Механизм горения аэрозольобразующего топлива на основе пластифицированной фенолформальдегидной смолы и смеси KNO3 с KClO4 Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.352:662.311.11

Шатохин А.А., Раков А.В., Сизов В.А., Помигуев М.И., Денисюк А.П.

МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ АЭРОЗОЛЬОБРАЗУЮЩЕГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ПЛАСТИФИЦИРОВАННОЙ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ И СМЕСИ KNO3 С KClO4

Шатохин Алексей Анатольевич, инженер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; Раков Алексей Вадимович, инженер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; Сизов Владимир Александрович, аспирант, ассистент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: sizovlad@muctr.ru;

Помигуев Максим Игоревич, студент 5 курса инженерного химико-технологического факультета; Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений.

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

Изучен температурный профиль в волне горения аэрозольобразующего топлива на основе фенолформальдегидной смолы, пластифицированной дибутилфталатом, и смеси нитрата и перхлората калия. Показано, что ведущей реакцией горения является непосредственное взаимодействие расплавленных окислителей с нелетучими продуктами разложения фенолформальдегидной смолы в конденсированной фазе.

Ключевые слова: аэрозольобразующее топливо, фенолформальдегидная смола, нитрат калия, перхлорат калия, температурный профиль, механизм горения.

COMBUSTION MECHANISM OF AEROSOL-GENERATING PROPELLANT ON THE BASE OF PLASTISIZED PHENOL-FORMALDEHYDE RESIN AND MIXTURE OF KNO3 WITH KClO4

Shatokhin A.A., Rakov A.V., Sizov V.A., Pomiguev M.I., Denisyuk A.P.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

The temperature profile in the combustion wave of aerosol-forming fuels based on phenol-formaldehyde resin with dibutyl phthalate and a mixture of nitrate and potassium perchlorate was studied. It is shown that the leading reaction of combustion is the direct interaction of molten oxidants with non-volatile products of decomposition of phenol-formaldehyde resin in the condensed phase.

Keywords: Aerosol-forming propellant, phenol-formaldehyde resin, potassium nitrate, potassium perchlorate, temperature profile, combustion mechanism.

В работе [1] сформулирована физико-химическая модель горения топлива, состоящего из нитрата калия (НК) и фенолформальдегидной смолы (ФФС), пластифицированной триэтиленгликолем (ТЭГ). Показано, что это топливо имеет высокую температуру поверхности горения и узкую зону газовых реакций (27 мкм). Скорость его горения определяется реакциями в узком слое к-фазы, в котором выделяется более 80% тепла, необходимого для распространения горения. В этом слое происходит непосредственное взаимодействие НК (без разложения его на кислород) с продуктами распада ФФС, являющейся менее термостойкой чем окислитель; пластификатор испаряется из к-фазы и окисляется кислородом в газовой зоне.

В работе [1] исследован один конкретный образец, в котором в качестве пластификатора ФФС использовали ТЭГ, а в качестве окислителя НК. Возникает вопрос, будет ли справедлив этот механизм горения для других образцов этого типа, отличающихся по составу от ранее изученного образца. Поэтому целью данной работы было изучение температурного профиля в волне горения образца на основе ФФС, пластифицированной другим пластификатором - дибутилфталатом (ДБФ),

содержащим смесь окислителей (60% НК и 23% перхлората калия (ПХК)), а также ~ 0,1% сажи для повышения устойчивости и скорости горения (и) при атмосферном давлении (и = 4,4 мм/с). Расчетное значение температура горения 1690 К.

Температурный профиль в волне горения определяли, как в [1], с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной и 5 мкм. За температуру поверхности горения (Тп) принимали резкий перегиб на осциллограмме температура (Т) время (£), соответствующий выходу спая термопары из конденсированной фазы (к-фазы) в газовую зону: т.е. при Х = 0, Т = Тп ~ 1500 К. Для примера на рис. 1 приведена осциллограмма одного из опытов.

Ниже Тп располагается к-фаза с узким реакционным слоем и прогретой зоной, в которой химические реакции не успевают проходить. За ширину этой зоны (Ь]) принимали расстояние, на котором разогрев падает в е раз ( от Тп до Т*):

^^ = е. При Тп и 1500 К, Т* = 730 К, Ь: и 30 мкм

Т -Тп

2000800600400-

800600 400

T, K

ТП=150 0 К

Т* = 730 К

L L < 2

х, мм

"толстого" спая термопары существенно больше: для L1 в 3 раза, для L2 в 10 раз.

Рисунок 1. Температурный профиль в волне горения образца при давлении 0,1 МПа

Над поверхностью горения располагается газовая зона, ширина которой составляет L2 ~ 20 мкм. В ней достигается максимальная температура горения - 1700 К, близкая к расчётной. Градиент

температуры ^ТМх) в этой зоне равен ~ 105 К/см. По

™ лх

полученным результатам (Тп, (р = —,

и = 4,4 мм/с составлен, как в [1], тепловой баланс к-фазы. Оказалось, что основное количество тепла (более 90%), необходимого для распространения горения, выделяется в реакционном слое к-фазы за счёт непосредственного взаимодействия расплава окислителей с нелетучими продуктами распада ФФС и сажей. Таким образом, полученные результаты принципиально аналогичны данным для образца исследованного в [1], для которого Тп = 1306 К, L1 = 12 мкм, L2 = 27 мкм, ~ 2105 К/см. Следовательно, горение исследованного образца на основе смесевого окислителя и с другим пластификатором происходит по такому же механизму, как и горение ранее изученного образца. Отметим, что профиль в волне горения, полученный для уточнения максимальной температуры горения с помощью 4 -х жильной термопары из проволочек диаметром 50 мкм (Рисунок 2), качественно аналогичен описанному выше. Ттах = 1700 К, значение Тп ~ 1416

К, и — = 0,4 105 К/см. Естественно, что при этом

. T, K

ТП = 1 416 К

/

Т * =740 К

и

x, mm ■ 1 1

dx

ширина

Рисунок 2. Температурный профиль образца при давлении 0,1 МПа, измеренный с помощью многожильных термопар

Измеренные таким образом максимальные температуры горения ряда новых АОС, разработанных на кафедре ХТВМС, близки к расчётным значениям при различном давлении.Например, для одного из образцов при давлении 0,1 МПа Трасч равна 1502 К, а экспериментальная ~ 1500 К. При давлении 1 МПа значение Трасч = 1754 К, а экспериментальное —1710 К. При расчётной температуре равной 2180 К величина Тэксп на 187 К ниже. Это можно объяснить теплопотерями за счёт излучения спая термопары.

Список литературы

1. Денисюк А.П., Русин Д.Л., Лонг Нгуен Дык. // ДАН. 2007. Т.414. № 1. С. 63-66.

2. Лейпунский О.И. // ЖФХ. 1960 Т. 34. № 1. С. 177-181.

3. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука, 1967. 227 с.

4. Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1973. 320 с.

зон, ввиду большой инерционности

1800

1600

200

1400

000

1200

1000

800

200

600

-0

0,04

0,00

0,02

0,04

400

0.5

0.1

0.1

0.5