征[J].爆破器材, 1996,25 (5):1-4.
[5] 楊仁樹,李清,田運(yùn)生,王樹仁.乳化炸藥異常流變性與其微觀穩(wěn)定性的關(guān)系[J]. 煤炭學(xué)報(bào),1997,22(2):160-164.
[6] 趙劍宇.W/O型乳膠粒子表面電性的研究[J].云南化工,1998 (2):31-33.
[7] 張玉華,孫慧賢,李建增.硬度測(cè)量無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)的研究與發(fā)展[J].計(jì)量技術(shù),2013(4):26- 30.
[8] De-an T A.Stress analysis of ultrasonic guided waves in viscous liquid-filled pipes[J].Technical Acoustics, 2006,25(5): 419-425.
[9] 胡潔,俞金飛,章東,等.乳狀液超聲特性的分析[J].乳品工業(yè), 2004(3):27-29.
[10] 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所.超聲工業(yè)測(cè)量技術(shù)[M].上海:上海人民出版社,1999.
[11] 袁易全.近代超聲原理與應(yīng)用[M].南京:南京大學(xué)出版社, 1996.
[12] Saraf B, Samal K. Ultrasonic velocity and absorption in reconstituted powdered milk. II[J].Acustica,1984,56(1): 61-66.
Study on the Sound Velocity Testing of Emulsion Matrix and Influence Factors
LU Li-yuan,WANG Xiao-yun,WANG Zuo-peng
(China Coal Technology and Engineering Group Huaibei Blasting Technology Research Institute, Huaibei, 235039)
By use of ultrasonic technology, the sound velocities of different emulsion matrixes with different quality were determined, and the main factors influencing the velocity of emulsion matrix were analyzed by experiment and theory. The results show that there is significant difference between the velocities of different quality state of emulsion matrix, and the droplet size of the dispersed phase and the viscosity of emulsion matrix are the main influence factors. The study indicated that sound velocity can be used to character the property of the emulsion matrix.
Emulsion explosive;Emulsion matrix;Sound velocity;Viscosity;Particle size
1003-1480(2015)03-0053-04
TQ564
A
2014-12-10
陸麗園(1971-),女,工程師,主要從事民用爆破器材研究。