CC BY
23
УДК 536.45
Л. Е. Левшенкова, А. В. Безручко, А. И. Левшенков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЛАМЕНИ СМЕСЕЙ ГУАНИДИНОВОЙ И ТРИАМИНОГУАНИДИНОВОЙ СОЛЕЙ 5,5'-АЗОТЕТРАЗОЛА С АКТИВНЫМИ ГОРЮЧИМИ СВЯЗУЮЩИМИ
С помощью вольфрам-рениевых термопар исследована структура пламени смесей гуанидиновой и триаминогуанидиновой солей азотетразола с горючими связующими на основе нитроэфирных пластификаторов. Определена максимальная температура пламени при давлениях 20 и 100 ат. Показано, что расчетная температура пламени достигается только у смесей на основе триаминогуанидиновой соли независимо от применяемого горючего связующего. Проведены измерения температуры вспышки исследованных смесей. Показана совместимость солей азотетразола с горючими связующими на основе нитроэфирных пластификаторов.
Ключевые слова: структура пламени; температура горения; температура вспышки, соли азотетразола, горючие связующие, нитроэфирные пластификаторы.
Соли 5,5'-азотетразола (AzT) содержат в своем составе значительное количество азота и имеют высокие скорости горения [1,2]. В литературе имеются сведения об исследовании различных композиций на основе солей AzT с азотистыми основаниями. Смеси с различными окислителями - оксидом меди (II), нитратом калия, нитратом аммония - предлагаются в качестве альтернативных газогенерирующих композиций для подушек безопасности, как замена токсичному азиду натрия [3,4]. Соли AzT исследуются в качестве частичной замены классических энергетических наполнителей, например, гексогена [5], как компоненты
высокоэнергетических нитроцеллюлозных
порохов с пониженной температурой горения.
В РХТУ им. Д.И. Менделеева был синтезирован ряд солей AzT с азотистыми основаниями, исследовано их горение и термический распад [2,6-8]. Наиболее перспективными солями AzT из исследуемого ряда являются гуанидиновая (Gu2AzT) и триаминогуанидиновая ((TAG)2AzT). Они имеют высокую термостойкость (температура вспышки составляет 261°С для Gu2AzT и 212°С для (TAG)2AzT), высокую скорость горения (Иш=25,3 и 63,1 мм/с соответственно), низкую чувствительность к механическим воздействиям.
В проведенных ранее исследованиях [9] была показана возможность создания твердотопливных композиций на основе солей AzT с повышенной скоростью горения, пониженной температурой горения и регулируемым показателем степени в законе горения. Расчетная температура горения
для исследованных ранее смесей гуанидиновой и триаминогуанидиновой солей AzT с различными активными горючими связующими (АГСВ) составляет 1200-1700 К при довольно высоком удельном импульсе около 200 с.
Но при горении индивидуальных солей азотетразола расчетная температура горения часто не достигается. Разница между расчетной и экспериментально определенной температурами составляет 400-600°C [2]. По достижению расчетной температуры горения можно судить о полноте протекания реакций распада при горении и, следовательно, о реализации расчетного удельного импульса.
Итак, целью данной работы было исследование структуры пламени смесей Gu2AzT и (TAG)2AzT с различными АГСВ.
Для исследования были выбраны применяющиеся на практике АГСВ: низкотемпературное (Тш0=1000°С) ЛДУ-30, состоящее из полиэфируританового каучука и пластификаторов ДЭГДН и ТЭГДН и высокотемпературное (Тш0=2000°С) НГ-ЛД-У, также состоящее из полиэфируританового каучука и пластификаторов ДЭГДН, ТЭГДН и НГц.
Для приготовления смесей соли AzT использовались в виде мелких частиц со средним размером 10-20 мкм. Смеси, главным образом, готовились в соотношении 50/50. Состав исследуемых смесей, их скорость горения, а также удельный импульс и температура горения при давлении 20 и 100 атм приведены в табл. 1. Значения импульса и температур горения рассчитаны в программе REAL.
Таблица 1
Удельный импульс, температуры и скорость горения солей AzT, АГСВ и их смесей
Соль АГСВ Соотношение U100, мм/с Т20, °С Т100, °С I40/1/1, с
- ЛДУ-30 - 2,4 870 990 180
НГ-ЛД-У - 8,2 2050 2050 203
Gu2AzT - - 25,3 990 1070 172
ЛДУ-30 50/50 10,4 900 1000 177
НГ-ЛД-У 25/75 15,8 1490 1500 197
70/30 22,0 1030 1120 182
(TAG)2AzT - - 63,1 1520 1540 208
ЛДУ-30 50/50 8,7 1000 1100 189
НГ-ЛД-У 50/50 24,9 1380 1400 202
Исследование горения проводилось в атмосфере азота в бомбе постоянного давления БПД-400, объемом 1,5 л. Заряды смесей солей AzT с АГСВ готовили набиванием прозрачных полиакриловых трубок внутренним диаметром 7 мм. Скорость горения определяли путем видеорегистрации процесса на видеокамеру.
Температурные профили в волне горения измеряли плоскими П-образными вольфрам-рениевыми микротермопарами с толщиной термоспая 5-7 мкм (ширина термопары 80-100
1201)
1000
у 800
600
н 400
200
ЕАО-ЗО
0 1 2 3 4 5
Расстояние, мм
Рис. 1. Температурные профили для смеси ОигЛгТ/ЛДУ-ЭО при давлении 100 атм
мкм, длина плеча ~1 мм). В параллельных опытах было получено по 2-3 сходящихся температурных профиля для каждой смеси.
Для получения максимальной температуры горения смесей солей AzT с АГСВ исследования проводились при давлении 100 атм. Характерные температурные профили представлены на рис. 1-4. Для сравнения приведены температурные профили АГСВ и индивидуальных солей, также полученные при давлении 100 атм.
Рис. 2. Температурные профили для смесей ОигАгТ/НГ-ЛД-У в соотношении 25/75 и 70/30 при давлении 100 атм
2000
i А-ЁА-О _ _.
1600
У
о
« 1200 о.
| 800
400
(TAG)2AzT+i А-ЁА-0
(TAG)2AZT
Рис. Э. Температурные профили для смеси (ТАС)2АгТ/ЛДУ-Э0 при давлении 100 атм
0 1 2 3 4 5
Расстояние, мм
Рис. 4. Температурные профили для смеси (ТАО)2АгТ/НГ-ЛД-У при давлении 100 атм
При сравнении расчетных (Табл. 1) и полученных экспериментально температур горения (Рис. 1-4) видно, что для смесей на основе триаминогуанидиновой соли AzT теоретическая температура достигается, что позволяет предположить полную реализацию расчетного
0.5 1
Расстояние, мм
Рис. 5. Температурные профили для смеси СщАгТ/ЛДУ-30 при давлении 20 атм
удельного импульса. Однако для смесей на основе гуанидиновой соли AzT разница между расчетными и экспериментально определенными температурами горения составляет 160-440°С, т.е. происходит неполное сгорание смеси, а значит и неполная реализация удельного импульса.
Î Ä-EÄ-Ö
1600
и
о
я а
Р
я а
О)
С
1200
800
400
0.5 1
Расстояние, мм
Рис. 6. Температурные профили для смесей ОигАгТ/НГ-ЛД-У в соотношении 25/75 и 70/30 при
давлении 20 атм
1600
1200
о.
й 800
it H
400
1 Â-ËÂ-Ô / (TAG)2AZT+Î Â-ËÂ-Ô
------
(TAG)2AZT
0.5 I
Расстояние, мм
1.5
Рис. 7. Температурные профили для смеси (ТАС)2АгТ/ЛДУ-30 при давлении 20 атм
Рис. 8. Температурные профили для смеси (ТАО)2АгТ/НГ-ЛД-У при давлении 20 атм
Аналогичная картина наблюдается и для горения исследуемых смесей при более низких давлениях. При 20 атм (Рис. 5-8) экспериментально определенная температура горения для смесей на основе (TAG)2AzT совпадает с рассчитанной. А для смесей на основе Gu2AzT разница составляет 170-380°С.
Для проверки совместимости солей азотетразола с нитроэфирными АГСВ были проведены измерения температуры вспышки смесей и исходных компонентов по стандартной методике. Навески веществ составляли 100-200 мг, скорость нагрева 20°С/мин. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Температура вспышки солей AzT, АГСВ и их смесей
Твсп, °С - ЛДУ-30 НГ-ЛД-У
- 190 176
Gu2AzT 238 193 176
(TAG)2AzT 202 187 172
Из приведенных данных видно, что температура вспышки смесей практически совпадает с температурой вспышки менее термостойкого компонента, что указывает на высокую совместимость солей азотетразола с нитроэфирными АГСВ.
Левшенкова Людмила Евгеньевна аспирант III-го года кафедры химии и технологии органических соединений азота, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Безручко Александр Владимирович студент группы И-63 кафедры химии и технологии органических соединений азота, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Левшенков Антон Игоревич к.х.н., доцент кафедры химии и технологии органических соединений азота, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Tappan B.C., Ali A.N., Son S.F., Brill T.B. Decomposition and ignition of the high-nitrogen compound triaminoguanidinium azotetrazolate // Propellants, Explosives, Pyrotechnics 31. No. 3, 2006. P. 163-168.
2. Ахапкина Л.Е., Постников П.А., Тант М.М., Левшенков А.И., Синдицкий В.П. Синтез и исследование солей 5,5'-азотетразола с азотистыми основаниями // Успехи в химии и химической технологии, том XXV, 2011. С. 54-58.
3. Abe M., Ogura T., Miyata Y., Okamoto K., Date S., Kohga M., Hasue K. Evaluation of gas generating ability of some tetrazoles and copper (II) oxide mixtures through closed vessel test and theoretical calculation // Sci. Tech. Energetic Materials, Vol. 69, No. 6, 2008. P. 183-189.
4. Miyata Y., Hasue K. Burning characteristics of aminoguanidinium 5,5 '-azidobis-1H-tetrazolate/ammonium nitrate mixture-effects of particle size and composition radio on burning rate // Journal of energetic materials, No. 29, 2011. P. 344-359.
5. Walsh C.M., Knott C.D., Leveritt C.S. Reduced erosion additive for a propelling charge // US Patent 6,984,275 B1, Jan. 10, 2006. P. 1-4.
6. Левшенкова Л.Е., Синдицкий В.П., Левшенков А.И. Исследование термического распада гуанидиновой и аммониевой солей 5,5'-азотетразола // Успехи в химии и химической технологии, том XXVII, №2, 2013. С. 131-136.
7. Levshenkova L.E., Sinditskii V.P., Levshenkov A.I. Study of Thermal Decomposition of Onium 5,5'-Azotetrazole Salts // Proc.17 Inter. Sem. New trends in research of energetic materials, Pardubice, Czech Republic April 9-11, 2014, part II. P. 973-978.
8. Sinditskii V.P., Levshenkov A.I., Levshenkova L.E. Study of combustion mechanism of guanidine salt of 5,5'-azotetrazole // Central European J. Energetic Materials, 2013, 10(4). P. 419-438.
9. Левшенкова Л.Е., Безручко А.В., Левшенков А.И. Горение солей 5,5'-азотетразола с активными горючими связующими // Успехи в химии и химической технологии, том XXVII, №3, 2013. С. 7-13.
Levshenkova Lyudmila Evgenyevna, Bezruchko Alexander Vladimirovich, Levshenkov Anton Igorevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
THE TEMPERATURE DISTRIBUTION IN THE COMBUSTION WAVE OF SYSTEMS COMPOSED OF GUANIDINIUM AND TRIAMINOGUANIDINIUM SALTS OF 5,5'-AZOTETRAZOLE AND NITROESTER-BASED ACTIVE BINDERS
Abstract
The temperature distribution in the combustion wave of systems composed of guanidinium and triaminoguanidinium salts of 5,5'-azotetrazole and nitroester-based active binders has been studied with the help of micro-thermocouples. The maximum flame temperature was measured at pressures of 20 and 100 atm. It has been shown that the calculated flame temperature can be achieved only for mixtures with triaminoguanidinium salts of 5,5'-azotetrazole regardless of the binder used. The ignition temperature of the mixtures under investigation has been measured to confirm the compatibility of the salts of 5,5'-azotetrazole with the nitroester-based binders.
Key words: temperature distribution in the combustion, maximum flame temperature, ignition temperature, salts of 5,5'-azotetrazole, nitroester-based binders.
