Научная статья на тему 'ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОРИМЕТРИИ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТРАТА АММОНИЯ И СМЕСЕЙ НА ЕГО ОСНОВЕ'

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОРИМЕТРИИ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТРАТА АММОНИЯ И СМЕСЕЙ НА ЕГО ОСНОВЕ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
78
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ / ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / НИТРАТ АММОНИЯ / ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ (ВЭКС) / ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ / УГЛЕРОД / САЖА / ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД / ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ / ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Зиновьев В.М., Новоточинова Е.А., Котельников С.А., Садилова А.В.

Дана оценка степени влияния изменения некоторых рецептурных и технологических факторов энергетических конденсированных систем на основе термопластичного каучука, наполненного аммониевой солью азотной кислоты, на его энергетические и эксплуатационные характеристики. В качестве метода оценки выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), отличающаяся информативностью результатов, экспрессностью опытов, высокой чувствительностью прибора при малых навесках. Для обработки результатов ДСК измерений использовали программу Proteus Analysis программного обеспечения NETZSCH Proteus. По величинам тепловых эффектов и температурам их проявления при термическом разложении смесей в условиях калориметрических экспериментов можно делать выводы о влиянии привносимых в систему изменений на ее баллистические характеристики. По воспроизводимости фиксируемых фазовых и структурных переходов смесей на основе нитрата аммония судили о стойкостных показателях энергетических конденсированных систем при вынужденных ее изменениях. В статье исследована зависимость теплового эффекта процесса термораспада от содержания нитрата аммония в смеси и определена эффективность взаимодействия газовой и каменноугольной сажи с аммониевой солью по значениям температур начала интенсивного разложения. Авторами проведена оценка влияния предварительного увлажнения нитрата аммония как на термораспад углеродсодержащих смесей на его основе, так и на величину теплового эффекта процесса, а также рассмотрено применение ДСК метода для оценки воспроизводимости фазовых переходов. В исследовании отмечен весомый вклад условий испытания композиции, а именно необходимость обеспечения замкнутого объема испытательного тигля с целью избежания возможного удаления аммиака из зоны реакции, что существенно влияет на скорость разложения нитрата аммония.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Зиновьев В.М., Новоточинова Е.А., Котельников С.А., Садилова А.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE USE OF DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY IN THE STUDY OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF AMMONIUM NITRATE AND COMPOSITIONS BASED ON IT

The paper is devoted to assessing the influence of changes in some prescription and technological factors of energy condensed systems based on thermoplastic rubber filled with ammonium salt of nitric acid on its energy and performance characteristics. Differential scanning calorimetry which is characterized by informative results, rapid experiments, and high sensitivity of the device at small weights was chosen as the evaluation method. To process the results of DSC measurements, the Proteus Analysis program of the NETZSCH Proteus software was used. The values of thermal effects and the temperatures of their manifestation during the thermal decomposition of mixtures in calorimetric experiments, led to the conclusions about the effect of changes introduced into the system on its ballistic characteristics. The reproducibility of fixed phase and structural transitions of mixtures based on ammonium nitrate was used to judge on the stability indicators of energy condensed systems under its forced changes. The paper studies the dependence of the heat effect of the process of thermal decomposition on the ammonium nitrate content in the mixture and the efficiency of gas and coal soot interaction with ammonium salt based on the temperatures of beginning of intensive decomposition was determined. The authors evaluated the effect of pre-humidification of ammonium nitrate on both the thermal decomposition of carbon-containing mixtures based on it and the value of the thermal effect of the process and determined the possibility of using the DSC method to assess the reproducibility of phase transitions. The authors of the work noted a significant contribution of the conditions for testing the composition, namely, the need to provide a closed volume of the test crucible in order to avoid the possible removal of ammonia from the reaction zone, which significantly affects the rate of decomposition of ammonium nitrate.

Текст научной работы на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОРИМЕТРИИ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТРАТА АММОНИЯ И СМЕСЕЙ НА ЕГО ОСНОВЕ»

2021 Химическая технология и биотехнология № 4

DOI: 10.15593/2224-9400/2021.4.03 УДК 662.2-391.4

В.М. Зиновьев, Е.А. Новоточинова, С. А. Котельников, А. В. Садилова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ

КАЛОРИМЕТРИИ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТРАТА АММОНИЯ И СМЕСЕЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Дана оценка степени влияния изменения некоторых рецептурных и технологических факторов энергетических конденсированных систем на основе термопластичного каучука, наполненного аммониевой солью азотной кислоты, на его энергетические и эксплуатационные характеристики. В качестве метода оценки выбрана дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), отличающаяся информативностью результатов, экспрессностью опытов, высокой чувствительностью прибора при малых навесках. Для обработки результатов ДСК измерений использовали программу Proteus Analysis программного обеспечения NETZSCH Proteus. По величинам тепловых эффектов и температурам их проявления при термическом разложении смесей в условиях калориметрических экспериментов можно делать выводы о влиянии привносимых в систему изменений на ее баллистические характеристики. По воспроизводимости фиксируемых фазовых и структурных переходов смесей на основе нитрата аммония судили о стойкостных показателях энергетических конденсированных систем при вынужденных ее изменениях. В статье исследована зависимость теплового эффекта процесса термораспада от содержания нитрата аммония в смеси и определена эффективность взаимодействия газовой и каменноугольной сажи с аммониевой солью по значениям температур начала интенсивного разложения. Авторами проведена оценка влияния предварительного увлажнения нитрата аммония как на термораспад уг-леродсодержащих смесей на его основе, так и на величину теплового эффекта процесса, а также рассмотрено применение ДСК метода для оценки воспроизводимости фазовых переходов. В исследовании отмечен весомый вклад условий испытания композиции, а именно необходимость обеспечения замкнутого объема испытательного тигля с целью избежания возможного удаления аммиака из зоны реакции, что существенно влияет на скорость разложения нитрата аммония.

Ключевые слова: дифференциальная сканирующая калориметрия, термический анализ, нитрат аммония, высокоэнергетические конденсированные системы (ВЭКС), тепловой эффект, углерод, сажа, фазовый переход, термическое разложение, температура плавления.

V.M. Zinov'ev, E.A. Novotochinova, S.A. Kotel'nikov, A.V. Sadilova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

THE USE OF DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY IN THE STUDY OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF AMMONIUM NITRATE AND COMPOSITIONS BASED ON IT

The paper is devoted to assessing the influence of changes in some prescription and technological factors of energy condensed systems based on thermoplastic rubber filled with ammonium salt of nitric acid on its energy and performance characteristics. Differential scanning calorimetry which is characterized by informative results, rapid experiments, and high sensitivity of the device at small weights was chosen as the evaluation method. To process the results of DSC measurements, the Proteus Analysis program of the NETZSCH Proteus software was used. The values of thermal effects and the temperatures of their manifestation during the thermal decomposition of mixtures in calorimetric experiments, led to the conclusions about the effect of changes introduced into the system on its ballistic characteristics. The reproducibility of fixed phase and structural transitions of mixtures based on ammonium nitrate was used to judge on the stability indicators of energy condensed systems under its forced changes. The paper studies the dependence of the heat effect of the process of thermal decomposition on the ammonium nitrate content in the mixture and the efficiency of gas and coal soot interaction with ammonium salt based on the temperatures of beginning of intensive decomposition was determined. The authors evaluated the effect of pre-humidification of ammonium nitrate on both the thermal decomposition of carbon-containing mixtures based on it and the value of the thermal effect of the process and determined the possibility of using the DSC method to assess the reproducibility ofphase transitions. The authors of the work noted a significant contribution of the conditions for testing the composition, namely, the need to provide a closed volume of the test crucible in order to avoid the possible removal of ammonia from the reaction zone, which significantly affects the rate of decomposition of ammonium nitrate.

Keywords: Differential Scanning Calorimetry, thermal analysis, Ammonium Nitrate, high-energy condensed systems, heat release, carbon, soot, phase change, thermal decomposition, melting points.

Характерной особенностью изделий из энергетических конденсированных систем (ЭКС) является то, что в мирное время они подлежат длительному хранению в виде мобилизационного запаса. Очевидно, что в течение этого времени их свойства, а также эксплуатационные характеристики зарядов из них не должны претерпевать значительных изменений, несмотря на воздействие различных факторов [1]. Долговечность изделий из ЭКС оценивается запасом химической стойкости до потери способности к безопасному хранению и обращению с ними, т.е. до приобретения

способности к самовоспламенению. Поэтому запас химической стойкости называют еще сроком безопасного хранения. Химическая стойкость изделий определяется природой и содержанием компонентов, качеством исходного сырья, условиями производства, особенно качеством процесса стабилизации нитроэфиров, условиями хранения и эксплуатации, в частности воздействием на материал тепла и влаги [2].

Сорбция ВЭКС влаги из окружающей среды и обусловленное этим явлением изменение свойств материала были обнаружены еще при отработке первых изделий. В настоящее время установлено, что процессом, определяющим стабильность ВЭКС, является процесс переноса влаги. Исследованиями установлено, что почти у всех изделий при увлажнении изменяются физико-механические свойства [3].

Окислитель является основной составляющей ВЭКС, массовое содержание его достигает 50-80 %. Нитрат аммония (НА) - аммиачная селитра является одним из первых окислителей энергетических конденсированных систем [4]. Основным недостатком аммиачной селитры является ее гигроскопичность и высокая растворимость в воде, сильно изменяющаяся с изменением температуры. Способность кристаллов или гранул легко увлажняться и подсыхать с изменением относительной влажности атмосферного воздуха приводит к слеживанию массы кристаллов или гранул. Существенным недостатком является свойственный нитрату аммония полиморфизм [3]. Кроме указанных пяти модификаций НА имеет еще метастабильные формы, возникающие под влиянием некоторых добавок, термообработки, давления и других факторов. Особенно тесная связь установлена между влажностью и температурой фазовых превращений [5]. На основании работы [6] сделан вывод, что на равновесное протекание фазовых переходов нитрата аммония наибольшее воздействие оказывает подготовка проб: их осушка, плавление и съемка прессованного (а не порошкообразного) образца. Следствием полиморфности селитры являются нарушение физической целостности изделия на основе НА и незакономерность работы, низкая воспроизводимость эксплуатационных характеристик [2, 4]. Сложный характер имеет процесс разложения НА в замкнутом объеме. Из-за различных температурных зависимостей скоростей окисления аммиака азотной кислотой и продуктами ее распада и разложения азотной кислоты при относительно низких температурах (210-220 оС) происходит накопление аммиака, концентрация азотной кислоты снижается и наступает торможение реакции разложения [5].

Углеродные материалы в силу своих специфических свойств -химической, термической и радиационной устойчивости, высокой адсорбционной способности получили довольно широкое распространение в качестве носителей катализаторов в процессе катализа. Как участник гетерогенного катализа, технический углерод образует сажистый каркас, который препятствует агломерации каталитических добавок и усиливает их каталитический эффект. Интерес к действию сажи вызван ее специфическим каталитическим влиянием на термическое разложение и горение энергетических материалов [7].

В ходе многочисленных исследований установлено, что различия в начальных скоростях тепловыделения при термическом разложении различных промышленных партий НА может составлять до двух порядков и связано с наличием в них избыточной азотной кислоты, следов ионов металлов переменной валентности и органических включений с различной способностью к окислению [8].

В начале XX в. было опубликовано много работ по интересующим нас веществам и равновесиям с их участием, однако качество эксперимента, несовершенство методик анализа, наличие примесей в исходных веществах привело к тому, что «ставить точку» в изучении данных систем пока преждевременно. И лучшим свидетельством этого является непрекращающийся поток публикаций, касающихся свойств нитрата аммония [9].

Термические методы анализа, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), дифференциально-термический анализ (ДТА) и термогравиметрический анализ (ТГА), позволяют определять такие термокинетические параметры исследуемых веществ и их смесей, как температурные интервалы полиморфных и фазовых переходов, температуры плавления и разложения, испарения и соответствующие им тепловые эффекты, потерю массы в процессе нагревания (охлаждения), изменение линейных размеров в стационарных и нестационарных температурных условиях в различных газовых средах [10, 11]. При этом современное оборудование, на котором внедрены эти методы исследования, позволяет проводить испытания с различными скоростями нагрева (охлаждения), различными массами исследуемых образцов, циклические испытания, выдержку образцов при определенной температуре [12]. Дифференциальная сканирующая калориметрия благодаря своей универсальности и высокой значимости аналитических результатов является наиболее часто используемым методом термического анализа [13].

Следует отметить, что ЭКС на основе нитрата аммония широко эксплуатируются и обладают достаточно высоким уровнем физико-

химической стабильности. Но вынужденная замена поставщика и технологии производства одного из компонентов - углерода (сажи), выполняющего в составе ЭКС ряд важных функций, связанных с обеспечением баллистических характеристик материала, и обладающего также высоким уровнем гигроскопичности, потребовала дополнительного изучения его влияния на термическое разложение нитрата аммония.

Целью исследования было получение экспериментальных данных о свойствах фаз и воспроизводимости фазовых переходов нитрата аммония в многокомпонентной системе, а также оценка его влияния на тепловой эффект процесса.

В настоящей статье рассмотрено применение методов ДСК в исследованиях регистрации фазовых переходов и оценке влияния предварительного увлажнения на термораспад смесей с сажей такого окислителя энергетических конденсированных систем, применяемых в различных газогенераторах и энергетических установках, как нитрат аммония.

Экспериментальная часть. Углеродные материалы в силу своих специфических свойств - химической, термической и радиационной устойчивости, высокой адсорбционной способности получили довольно широкое распространение в качестве носителей катализаторов в процессе катализа.

В данной работе интерес к действию сажи вызван ее специфическим каталитическим влиянием на термическое разложение и горение энергетических материалов.

В статье рассматривается два вида технического углерода - газовая (ГС) и каменноугольная сажа (КС). Газовая сажа канального производства, используемая в качестве модификатора горения, в настоящее время не выпускается, вследствие этого обострилась проблема ее замены на углерод печного производства - каменноугольную сажу [14].

В качестве окислителя в ЭКС применяется нитрат аммония. Несмотря на то, что изучению термического разложения нитрата аммония (НА) уделялось и уделяется большое внимание, следует признать, что к настоящему времени достаточно полного общепринятого представления о механизме процесса нет.

В работе исследовался образец промышленного НА. Рассмотрены три варианта подготовки образцов:

1) перед испытаниями образцы НА дополнительно подсушивались при комнатной температуре над прокаленным силикагелем (сухие образцы);

2) перед испытаниями образцы НА выдерживались в эксикаторе над насыщенным водным раствором CaCl (образцы, увлажненные при Ф = 32 %);

3) перед испытаниями образцы НА выдерживались в эксикаторе над насыщенным водным раствором NaBr (образцы, увлажненные при Ф = 59 %).

Перед проведением испытаний все образцы высушивались до постоянного веса над силикагелем в эксикаторах. Предварительно сили-кагель прокаливался в сушильном шкафу при 150 °С в течение 4 ч.

Эксперименты выполнены в герметичных (запаянных методом «холодной сварки») алюминиевых реакционных тиглях в условиях минимального свободного объема. Масса образцов ~ 1,5 мг. Нагрев со скоростью 2,5 К/мин до 300 °С в замкнутом объеме алюминиевого тигля.

С учетом известных из литературы исследований НА и его композиций [15, 16] в качестве объектов для исследований были выбраны бинарные композиции нитрата аммония с углеродом: образцы двойных смесей НА с газовой и каменноугольной сажей. Двойные смеси готовились в соотношении 95 % НА + 5 % сажи. Дополнительно исследованы соотношения 99 % НА + 1 % сажи, а также 1 часть НА + 2 части сажи и 2 части НА + 1 часть сажи.

Для обработки результатов измерения ДСК использовали программу Proteus Analysis программного обеспечения NETZSCH Proteus. С помощью Proteus Analysis для газогенерирующего состава и его модельных смесей определяли температуры пиков фазовых переходов, характерных для различных модификаций нитрата аммония и процесс плавления, температуру начала разложения (Тнр). В ходе исследования провели оценку выделившегося в процессе разложения тепла по площади теплового эффекта и определили значения температур фазовых переходов.

Результаты и их обсуждение. На рассматриваемых ДСК термограммах термического разложения образцов нитрата аммония четко регистрируются пики фазовых переходов в кристаллах НА при 53, 86-89 и 127 °С и пик плавления кристаллов (Т = 169 °С). Отметим, что замеренный тепловой эффект плавления соли при 169 оС (75-85 Дж/г) вполне соответствует известным литературным данным, а эндотермический процесс в интервале 250-300 °С связывается с процессом сублимации-разложения НА. Замеренный в указанной работе тепловой эффект эндотермического процесса составил 1250 Дж/г. ДСК термограммы образцов НА приведены на рис. 1.

ДСК, мВт/мг

1ЭКЗО 1 -26.2 Дг/г -60.08 Д-^г -КМДО J™>

' У' Л 5J 4 _£ 89.1 у -23.99Дж/г .< \ ¡.64 Дж/г < 1 \ -76.84 Дж/г , Г Jfr 287.0

"'J J,2 т.о. J -22.87 Дж/г 1 168.6 ■54.18 Дх'г ^ : * 250.0 .75.35ДШ

1 -к W'J 86.9 126Л. 126.9 ' 25&3 1Й 269.8 I 272 0

50 100 150 200 250 300

Температура, °С

Рис. 1. Кривые ДСК для образцов НА: 1 - исходная смесь;

2 - после увлажнения ф = 32 %; 3 - после увлажнения ф = 59 %

Рассмотрено взаимодействие НА с газовой и каменноугольной сажей. Помимо различий в природе сырья и технологии производства, что, несомненно, повлекло различия в количестве и составе примесей, названные марки сажи достаточно значимо различаются дисперсностью или удельной поверхностью.

На рис. 2 и 3 приведены ДСК термограммы процесса термического разложения смесей НА с газовой и каменноугольной сажей в соотношении 95:5.

Из приведенных данных следует, что в условиях ДСК эксперимента (замкнутый реакционный тигель с максимально ограниченным свободным объемом) процесс термического разложения смесей развивается с весьма интенсивным выделением тепла (экзотермически) и, судя по ходу кривых, имеет автокаталитический характер. На термограммах фиксируются пики всех трех фазовых переходов и плавления кристаллов соли. Для исследованных образцов начало процесса тепловыделения фиксируется при температурах, при которых НА находится в расплавленном состоянии. Для смесей на основе газовой сажи температура начала интенсивного разложения ТНИР (в нашем случае тепловыделения) составила 186-188 °С, что на 5-7 °С ниже, чем смесей на основе каменноугольной сажи (192-193 °С). Из хода термограмм следует, что процесс развивается в две выраженные стадии. Первая (в интервале темпе-

ратур 185-220 °С) сопровождается интенсивным тепловыделением, затем наступает медленная, протяженная по температуре стадия, заканчивающаяся всплеском тепловыделения при 280-300 °С.

Рис. 2. ДСК кривые для двойной смеси НА + ГС (в соотношении 95:5): 1 - НА + ГС (исходная); 2 - НА + ГС (ф = 32 %); 3 - НА + ГС (ф = 59 %)

Рис. 3. ДСК кривые для двойной смеси НА + КС (в соотношении 95:5): 1 - НА + КС (исходная); 2 - НА + КС (ф = 32 %); 3 - НА + КС (ф = 59 %)

Помимо интенсивного тепловыделения, первая стадия сопровождается также интенсивным образованием газообразных продуктов, в результате которого в некоторых случаях реакционные ампулы деформи-

ровались (раздувались) столь значительно, что нарушалась площадь контакта с датчиком калориметра и нарушалась запись хода термограмм (см. рис. 2, кривая 3; рис. 3, кривая 2). По-видимому, по указанной причине получен достаточно значительный разброс в результатах замеров тепловых эффектов процесса на первой стадии - 1500-2100 Дж/г.

На рис. 4 приведены ДСК термограммы процесса термического разложения смесей НА с газовой сажей (кривая 2) и каменноугольной сажей (кривая 3), взятых в соотношении 99:1. Уменьшение содержания сажи в смесях выразилось в повышении ТнИР процесса (для обеих смесей ТНиР составила 222 °С), некотором снижении интенсивности экзотермической составляющей и значительном возрастании вклада эндотермической составляющей в развитие процесса на первой стадии.

ДСК, мВт/мг

50 100 150 200 250 300

Температура, °С

Рис. 4. ДСК кривые для смеси НА с 1 % сажи: 1 - НА + 1 % КС;

2 - НА + 1 % ГС; 3 - НА (исходная) + 1 % КС; 4 - НА (исходная) + 1 % ГС

На рис. 5 и 6 показано влияние предварительного увлажнения на термораспад смесей НА с сажей в соотношении 99:1.

Следует отметить, что если предварительное увлажнение практически не повлияло на развитие процесса термического разложения смесей НА с сажей в соотношении 95:5 (см. рис. 2 и 3), то при малом содержании сажи в смеси предварительное увлажнение весьма существенно влияет как на экзотермическую, так и эндотермическую составляющие начальной стадии процесса (снижает ТНИР и повышает температуру начала эндотермического процесса). При этом предвари-

тельное увлажнение в существенно большей степени повлияло на снижение ТНИР смеси с газовой сажей, чем с каменноугольной.

Рис. 5. ДСК кривые для смеси НА с 1 % газовой сажи: 1 - исходная смесь; 2 - после увлажнения при ф = 32 %; 3 - после увлажнения при ф = 51,7 %

Рис. 6. ДСК кривые для смеси НА с 1 % каменноугольной сажи: 1 - исходная смесь; 2 - после увлажнения при ф = 32 %; 3 - после увлажнения при ф = 51,7 %

На рис. 7 и 8 приведены ДСК термограммы термического разложения смесей НА с сажей, взятых в соотношениях 2:1 и 1:2.

Рис. 7. Термораспад двухкомпонентной смеси в динамическом режиме НА + ГС в соотношении: 1 - 1 ч. НА + 2 ч. сажи; 2 - 2 ч. НА + 1 ч. сажи

Рис. 8. Термораспад двухкомпонентной смеси в динамическом режиме НА + сажа КС в соотношении: 1 - 1 ч. НА + 2 ч. сажи; 2 - 2 ч. НА + 1 ч. сажи

Повышение концентрации углерода в смеси приводит к резкому (на 65-100 °С смесей НА с газовой сажей и на 40-70 °С смесей НА с каменноугольной сажей) снижению ТНИР и снижению температурного диапазона процесса. Температура начала интенсивного разложения НА с газовой сажей составила 126 °С для смеси в соотношении 2:1 и 122,5 °С для смеси в соотношении 1:2. Для смесей с каменноугольной сажей соответ-

ствующие значения ТНИР составили 152 и 149 °С. При этом, судя по термограммам, процесс термического разложения смесей НА с высоким содержанием сажи протекает в одну (первую) стадию и полностью завершается к температуре 180-200 °С. Температура начала интенсивного разложения смесей с высоким содержанием сажи находится в температурной области, в которой кристаллы нитрата аммония находятся в твердом состоянии.

Замеренные значения тепловых эффектов процессов составили: для смеси НА с газовой сажей в соотношении 2:1 - 8200 Дж/г, в соотношении 1:2 - 1800 Дж/г; для смеси НА с каменноугольной сажей в соотношении 2:1 - 8800 Дж/г, в соотношении 1:2 - 2100 Дж/г. Следовательно, уменьшение в смеси содержания НА в четыре раза привело к четырехкратному снижению соответствующего теплового эффекта.

Из полученных результатов следует заключить, что тепловой эффект процесса определяется содержанием нитрата аммония в смеси, а в смесях с высоким содержанием углерода НА полностью расходуется на первой стадии процесса.

Судя по полученным значениям ТНИР, в смесях с высоким содержанием углерода эффективность взаимодействия газовой сажи с нитратом аммония значительно выше, чем каменноугольной. В обоих случаях четырехкратное увеличение содержания сажи в смеси относительно слабо повлияло на температуру начала процесса.

Заключение. В результате проведенной работы:

1. Оценено влияние газовой и каменноугольной сажи на термическое разложение нитрата аммония.

2. Рассмотрено влияние предварительного увлажнения на термораспад смесей нитрата аммония с сажей.

3. Исследовано влияние содержания нитрата аммония в смесях на тепловой эффект процесса.

4. Проведено сравнение эффективности взаимодействия газовой и каменноугольной сажи с нитратом аммония по значениям температур начала интенсивного разложения.

Список литературы

1. Талин Д. Д. Прогнозирование сроков служебной пригодности зарядов из порохов и ТРТ: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. - 141 с.

2. Косточко А.В., Казбан Б.М. Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства. Физико-химические свойства порохов и ракетных твердых топлив: учеб. пособие. - М.: ИНФРА-М, 2013. - 400 с.

3. Олевский В.Н., Ферд М.Л. Технология аммиачной селитры. - М.: Химия, 1978. - 312 с.

4. Рогов Н.Г., Ищенко М.А. Смесевые ракетные твердые топлива: Компоненты. Требования. Свойства: учеб. пособие / СПбГТИ (ТУ). - СПб., 2005. - 195 с.

5. Окислители гетерогенных конденсированных систем / Н.А. Силин, В.А. Ващенко, Н.И. Зарипов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1978. - 456 с.

6. Бабкина Т.С. Фазовые равновесия в бинарных и тройных системах на основе нитрата аммония и мочевины: автореф. дис. ... канд. хим. наук. -М., 2014. - 145 с.

7. Роль сажи при горении БП с Pb-содержащими катализаторами / А.П. Денисюк, А.Д. Марголин, Н.П. Токарев [и др.] // Физика горения и взрыва. - 1977. - № 4. - С. 576-584.

8. Рубцов Ю.И., Казаков А.И., Шведов К.К. Исследование кинетических закономерностей и механизма разложения бинарных смесей на основе нитрата аммония с экзо и эндотермическими превращениями компонентов // Химическая физика. - 2007. - Т. 26, № 5. - С. 70-77.

9. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. - Л.: Химия, 1990. - 254 с.

10. Уэндланд Т. Термические методы анализа. - М.: Мир, 1978. - 407 с.

11. Берг Л.Г. Введение в термографию. - М.: Наука, 1969. - 395 с.

12. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов / Г.Б. Манелис, Г.М. Назин, Ю.И. Рубцов, В.А. Струнин. - М.: Наука, 1996. -400 с.

13. Ситникова В.Е., Пономарева А.А., Успенская М.В. Методы термического анализа. - СПб.: Университет ИТМО, 2021. - 152 с.

14. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

15. Исследование кинетики термического разложения нитрата аммония в неизотермических условиях в открытой системе / К.Г. Горбовский, А.И. Казаков, А.М. Норов, А.И. Михайличенко // Химическая технология. -2020. - Т. 21, № 2. - С. 50-56.

16. Попок В.Н. Применение термических методов анализа к исследованию фазовой стабильности нитрата аммония // Ползуновский вестник. -2011. - № 3-1. - С. 70-75.

References

1. Talin D.D. Prognozirovanie srokov sluzhebnoj prigodnosti zarjadov iz porokhov i tverdykh raketnykh topliv [Predicting the service life of propellant and solid rocket fuels]. Perm', Permskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet, 2006, 141 p.

2. Kostochko A.V., Kazban B.M. Porokha, raketnye tverdye topliva i ikh svojstva. Fiziko-khimicheskie svojstva porokhov i raketnykh tverdykh topliv

[Gunpowders, rocket solid propellants and their properties. Physicochemical properties of propellants and rocket solid fuels]. Moscow, INFRA-M, 2013, 400 p.

3. Olevskij V.N., Ferd M.L. Tekhnologija ammiachnoj selitry [Ammonium nitrate technology]. Moscow, Khimija, 1978, 312 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Rogov N.G., Ishenko M.A. Smesevye raketnye tverdye topliva: Komponenty. Trebovanija. Svojstva [Mixed solid propellants. Components. Requirements. Properties]. Saint Petersburg, Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tekhnologi-cheskii institut, 2005, 195 p.

5. Silin N.A., Vashenko V.A., Zaripov N.I. et al. Okisliteli geterogennykh kondensirovannykh system [Oxidizers of heterogeneous condensed systems]. Moscow, Mashinostroenie, 1978, 456 p.

6. Babkina T.S. Fazovye ravnovesija v binarnykh i trojnykh sistemakh na osnove nitrata ammonija i mocheviny [Phase equilibria in binary and ternary systems based on ammonium nitrate and urea]. Abstract of Ph. D. thesis. Moscow, 2014, 145 p.

7. Denisjuk A.P. Rol' sazhi pri gorenii ballistitnykh porokhov s Pb-soderzha-shhimi katalizatorami [The role of soot in the combustion of ballistic powders with lead-containing catalysts]. Physics of fires and explosion, 1977, no. 4, pp. 576-584.

8. Rubcov Ju.I., Kazakov A.I., Shvedov K.K. Issledovanie kineticheskikh zakonomernostej i mekhanizma razlozhenija binarnykh smesej na osnove nitrata ammonija s jekzo i jendotermicheskimi prevrashhenijami komponentov [Investigation of kinetic regularities and the mechanism of decomposition of binary mixtures based on ammonium nitrate with exo and endothermic transformations of components]. Chemical physics, 2007, vol. 26, no. 5, pp.70-77.

9. Bershtejn V.A., Egorov V.M. Differencial'naja skanirujushhaja kalori-metrija v fizikokhimii polimerov [Differential scanning calorimetry in the physical chemistry of polymers]. Leningrad, Khimija, 1990, 254 p.

10. Ujendland T. Termicheskie metody analiza [Thermal analysis methods]. Moscow, Mir, 1978, 407 p.

11. Berg L.G. Vvedenie v thermografiju [Introduction to thermography]. Moskow, Nauka, 1969, 395 p.

12. Manelis G.B., Nazin G.M., Rubcov Ju.I., Strunin V.A. Termicheskoe razlozhenie i gorenie vzrvchatykh veshestv i porokhov [Thermal decomposition and combustion of explosives and propellants]. Moscow, Nauka, 1996, 400 p.

13. Sitnikova V.E., Ponomareva A.A., Uspenskhaja M.V. Metody termi-cheskhogo analiza [Thermal analysis methods]. Saint Petersburg, Sankt-Peterburgskii universitet, ITMO, 2021, 152 p.

14. Gorbovskii K.G., Kazakov A.I., Norov A.M., Mikhailichenko A.I. Issledovanie kinetiki termicheskogo razlozheniia nitrata ammoniia v neizotermi-cheskikh usloviiakh v otkrytoi sisteme [Study of the kinetics of thermal decomposition of ammonium nitrate in non-isothermal conditions in an open system]. Chemical Technology, 2020, vol.21, no.2, pp. 50-56.

15. Popok V.N. Primenenie termicheskikh metodov analiza k issledovaniju fazovoj stabil'nosti nitrata ammonija [Application of Thermal Analysis Methods to

Study the Phase Stability of Ammonium Nitrate]. Polzunovsky Bulletin, 2011, no. 3-1, pp.70-75.

16. Alikin V.N., Vakhrushev A.V., Golubchikov V.B. et al. Tverdye topliva reaktivnykh dvigatelej [Solid fuel jet engines]. Ed A.M. Lipanov. Moscow, Mashinostroenie, 2011, 380 p.

Получено 29.10.2021

Об авторах

Зиновьев Василий Михайлович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: suzuk47@mail.ru).

Новоточинова Екатерина Алексеевна (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология полимерных материалов и поро-хов» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: novo-katerina@yandex.ru).

Котельников Сергей Александрович (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ksa76@mail.ru).

Садилова Алена Владимировна (Пермь, Россия) - аспирант 3-го курса аэрокосмического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: alexandrasadilova2012@yandex.ru).

About the authors

Vasili M. Zinov'ev (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of "Polymer materials and propellants technology", Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: suzuk47@mail.ru).

Ekaterina А. Novotochinova (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Ass. Professor, Department of "Polymer materials and propellants technology", Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: novokaterina@yandex.ru).

Sergey A. Kotel'nikov (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Ass. Professor, Department of "Polymer materials and propellants technology", Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: ksa76@mail.ru).

Alena V. Sadilova (Perm, Russian Federation) - 3st Year Post-Graduate Student Faculty of Aerospace, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: alexandrasadilova2012@yandex.ru).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.