CC BY
163
А. С. Сальников, Р. Ш. Гарифуллин, Р. М. Вахидов,
Ф. П. Мадякин, А. В. Косточко, В. Н. Савагин, В. М. Борисов
ПРИМЕНЕНИЕ ПОРОШКООБРАЗНОГО ЭЛАСТОМЕРА В ПЛАСТИЧНЫХ И ЭЛАСТИЧНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ
Ключевые слова: порошкообразный эластомер, технология, пластичные и эластичные взрывчатые вещества, технологический цикл.
Показана принципиальная возможность и целесообразность применения в пластичных и эластичных взрывчатых веществах в качестве технологической основы порошкообразного эластомера с размером частиц менее 0,5 мм, что позволяет значительно упростить технологию их изготовления, повысить её безопасность, сократить время технологического цикла.
Key words: рowdery elastomer, technology, plastic and elastic explosives, technological cycle.
It is show a principled possibility and expediency of application in plastic and elastic explosives as technological base of powdery elastomer with size of particles less than 0,5 mm, than makes it possible to simplify considerably technology of their manufacture, to raise its safety and to reduce time of technological cycle.
Пластичные и эластичные взрывчатые вещества (ПВВ и ЭВВ) широко применяют для инженерных взрывных работ, для резки стальных конструкций, в качестве шнуровых зарядов, как промышленные ВВ, в боеприпасах и в других специальных изделиях [1]. К настоящему времени разработано значительное количество ПВВ и ЭВВ, которые изготавливают по двум технологиям: механического и водно-суспензионного смешения. Основным недостатком первой технологии является опасность и сложность технологического процесса, второй - значительный расход легколетучего растворителя и связанные с его использованием трудоёмкость и длительность технологического цикла. Применение эластомеров с размером частиц менее 0,5 мм в ПВВ и ЭВВ позволяет исключить применение растворителя и упростить технологию изготовления таких ВВ.
Обзор литературы по ПВВ и ЭВВ показал, что основным ВВ в них является гексоген и высокодисперсный ТЭН, при этом их содержание составляет порядка 75-85%. В качестве связующего обычно применяют полиизобутилен, пластифицированный индустриальным маслом, и различные каучуки (бутадиен-нитрильные, бутадиеновые и др.), вводимые в состав в виде раствора в легколетучем растворителе. По большинству своих характеристик ПВВ и ЭВВ сходны и отличаются только природой пластификатора и содержанием добавок, которые придают пластиту консистенцию от пасты до плотной глины, а эластиту -вид и свойства, схожие с резиновой лентой [2].
В данной работе для определения физико-механических свойств использовали инертный наполнитель изоциануровую кислоту (ИЦК), которая по физическим свойствам идентична гексогену. За основу для исследований ПВВ выбрали состав ПВВ-5а, содержащий, % : гексоген - 85 и инертную связку (3,5% полиизобутилена, пластифици-рованного 11,5 % индустриального масла ИС-12) - 15. В качестве технологической основы использовали порошкообразный эластомер СКН-26М с размером частиц менее 0,5 мм, полученный
методом механического измельчения на ножевой мельнице РМ-120, который пластифицировали труднолетучими растворителями в определённом соотношении. Выбор типа эластомера обоснован его высокой адгезий к компонентам состава и удовлетворительной из-мельчаемостью. Для уменьшения слёживаемости полученный продукт сразу после измельчения обрабатывали стеаратом цинка [3].
Приготовление составов производили следующим образом: сначала наполнитель обрабатывали пластификатором, затем в смесь добавляли порошкообразный эластомер, полученный состав просеивали через сито 063. Для придания формы состав перерабатывали методами глухого и проходного прессования. Глухое прессование составов осуществляли при температуре пресс-сборки и состава 80°С, скорости нагружения 4-6 мм/мин, давлении прессования 100 МПа и выдержке состава под давлением порядка 10 с. Для прессования использовали пресс-инструмент, имеющий внутренний диаметр матрицы 15 мм. Перед переработкой составы нагревали в термо-шкафу при температуре 80°С в течение 2 ч.
Для оценки влияния природы пластификатора на плотность и качество получаемых образцов выбрали композицию, содержащую, % : ИЦК - 85,0; эластомер СКН-26М - 7,5; пластификатор - 7,5. Переработку составов осуществляли методом глухого прессования. Результаты исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Влияние природы пластификатора на плотность и качество полученных образцов
Пластификатор Р 3 кг/м Качество образца
ДБФ МГФ-9 ТБФ ХП-470 ТХЭФ ДОФ ЭДОС
7,5 - - - - - - 1580 не рассыпается
- 7,5 - - - - - 1550 рассыпается
- - 7,5 - - - - 1590 то же
- - - 7,5 - - - 1570 то же
- - - - 7,5 - - 1620 то же
- - - - - 7,5 - 1560 то же
- - - - - - 7,5 1620 то же
Из представленных в табл. 1 данных видно, что плотности всех полученных образцов отличаются незначительно и находятся в пределах 1550^1620 кг/м3. Визуальный осмотр образцов при сжатии показал, что более качественным пластичным составом (однородный, не рассыпается на куски) является состав с использованием в качестве пластификатора ДБФ. Поэтому для определения оптимального соотношения между каучуком и пластификатором при заданном содержании ИЦК, использовали состав содержащий, % : ИЦК
- 85 и связку каучук СКН-26М плюс пластификатор ДБФ - 15. Переработку состава осуществляли методом проходного прессования с использованием пресс-инструмента, имеющего внутренний диаметр матрицы 30 мм, диаметр фильеры 10 мм, угол входа в фильеру 90°, длину цилиндрической части фильеры 25 мм. Формование осуществляли при температуре 80°С [4, 5]. Для сравнения пластичности исследуемых составов определяли
их усадку при температуре 20°С (деформацию пластичных составов под действием постоянной нагрузки за определённый период времени) на консистометре. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Определение усадки проводили следующим образом: в консистометр помещали образец состава, затем, используя груз массой 0,5 кг, помещенный на плечо консистометра, равное 3 см, по специальной шкале определяли его линейную усадку в %.
Из приведенных в табл. 2 данных видно, что с уменьшением соотношения между каучуком и пластификатором снижается давление проходного прессования и плотность образцов, а усадка увеличивается. При этом большая усадка получается для составов с соотношением между каучуком и пластификатором 0,67 и 0,50. Визуальный осмотр показал, что более однородная пластичная масса, которая не рассыпается при нажатии рукой, получается для состава содержащего, в % : ИЦК - 85 и связки каучука с пластификатором (при соотношении последних - 0,67) - 15.
Таблица 2 - Влияние соотношения между СКН-26М и ДБФ на давление проходного прессования и физико-механические свойства образцов
СКН-26М / ДБФ Р, МПа Физико-механические свойства Качество образца
р, кг/м3 усадка, %
6,50 18,3 1460 3,00 рассыпается
2,75 15,5 1430 3,75 рассыпается
1,50 12,2 1420 4,20 не рассыпается
1,00 11,0 1410 4,50 то же
0,67 9,0 1410 5,10 то же
0,50 8,0 1420 5,25 рассыпается
За основу для исследования возможности применения порошкообразного эластомера в ЭВВ выбрали состав ЭЛАС-2, содержащий, % : гексоген - 85; бутадиенстирольный термоэластопласт - 6,5; бутадиен-нитрильный каучук - 6,5; политетрафторэтилен - 1,4; антиоксидант - 0,5; сажа - 0,1. С учетом этого, для исследования влияния рецептуры составов на их физико-механические свойства выбрали композицию, содержащую, % : ИЦК
- 80; связующее (эластомер плюс пластификатор в соотношении 3:1) - 20. В качестве эластомеров использовали бутадиен-нитрильный каучук марок СКН-26М, СКН-40Т и бутилкаучук; пластификаторов - дибутилфталат и дибутилсебацинат. Изготовление образцов осуществляли по следующей технологии: приготовление составов, затем их вальцевание. Приготовление составов осуществляли следующим образом: обработка наполнителя пластификатором, введение порошко-образного эластомера и упрочняющей добавки, перемешивание компонентов и просев состава через сито 063. Вальцевание осуществляли при минимальном роздвиге вальцов, температуре вальцов и состава 80°С. Полученные полотна нарезали на специальные за-готовки, которые испытывали на разрывной машине, определяя относительное удлинение (£, %) и прочность на разрыв (а, кгс/см2). Результаты исследования приведены в табл. 3.
Таблица 3 - Влияние рецептуры составов на их физико-механические свойства
Содержание компонентов, % Физико-механические свойства
ИЦК СКН-26М СКН-40Т БК ДБФ ДБС Е, % 2 О, кгс/см
80 15 - - 5 - 5 1,42
80 - 15 - 5 - 100 0,27
80 - - 15 - 5 572 0,29
Из данных табл. 3 видно, что применение в качестве технологической основы бу-тилкаучука с ДБС, позволяет значительно повысить относительное удлинение состава при его удовлетворительной прочности на разрыв, поэтому для дальнейших исследований выбрали данный состав.
Для повышения прочности на разрыв в состав вводили различные упрочняющие добавки в количестве двух процентов за счет уменьшения содержания пластификатора. Результаты исследований приведены в табл. 4.
Таблица 4 - Влияние упрочняющих добавок на физико-механические свойства составов
Содержание компонентов, % Физико-механические свойства
Полистирол Фторопласт 4 Аэро- сил Поливи- нилбутираль £, % 2 О, кгс/см
2 - - - 16 1,73
- 2 - - 60 3,59
- - 2 - 28 0,97
- - - 2 16 2,04
Из данных, представленных в табл. 4 видно, что большую прочность на разрыв и относительное удлинение имеет состав, содержащий фторопласт-4 (Ф-4).
Далее проводили оптимизацию эластичных составов. Для этого с учётом выше приведенных исследований была выбрана композиция, состоящая из ИЦК, БК, ДБС и Ф-4. Для того, чтобы систему привести к трехкомпонентной, ДБС и Ф-4 считали за один компонент (при этом содержание Ф-4 оставляли постоянным и равным 1 %, остальное - ДБС). Содержание компонентов в составах изменяли в следующих пределах, %: ИЦК - 75-95, БК
- 5-20, ДБС + Ф-4 - 3-10. Область оптимизации представляет собой четырехугольник, который для удобства расчета был разбит на два треугольника.
Оптимизацию свойств выбранной композиции проводили методом математического планирования эксперимента с использованием симплекс-решётчатых планов Шеффе (V модель). Расчёт осуществляли на ЭВМ при помощи программ «Exsel» и «Surfer». По программе «MODEL» рассчитывали: скорость детонации составов (D, м/с), теплоту взрыва (Q, кДж/кг) и объем газообразных продуктов взрыва (VmB, л/кг).
Оптимизация смесей показала, что с увеличением содержания гексогена увеличиваются плотность и скорость детонации составов, но уменьшаются их относительное удлинение и прочность на разрыв. В результате проведенной оптимизации была выбрана композиция, содержащая, % : гексоген - 82, бутилкаучук - 14, дибутилсебацинат - 3, фторопласт-4 -1, имеющая следующие характеристики: плотность - 1590 кг/см3, скорость детонации - 7850 м/с, теплота взрыва - 5225 кДж/кг, удельный объем газообразных продуктов взрыва - 745 л/кг, относительное удлинение - 120 %, прочность на разрыв - 3,5 кгс/см2.
Таким образом, показана принципиальная возможность и целесообразность применения в пластичных и эластичных взрывчатых веществах в качестве технологической основы порошкообразного эластомера с размером частиц менее 0,5 мм, что позволяет значительно упростить технологию их изготовления и сократить время технологического цикла.
Литература
1. Генералов, М.Б. Основные процессы и аппараты промышленных взрывчатых веществ: учебное пособие / М.Б. Генералов. - М.: Изд-во ИКЦ Академкнига, 2004. - 397 с.
2. Косарев, А.А. Пластичные и эластичные взрывчатые смеси: метод. указ. к лаб. раб. / А.А. Косарев, В.Н. Александров. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007. - 44 с.
3. Мадякин, Ф.П. Получение эластомеров в виде порошка и гранул и переработка пиротехнических составов на их основе / Ф.П. Мадякин [и др.] // Современные проблемы пиротехники : материалы докл. III Всерос. конф. / ФГУП ФНПЦ НИИПХ. - Сергиев Посад, 2004. - С. 28-30.
4. Перспективные ресурсо- и энергосберегающие технологии. Этап. 2003 г.: Исследование путей снижения расхода растворителя при переработке пиропороховых составов на основе эластомеров: отчёт о НИР № 07-7.5.1/2003 (ФП) АН РТ / Казан. гос. технол. ун-т, АН РТ ; науч. рук. Ф.П. Мадякин. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2003. - 22 с.
5. Мадякин, Ф.П. Пиротехнические составы на основе измельчённых эластомеров / Ф.П. Мадякин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2007. - №2.- С. 69-76.
© А. С. Сальников - студент каф. технологии твердых химических веществ КГТУ; Р. Ш. Гарифуллин - канд. техн. наук, асс. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, т8^агі&Шп@уаМех.т; Р. М. Вахидов - канд. техн. наук, асс. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, wachidow@mail.ru; Ф. П. Мадякин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, madyakin@kstu.ru; А. В. Косточко - д-р техн. наук, проф., зав. каф химии и технологии высокомолекулярных соединений КГТУ; В. Н. Савагин - канд. техн. наук, доц. каф. химической технологии высокомолекулярных соединений КГТУ; В. М. Борисов -д-р техн. наук, проф. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ.
