1.3.2. Вискозитет на емулсията
Вискозитетът (вътрешното триене) е едно от явленията на пренос, свойството на течните тела (течности и газове) да се съпротивляват на движението на една от техните части спрямо друга. В резултат на това се получава разсейване под формата на топлина от работата, изразходвана за това движение.
Механизмът на вътрешното триене в течности и газове е, че произволно движещи се молекули прехвърлят инерция от един слой в друг, което води до изравняване на скоростите - това се описва чрез въвеждането на сила на триене.
Има динамичен вискозитет (единица в Международната система от единици (SI) - Pa s, в системата CGS - Poise; 1 Pa s \u003d 10 Poise) и кинематичен вискозитет (единица в SI - m² / s, в CGS - Stokes). Кинематичният вискозитет може да се получи като съотношението на динамичния вискозитет към плътността на веществото и дължи произхода си на класическите методи за измерване на вискозитета, като например измерване на времето, необходимо на даден обем да изтече през калибриран отвор под въздействието на гравитацията.
Вътрешното триене на течности, както и газове, възниква, когато течността се движи поради предаване на импулс в посока, перпендикулярна на посоката на движение. В сила е общият закон на вътрешното триене - законът на Нютон:
Коефициентът на вискозитет η (коефициент на динамичен вискозитет, динамичен вискозитет) може да бъде получен от съображения за молекулярни движения. Очевидно е, че η ще бъде толкова по-малко, колкото по-кратко е времето t за "утаяване" на молекулите.
Динамичният вискозитет на течностите намалява с повишаване на температурата и се увеличава с увеличаване на налягането.
Устройство за измерване на вискозитет се нарича вискозиметър.
За определяне на реологичните характеристики на EHV се използва концепцията за динамичен вискозитет.
Вискозитетът характеризира триенето между слоевете на течността по време на нейния поток.Ако приемем, че първоначалната емулсия е хомогенна течна система, тогава кристалите, които възникват по време на съхранение, могат да се разглеждат като суспензия, в която кристалните повърхности са разположени произволно по отношение на посоката на силата на срязване [19].
Един от основните показатели за експлозивни експлозиви, предназначени за механизирано зареждане, е способността им да се транспортират по линията на зареждане до кладенеца. Наличието на защитни повърхностноактивни обвивки в емулсиите и неравномерното подреждане на частиците на вътрешната фаза в полидисперсните системи води до сложна нелинейна връзка между деформациите и приложените напрежения. Това е особено силно изразено при силно концентрираните емулсии, които имат свойствата на ненютонови течности. Реологията на дадената система се характеризира с показатели еластичност, вискозитет и пластичност [1].
Ефективността на работата на оборудването при производството и патронажа на взривни експлозиви, при зареждане на сондажи и кладенци, както и целостта на заряда в случай на повреда на черупката, стабилизирането на различни добавки, смесени в готовата емулсия, до голяма степен се определя от реологичните свойства.
Тъй като вискозитетът на емулсията зависи от свойствата на непрекъснатата фаза, изборът на компонентите на маслената фаза трябва да се извърши, като се вземе предвид получаването на необходимите реологични свойства на състава. Така например за производството на вискозни емулсии течните въглеводороди са напълно заменени с твърди.
Висококонцентрираните емулсии от типа поремити имат вискозитет с няколко порядъка по-висок от външната дисперсионна среда, която се използва в емулсията като смес от минерално масло с емулгатор. С увеличаване на масовата част на дисперсната фаза се наблюдава повишаване на вискозитета на такива емулсии, което се свързва с инхибиторния ефект на частиците на дисперсната фаза (окислител) върхупоток, което води до нарушаване на законите на Нютон, Айнщайн и Поазел. В такива системи няма пропорционалност между напрежението и срязването, вискозитетът зависи от скоростта на срязване [5].
1.3.2.1. Сгъстители като EHV добавки
За да се увеличи водоустойчивостта и вискозитета на суспензионните експлозиви, в техния състав се въвеждат сгъстители, които се използват главно като органични полимери, които набъбват във вода. В чужбина най-често се използва гуаргам - полизахарид от растителен произход. У нас най-използваните синтетични полимери са натриевата сол на карбоксиметилцелулозата (Na-CMC) и полиакриламида (PAA).
CMC съдържа от 0,5 до 1,2 карбоксиметилови групи на единица от целулозната макромолекула. Броят на тези групи определя способността на CMC солите да се разтварят в разтвори на амониев нитрат. За сгъстяване на експлозивни смеси се използва CMC натриева сол с неутрално рН на разтвора. Най-вискозните и гъсти разтвори дават клас CMC 70/500 и 85/500. Плътните CMC гелове са структурирани с тривалентни метални соли, например хромов сулфат.
Най-голям сгъстяващ ефект има гуаргамът, който е полизахарид на растителна основа, получен чрез смилане на зърна от някои тропически сортове акация. Съдържа до 80% от основното вещество, 3-5% протеини, неразтворими във вода примеси не повече от 3% и до 1% пепел. Разтваря се добре дори в студена вода (95%), има неутрално pH (рН=6,5±0,5%), вискозитет 30 Pz и е ефективно структуриран от боракс, антимон и бисмутови оксиди. Гуаргамът е най-широко използваният сгъстител във водно-гелови експлозивни формулировки.
Има и добре познати вносни сгъстители "Superflox 100", керогенан, нефелин гел, KF 800S2и др. Стабилизират зарядите добре. Най-добри резултати са получени с използването на флокуланта KF 800S2, който се оказва стабилен дори при температури до 140 o C.
Търсенето на други сгъстители в различни източници, посветени на тази тема, се разширява. В резултат на изследване на процесите на полимеризация и поведението на разтворения силициев диоксид, преминаващ в разтвор по време на киселинна обработка на водно стъкло, беше предложено да се използва зол на силициева киселина за сгъстяване на експлозиви, които при определени условия полимеризират в гел с образуването на силни обемни структури поради образуването на Si-0-Si силоксанови връзки. Напречните химични връзки, които са напречни връзки, придават на гела високи структурно-механични и водозащитни свойства, които се увеличават с увеличаване на концентрацията на SiO2 [24].
Въпреки наличието на различни сгъстители, вниманието ни беше привлечено от полиакриламида, който е воден разтвор с висок вискозитет с концентрация 8-9%, поради неговата наличност и практическо приложение в технологията за създаване на GVV. Сухият технически полиакриламид съдържа 35% от основното вещество и 60-70% амониев сулфат. PAA е много по-добра в сгъстяваща способност от CMC, тя е добър сгъстител за получаване на гелообразни високо водоустойчиви експлозиви.
Процесът на сгъстяване е доста дълъг и започва с образуването на сгъстителна суспензия, която постепенно набъбва поради проникването на водни молекули в полимера. Те разширяват празнините между веригите на макромолекулите, което води до набъбване на сгъстената смес. За формирането на здравите му структури се въвеждат омрежващи агенти, които образуват омрежващи връзки.
При изследване на структурата на разтворите на сгъстители беше установено, че полиакриламидът образува пространствена мрежа във водни разтвори, състояща се от центровестеснения и нишковидни връзки между тях. Първите са концентрирани асоциирани макромолекули от различни преходни форми, вторите са нишковидни снопове от макромолекули. Под въздействието на структуриращи агенти, нишковидните връзки са "омрежени", а когато се добавят хромови и манганови соли, се образува доста плътна подредена структура.
Установено е, че хромните соли K2Cr2O7 и Cr2(SO4)3 най-много повишават здравината на структурата на разтворите на PAA.
Процесът на омрежване протича много бързо, така че структуриращият агент трябва да бъде равномерно въведен в обема на експлозивната смес не по-рано от подаването й в кладенеца. Без подходящо оборудване за зареждане, тази техника е технически отнемаща време, но е осъществима, следователно омрежването почти никога не се използва в домашната практика.
Въпреки бързото сгъстяване на експлозивите, PAA има редица съществени недостатъци. PAA се държи стабилно при температури до 100 °C. При производството на пренаситени разтвори температурата се повишава до 115-125 ° C, както и през зимата. При такива температури се увеличава подвижността на водородните атоми и се получава полимеризация (омрежване) на PAA. В същото време тя губи способността си да се разтваря в окислителя и след въвеждането на "мрежи" се структурира под формата на отделни колоидни маси, част от които полепват по частите на апарата, а останалата маса плува и се натрупва върху повърхността на горещия разтвор на окислителя в плътен неразтворим слой. Вискозитетът на окислителя се губи безвъзвратно и той остава практически несгъстен и следователно неводоустойчив.
INВ хода на изучаване на литературни източници беше преведен патент [25], който гласи, че сгъстителната система може да се състои от карбоксилен полимер и активатор като тиокарбамид или натриев тиоцианат. Карбоксилният полимер има полимерен скелет и допълнителни карбоксилни групи. Важна характеристика на полимера е, че той има карбоксилни групи, независими от полимерната верига, и че тези карбоксилни (карбоксилиращи) групи са свободни да реагират.
В съответствие с [25] идеята за емулсия е предложена по обичайния начин; впоследствие към вече приготвената емулсия се добавя полимер и се разбърква. Алтернативно, полимерът може да бъде разтворен в маслото преди образуването на емулсия.
След като полимерът е включен в емулсията, може да се добави тиокарбамид или натриев тиоцианат като активатор. В резултат на експериментите на Д. Марлоу [25] беше забелязано, че тиокарбамидът или натриевият тиоцианат действат като активатори и допринасят за бързото сгъстяване на емулсията с образуването на подобна на гума маса, която вече няма течливост. Въпреки факта, че полимерът се съдържа в маслената фаза, а тиоуреята и натриевият тиоцианат са в дисперсната фаза на емулсията, взаимодействието между тях, въпреки че не е закономерно, съществува и води до бързо сгъстяване на емулсията. Естеството на това взаимодействие не е ясно, резултатът е възпроизводим и полученото удебеляване е много полезно.
Енергийните емулсии, обсъдени в патента на D. Marlow [25], са подходящи за ситуации, в които е желателно емулсионният експлозив да се опакова предварително. Формата на сглобката може да бъде от различни видове или цели. Най-често опакованите емулсионни експлозиви обаче са опаковки в цилиндрични тръби. Например, размерът на опаковката може да варира от 25 mm до 150 mm в диаметър. Теможе да се използва за открити работи, като трошене на скали за изкопни работи, тунелиране и пътно строителство. Такива ER могат да се използват и в медната, желязната и въгледобивната промишленост.
Анализът на патента [25] показа голямото значение на използването на бързо сгъстяване на емулсията при натоварване, което се нарича "upholes in rock face". „Нагоре“ е дупка, която е пробита вертикално и затова е необходимо да има експлозивно съединение, което се изпомпва в дупката и се сгъстява бързо, така че да спре да тече.