CC BY
76
УДК 536.46
И.С. Жуков, Т.Д. Козак, АН. Цвигунов, НМ. Мороз
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА СМЕСЕЙ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ С АЛЮМИНИЕМ
Detection of difference of reaction of explosive transformation of mixtures of different classes of energetic materials with aluminium and aluminium hydryde is the main goal of this work. That’s the reason why solid explosive products of different mixtures have been investigated. X-ray diffraction analyses of explosion products have been carried out. Its has been shown that aluminium at explosion of C-nitro compounds (TNT, picric acid) and ТАТР doesn’t oxidize meanwhile it oxidize at explosion of nitoethers (TEN, ntrocellulose) and HMTD and transforms to aluminium oxide.'
Целью данной работы было выявление разницы при протекании реакции взрывного превращения смесей взрывчатых веществ различных классов с алюминием и гидридом алюминия. Для этого исследовались твердые продукты, образующиеся при инициировании взрыва ударом по смесям. При помощи рентгенофазового анализа твердых продуктов взрыва показано, что в случае с С-нитро соединениями (пикриновая кислота, тротил), а также трициклоацетонопероксид (ТАТП), алюминий не окисляется, тогда как в случае с нитроэфирами (нитроцеллюлоза, тетранитрат пентаэритрита (ТЭН)) и гексаметилентрипероксид-диамин (ГМТД) образуются различные модификации оксида алюминия.
Введение. За годы исследований накопилось много данных как о физико-химических, так и о взрывчатых свойствах [1, 2] различных ВВ. Также, немало данных и о разложении различных ВВ [3]. Но химизм реакций взрывного превращения практически не изучался. Более детальное исследование данного вопроса помогло бы понять причину различия взрывчатых свойств органических соединений различных классов. Для этого предполагалось исследовать продукты, образующиеся при инициировании взрыва ударом по смесям на основе различных ВВ с алюминием и гидридом алюминия.
В предыдущих работах мы исследовали смеси на основе октогена и гидрида алюминия, октогена, пероксида бензоила и гидрида алюминия [4, 5]. В настоящей работе мы исследовали смеси алюминия и гидрида алюминия с типичными, представляющими различные классы органических соединений, взрывчатыми веществами.
Методика проведения опытов. В работе использовались тротил (Тпл=810 С), пикриновая кислота (Тпл=121-1220 С) квалификации «ЧДА».
Применяемый в работе коллоксилин был промышленного производства. Для исследований использовали два образца коллоксилина с содержанием азота 10,3 % (образец 1) и 11,6% (образец 2)
ТЭН применяли промышленного производства. ТЭН предварительно перекристаллизовывали из ацетона. Точка плавления ТЭНА, определенная после перекристаллизации, составила Тпл=141-1420 С.
В работе также использовались синтезированные на кафедре ХТОСА РХТУ им. Д. И. Мендлеева ТАТП и ГМТД.
Для приготовления смесей алюминий использовали в виде алюминиевой пудры марки ПАП-2. Частицы алюминиевой пудры ПАП-2 плоские и имеют размеры - 0,2x50x50 мкм. Применяли также гидрид алюминия
А1Нз, который по результатам рентгенофазового анализа являлся монофаз-ным продуктом. Рентгенометрические данные гидрида алюминия соответствовали литературным данным (PDF ICPDS №71-2421).
Инициирование взрыва проводилось при помощи удара на копре К-44-2 в приборе №1. Масса навески взрывчатой смеси, помещаемой в прибор с затрудненным истечением вещества, в каждом эксперименте составляла 50 мг. Груз массой 10 кг сбрасывался на данную систему с высоты 500 мм. Рентгенофазовый анализ продуктов взрыва, оставшихся в приборчике, проводился на монохроматизированном CuKai излучении в камере «Huber Imaging Plate Guiner Camera».
Результаты эксперимента. В таблице приведены составы исследованных смесей и результаты рентгенофазового исследования продуктов взрыва.
Табл. Составы исследуемых смесей и результаты рентгенофазового анализа продуктов взрыва
Номер образца Состав смеси, масс. % Твердые продукты взрыва
1 ТАТП/А1 90/10 А1
2 ГМТД/А1 90/10 Оксид алюминия А18/304
7 Пикриновая кислота/А1Н3 90/10 А1, пикриновая кислота
8 Тротил/А1 90/10 А1, тротил
9 Пикриновая кислота/А1 90/10 А1, пикриновая кислота
10 Коллоксилин (образец №1)/А1 90/10 Оксид алюминия А18/304
11 Коллоксилин (образец №1)/ А1Н3 90/10 Оксид алюминия А18/304
12 Пикриновая кислота/А1Н3 90/10 А1
13 ТЭН (№1)/А1Н3 90/10 Оксид алюминия А18/304
14 Тротил/А1Н3 90/10 А1Н3, А1, тротил
15 Коллоксилин (образец №2)/ А1Н3 90/10 Оксид алюминия А18/304
16 Коллоксилин (образец №2)/А1 90/10 Оксид алюминия А18/304
17 ТЭН/А1 90/10 Оксид алюминия А18/304
Для всех исследуемых смесей, кроме смеси №8, взрывы наблюдались в 100% опытов.
Смесь №8, состава ТНТ/А1 - 90/10 взрывалась только после повторного удара с той же высоты. Скорее всего, это связано с достаточно низкой чувствительностью тротила к механическим воздействиям. При первом ударе происходил разогрев смеси и она пропрессовывалась, превращаясь в таблетку. И уже таблетка, обладая гораздо более высокой плотностью и более плотной (тесной) упаковкой молекул, что увеличивало разогрев за счет вза-
имного трения молекул, взрывалась.
Рентгенофазовый анализ продуктов взрыва показал, что в случае с С-нитросоединениями (смеси 7,8,9,12,14 в табл.) алюминий после взрыва остался непрореагировавшим, а тротил и пикриновая кислота реагируют не полностью, также оставаясь в продуктах взрыва. А при взрыве смеси тротил/гидрид алюминия - 90/10 (смесь 14 в табл.) в продуктах взрыва остался также не полностью прореагировавший гидрид алюминия.
Ренгенофазовый анализ продуктов взрыва смесей на основе нитроэфиров ТЭНа и коллоксилина (смеси 10,11,13,15,16, 17) показал, что в продуктах взрыва присутствуют линии соответствующие оксиду алюминия со структурой, производной ОТ шпинели AI8/3O4.
Рентгеноструктурный анализ продуктов взрыва смеси ТАТП (90%) и А1(10%) показал, что алюминий остался непрореагировавшим, как и в случае смеси ПБ с алюминием, исследованной в [5]
При рентгеноструктурном анализе продуктов взрыва смеси ГМТД (905) и А1 (10%) было обнаружено, что продуктах взрыва присутствуют линии соответствующие оксиду алюминия со структурой, производной от шпинели AI8/3O4.
Обсуждение результатов. Взрывы смесей ТАТП/А1 - 90/10 и ГМТД/А1 - 90/10 сопровождались громким хлопком, яркой вспышкой и резким запахом. Как и в случае со смесями на основе пероксида бензоила, исследованными в [5], в продуктах взрыва смеси ТАТП/А1 - 90/10 был обнаружен непрореагировавший алюминий. По-видимому, при разложении ТАТП, также как и при разложении пероксида бензоила, которое начинается с с разрыва пероксидной связи, не образуется необходимого количества кислорода, способного окислить алюминий.
Рассматривая продукты взрыва смеси ГМТД/А1 - 90/10, установлено, что алюминий окисляется, переходя в форму оксида алюминия AI8/3O4 с решеткой производной от шпинели. Можно предположить, что при разложении ГМТД протекают другие процессы, приводящие к образованию кислорода, окисляющего алюминий. Это может быть связно с наличием в молекуле ГМТД атомов азота.
При взрыве смесей С-нитросоединений (тротил, пикриновая кислота) с алюминием и гидридом алюминия, алюминий также оставался непрореагировавшим, тогда как в случае взрыва смесей на основе нитроэфиров (коллоксилин, ТЭН), алюминий окислялся переходя в различные модификации оксида алюминия AI8/3O4 с решеткой производной от шпинели. Данное различие между С-нитросоединениями и нитроэфирами может быть связано с тем, что в молекуле нитрометана атом азота NO2 группы связан непосредственно с атомом углерода метальной группы, а, как показано в [6, 7], связь С - N по своему энергонасыщению сильно уступает связи N - О нитрогруппы и приблизительно соответствует связям С - Н метильной группы. В молеках же нитроэфиров атом азота связан с атомом кислорода, который в свою очередь связан с углеродом метильной группы. Каждая из этих связей, О -N и С - О соответственно, по своему энергонасыщению хоть и уступает связям N - О в нитрогруппе, но всёже значительно превосходит связь С - N в
молекулах С-нитросоединений. Таким образом, группы атомов С - О - N -О будут служить местами накопления в молекуле значительного количества энергии, высвобождаемой при взрыве [6, 7]. Этим, по всей видимости, и объясняется различие поведения С-нитросоединений и нитроэфиров при взрыве.
Похожий вывод можно сделать и для рассмотренных выше перкоси-дов. Пероксидные связи 0-0 уступают по энергонасыщению С - О которые есть в молекулах всех пероксидов, а также связям С - N в молекуле ГМТД [6] и, следовательно именно группы атомов О - С - N в молекуле ГМТД будут служить местами накопления энергии, высвобождаемой при взрыве. На основании этого можно предположить, что оксиления алюминия в его смеси с ГМТД, в отличие от смесей с ТАТП и ПБ, происходит, так как молекула ГМТД является более энергонасыщенной.
Заключение. Проведенная работа, позволяет на предположить, что окисление алюминия происходит только при взрыве его смесей с такими ВВ где имеются места скопления значительного количества энергии, такие как группы атомов C-O-N-Ob молекулах нитроэфиров и группы атомов О - С - N в молекуле ГМТД.
Библиографические ссылки
1. Хмельницкий Л.И. Справочник по взрывчатым веществам (часть 2./ Л. И. Хмельницкий. М., 1962. 844с.
2. Орлова Е.Ю., Химия и технология бризантных взрывчатых веществ// Е.Ю. Орлова. М.:Химия, 1973. 687с.
3. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых ве-ществ/К.К. Андреев. М.: Изд. Наука, 1980. 340с.
4. Цвигунов А.Н., Жуков И.С., Козак Г.Д., Райкова В.М. Синтез новых модификаций оксида алюминия при ударе по смеси октоген - гидрид алюми-ния/А.Н. Цвигунов, И.С. Жуков, Г.Д. Козак, В.М. Райкова// Стекло и Керамика, 2009. № 6. С. 24-25.
5. Козак Г. Д., Жуков И. С., Титова У. О., Цвигунов А. Н. Анализ твердых продуктов взрыва смесей на основе октогена и пероксида бензоила с алю-минием/Г.Д. Козак, И.С. Жуков, У.О. Титова, А.Н. Цвигунов//Физика горения и взрыва, 2010 (в печати).
6. Zhurova Elizabeth A., Tsirelson Vladimir G., Stash Adam I., Yakovlev Mikhail V. and Pinkerton Alan A. Electronic energy distributions in energetic materials: NTO and Biguanidinium Dinitramides./ Elizabeth A. Zhurova, Vladimir G. Tsirelson, Adam I. Stash, Mikhail V. Yakovlev and A. Alan Pinkerton//! Phys. Chem. B., 2004.
7. Жуков. И.С. Дипломная работа. Применение квантово-химических расчетов для определения параметров взрывоопасности./И.С. Жуков. М: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2007. 111с.
