ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ СВОЙСТВА ТРИАМИНОГУАНИДИН НИТРАТА И СОСТАВА НА ЕГО ОСНОВЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ СЖИГАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Гулакова Е.Ю., Головин А.И., Колесов В.И., Дьячков А.В., Патрикеев Д.И.

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ СВОЙСТВА ТРИАМИНОГУАНИДИН НИТРАТА И СОСТАВА НА ЕГО ОСНОВЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ СЖИГАНИЯ

Гулакова Екатерина Юрьевна, лаборант-исследователь целевой поисковой лаборатории «Перспективные высокоэнергетические материалы», e-mail: gulakova.e.i@muctr.ru

Головин Артем Игоревич, лаборант-исследователь целевой поисковой лаборатории «Перспективные высокоэнергетические материалы», e-mail: golovin.a.i@muctr.ru

Колесов Василий Иванович, к. х. н., доцент кафедры Химии и технологии органических соединений азота, email: kolesov2116@yandex.ru

Дьячков Александр Владимирович, в. н. с. целевой поисковой лаборатории «Перспективные высокоэнергетические материалы», e-mail: diachkov.a.v@muctr.ru

Патрикеев Дмитрий Игоревич, научный сотрудник целевой поисковой лаборатории «Перспективные высокоэнергетические материалы», e-mail: p atrikeev .d.i @muctr. ru

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

Изучено влияние различного давления на газогенераторные свойства триаминогуанидин нитрата и состава на его основе при сжигании в калориметрической бомбе. Изучен состав и количество выделившихся газов. Исследовано влияние массы вещества при различных давлениях. В качестве состава был взят триаминогуанидин нитрат/ полиуретан.

Ключевые слова: ТАГН, ПУ, триаминогуанидин нитрат, полиуретан, удельное газообразование, калориметрия, калориметрическая бомба, газогенераторные свойства, газогенерация.

GAS-GENERATING PROPERTIES OF TRIAMINOGUANIDINE NITRATE AND ITS COMPOSITION UNDER VARIOUS COMBUSTION CONDITIONS

Gulakova E. Y., Golovin A. I., Kolesov V. I., Diachkov A.V., Patrikeev D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

The effect of various pressures on the gas generating properties during the combustion in a calorimetric bomb of triaminoguanidine nitrate and a composition based on it has been studied. The content and quantity of released gases were studied. The influence of the mass of substance at various pressures has been studied. Triaminoguanidine nitrate /polyurethane was taken as the composition.

Keywords: TAGN, PU, triaminoguanidine nitrate, polyurethane, specific gas formation, calorimetry, calorimetric bomb, gas generating properties, gas generation.

Триаминогуанидин нитрат (ТАГН) и составы на его основе часто используется в качестве газогенерирующего вещества. Область применения газогенераторов весьма широка, так как использование энергии сжатых газов востребовано как в военных целях, например, в механизмах ракет, так и в гражданской отраслях, в частности в составе предохранительных подушек [1,2].

Преимуществом использования

триаминогуанидин нитрата является его малая токсичность по сравнению с иными газогенерирующими составами или веществами. Кроме того, ТАГН не образует солей чувствительных к трению в сочетании с тяжёлыми металлами. Также кристаллическая структура соединения даёт большой выбор давления сжатия при производстве гранул или таблеток, что влияет на скорость горения состава [3].

Данная работа нацелена на изучение влияния давления на удельное газообразование и анализ выделяющихся газов при сжигании

триаминогуанидин нитрата и состава на его основе в замкнутой системе.

Состав ТАГН/ПУ (7%) содержит кристаллический триаминогуанидин нитрат, заключенный в полиуретановую (ПУ) матрицу. Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства ТАГН и состава ТАГН/ПУ (7%)

Свойство ТАГН ТАГН/ПУ (7%)

Молекулярная масса, г/моль 167,13 1000

Плотность, г/см3 1,59 1,44

Тпл, К 215 - 217 (разл.) -

Тэкзо, К 230 230

ДЩ кДж/моль - 50,21 - 730,05

Кислородный баланс, % - 33,5 - 44,4

Тгор (расчет, 10МПа), К 2038 1625

Средняя молекулярная 18,5 17,8

масса продуктов горения, г/моль

Удельное 913 1027

газовыделение Ууд, см3/г

Основные продукты N2, H2, CO, H2O, CO2, NH3

горения

Содержание к - ф, % 22 14

Скорость горения(10МПа), мм/с 25,3 11,2

С помощью программы REAL были получены расчётные значения температуры горения,

молекулярной массы продуктов горения, содержание конденсированной фазы [4]. Подготовка образцов заключается в определении их точного размера с помощью штангенциркуля, определение массы с помощью аналитических весов.

Рисунок 1. Схема калориметрической бомбы: 1-Корпус; 2-Металический тигель; 3-Крышка бомбы; 4-Накидная гайка; 5-Клапан; 6-Заглушка

В бомбу помещался фарфоровый стакан, чтобы занять лишний свободный объём и предотвратить разбрасывание конденсированной фазы на стенки бомбы. После герметичного закрытия бомбы через клапаны производилась продувка аргоном. Следующим шагом было нагнетание нужного давления и поджигание состава с помощью аккумулятора и нихромовой нити. Зажимы от аккумулятора цеплялись за два электрических контакта, находящихся на внешней стороне крышки калориметрической бомбы. С внутренней стороны крышки бомбы с помощью винтов и шайб крепилась нихромовая нить, которая имела контакт непосредственно с зарядом либо огнепроводным шнуром. При пропускании тока через нихромовую нить, она накалялась и происходило поджигание.

После сжигания состава и остывания калориметрической бомбы на воздухе или водяной бане, бралась проба на анализ газовой смеси на газовом хроматографе TRACE 1310 Thermo Scientific.

Для проведения эксперимента под давлением использовалась калориметрическая бомба, изображённая на рисунке 1, с помощью нихромовой нити заряд крепился на крышке бомбы, см. рисунок 2.

Рисунок 2. Заряд ТАГН/ПУ(7 %), закрепленный на нихромовую нить

На выходе получали хроматограмму, с помощью которой рассчитывали состав газообразных продуктов сгорания и возможное уравнение реакции.

Так как газовый хроматограф имел гелий в качестве газа - носителя, то водород, выделявшийся в процессе горения, не отображался на хроматограмме. И чтобы учесть этот водород, проводился дополнительный эксперимент с наполнением ёмкости газовой смесью после сжигания, после чего рассчитывали долю водорода в газовой смеси по плотности.

В опытах в атмосфере аргона из-за того, что взвешивание после сжигания и выпуска газа проводилось в закрытой калориметрической бомбе, т. е. малое количество газов оставалось в ней, появлялась погрешность в измерении действительной конденсированной фазы (к/ф). Пересчитанная к/ф не влияла на значение удельного газообразование, но влияла на процентное содержание к/ф.

Результаты опытов представлены в таблицах 2-3.

Таблица 2. Характеристика триаминогуанидин нитрата и состава на его основе при различном давлении

Сжигаемый образец Масса образца, г Масса к/ф, г Начальное давление, ат Конечное давление, ат Удельное газообразование, см3/г

ТАГН 2,5827 0,6343 15,08 22,58 753,66

ТАГН 3,1883 0,7786 15 24,5 792,71

ТАГН/ПУ 1,5573 0,559 5,92 9,25 570,57

ТАГН/ПУ 1,5462 0,467 14,17 17,08 488,41

ТАГН/ПУ 1,5712 0,473 18,58 21,16 427,28

ТАГН/ПУ 3,1112 0,9026 14,75 22,33 673,35

Таблица 3. Состав и количество газов при сжигании ТАГН и ТАГН/ПУ

Сжигаемый образец X v, моль v(N2), моль v(H2), моль v(CO), моль v(CO2), моль v(CH4), моль

ТАГН 8,23 3,4613 3,9825 0,4861 - -

ТАГН 8,25 3,7148 3,6278 0,5984 0,0137 -

ТАГН/ПУ 5,73 2,2968 2,351 0,9512 - -

ТАГН/ПУ 7,00 1,5824 4,9959 0,4396 - -

ТАГН/ПУ 6,78 1,2155 5,5257 0,4085 - 0,0017

ТАГН/ПУ 7,27 2,7392 3,3978 0,8674 - -

Анализ данных сжигания триаминогуанидин нитрата, как газогенерирующего вещества, показал наибольшее значение газообразования и содержание азота и водорода в выделившихся газах относительно опытов с составами на его основе. Также значение количества конденсированной фазы было наименьшим.

Опыты сжигания состава триаминогуанидин нитрата при различных давлениях показали, что удельное газообразование уменьшалось при увеличении давления, но общее количество газов возрастало. Наименьшее значение массы к/ф (0,467 г) и наибольшее значение количества газов (7,00 моль) было достигнуто при давлении ~15 ат

Список литературы

1. В. А. Шандаков, В. Н. Пузанов, В. Ф. Комаров, В. П. Борочкин Способ генерации холодных газов в твердотопливных газогенераторах // Физика горения и взрыва,1999, т. 35, №4, с. 75-78

2. С. В. Калинин, А. И. Шабунин, В. И. Сарабьев, В. А. Валяев, М. В. Хрисанфон, А. С. Егорова Исследование термодинамических характеристик пиротехнических газогенерирующих составов для низкотемпературных газогенераторов // Вестник технологического университета, 2017, т. 20, №2

3. Э. Гаст, П. Земмлер, Б. Шмид Порох для генераторного газа // Российское агенство по патентам и товарным знакам, RU 2117649 C1

4. Belov G. B. "Thermodynamic Analisis of Combustion products at High Temperature and Pressure", Propellants. Explosives, Pyrotechnics, 1998, vol. 23, pp. 86 - 89