CC BY
5
УДК 662.352:661.311.11
Аверьянов А.А., Гулаков М.Ю., Денисюк А.П.
РЕГУЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ НИТРИТА АММОНИЯ
Аверьянов Артем Андреевич, студентка 6-го курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: 170968@muctr.ru;
Гулаков Михаил Юрьевич, аспирант 6-го курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений;
Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20.
В работе предложены пути регулирования комплекса свойств порохов на основе нитрата аммония, для использования их в гражданских целях (геофизические и градобойные ракеты, различные газогенераторы). Показано, что значительное снижение чувствительности пороха к удару достигается введением в его состав 2-3% фторопласта, за счет одновременного повышения прочностных и деформационных свойств. Экологичность продуктов горения обеспечивается использованием в качестве катализатора горения салицилата железа в индивидуальном виде и совместно с углеродными нанотрубками, позволяющих регулировать скорость горения и снижать зависимость ее от давления в различных его интервалах. Для почти полного устранения фтороводорода в продуктах горения пороха в его состав вводится 2% Al, который реагирует с ним с образованием AIF3 (концентрация фтороводорода уменьшается в 23 раза). Ключевые слова: нитрат аммония, чувствительность к удару, катализ горения, экологически безопасный катализатор.
REGULATION OF THE COMPLEX PROPERTIES OF FUEL BASED ON AMMONIUM NITRITE
Averyanov A.A., Gulakov M.Yu., Denisyuk A.P.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The paper suggests ways to regulate the complex properties of ammonium nitrate-based powders for their use for civilian purposes (geophysical and hail rockets, various gas generators). It is shown that a significant decrease in the sensitivity of gunpowder to impact is achieved by introducing 2-3% fluoroplast into its composition, due to a simultaneous increase in strength and deformation properties. Gorenje gorenje gorenje products are ensured by the use of iron salicylate as a combustion catalyst in individual form and together with carbon nanotubes, allowing to regulate the rate of combustion and reduce its dependence on pressure in its various intervals. To almost completely eliminate hydrogen fluoride in the combustion products of gunpowder, 2% Al is introduced into its composition, which reacts with it to form AlF3 (the concentration of hydrogen fluoride decreases by 23 times).
Keywords: ammonium nitrate, impact sensitivity, gorenje catalysis, environmentally safe catalyst.
Известно, что пороха широко используются для пониженной температурой горения, что практически
хозяйственных целей. Они должны соответствовать очень важно. Топливо получали с использованием
ряду требований: иметь регулируемую скорость вальцевания и проходного прессования. Это
горения, низкую зависимость ее от давления, в обеспечивало его высокие механические
продуктах горения не должно содержаться характеристики. Для таких порохов в [2] предложены
экологически опасных газов и твердых веществ. эффективные комбинированные катализаторы
Очень важно, чтобы они обладали низкой горения - соли никеля, бихромат калия и сажа. Они не
чувствительностью к различным воздействиям только увеличивают скорость горения топлив, но и
(удару, трению и др.). Кроме того, для таких порохов снижают параметр v в законе скорости горения U=BPV
необходимо иметь широкую сырьевую базу, что от 0,8 до ~0,4. В [3] показано, что замена сажи на
обеспечит их низкую стоимость. Несомненно, что в углеродные нанотрубки (УНТ) приводит к усилению
этом плане вызывает интерес топлива на основе действия катализатора. Однако, в продуктах горения
нитрата аммония (НА), для использования их в этих порохов содержатся токсичные соединения
различных газогенераторах (системы хрома и никеля, а также фтористый водород, что
пожаротушения, газовые рули, подушки может затруднить их использование. Кроме того,
безопасности) в геофизических и градобойных чувствительность указанных составов к
ракетах. В [1] были изучены пороха с высоким (70 - механическому воздействию вообще не
75%) содержанием нитрата аммония, который определялась. Эта характеристика является
вводили в низкокалорийный порох. В результате чрезвычайно важной для обеспечения безопасности этого получался состав с повышенной энергетикой, с
получения зарядов порохов и их использования. Поэтому задачей данной работы явилось:
- изучение влияния на скорость горения пороха с НА экологически безопасного катализатора -салицилата железа (СЖ), предложенного в [5], вводимого в индивидуальном виде или в сочетании с УНТ («Таунит-М»);
- исследование чувствительности топлив и путей ее уменьшения.
Базовый низкокалорийный порох, в который вводили НА, имеет следующий состав: 34,9% нитроцеллюлозы (НЦ), пластифицированной 41,1% динитратом диэтиленгликоля, 14,8% динитротолуола и 6,6% дибутилфталата, с соотношением НЦ к пластификаторам равным ~1,8. Такое соотношение позволило ввести в этот порох 70% НА. Базовый порох также содержал 1% индустриального масла; 1,6% стабилизатора химической стойкости (централит №2). Главное то, что для снижения чувствительности к удару и улучшения реологических и физико-механических
характеристик в его состав вводили политетрафторэтилен (фторопласт-4) в количестве от 1,5 до 3%.
При термомеханическом воздействии на пороховую массу в процессе ее вальцевания и проходного прессования фторопласт образует в объеме пороха взаимопроникающие трехмерные структуры, которые увеличивают прочность и эластичность образца [4]. Для нейтрализации в продуктах горения ИР, в порох вводили А1, при взаимодействии с которым образуется АШ3. Скорость
2 1 б а 10 12 14
Рис. 1. Влияние различных добавок на скорость горения базового топлива:
1 - 2% СЖ; 2 - 3% УНТ; 3 - 2% СЖ+3% УНТ
горения определяли в приборе постоянного давления в атмосфере азота методом угловых точек. Эффективность действия катализатора оценивалась параметром 2=икат/ио, где Икат - скорость горения топлива с катализатором, Ио - без катализатора, а также влиянием его на параметр V. Чувствительность к удару определяли на копре К-44 II в соответствии с ГОСТ 4545-88.
В таблице 1 представлен термодинамический расчет продуктов горения порохов, содержащих алюминий и без него. Видно, что количество HF в продуктах горения в 23 раз меньше для образцов, содержащих 2-5% А1 , чем в топливе без алюминия.
Влияние 2% СЖ на скорость горения базового топлива в индивидуальном виде и в сочетании с УНТ представлены на рисунке 1 и в таблице 1.
Таблица 1. Состав продуктов горения при охлаждении от температуры горения 2404 К до 600 К при 0,1 МПа_
Состав продуктов без А1 2% А1 5% А1
СО 0,04 0,05 0,01
СО2 33,4 36,9 34,2
СИ4 1,4 4,2 4,7
И2 0,2 0,2 0,2
Н2О 35,7 27,9 25,8
N2 27,7 26 25,3
ОТ 1,6 0,07 0,07
АЬОз - 2,6 7,6
АШз - 1,4 1,4
Ре2Оз - 0,5 0,5
1), мм/с
• /6 ИМ
о Р, МШ
0.5 М О.ТОДАЗ I 2 3 4 3678910 В
Рис. 2. Зависимость скорости горения от давления для базового состава с различными катализаторами:
1 - без катализатора; 2 - 2% Ба1Ше; 3 - 3% УНТ; 4 -2% 8а!Ше+3%о УНТ.
Таблица 2. Влияние УНТ на эффективность действия 2% СЖ
Количество добавок, % Закон горения U=BPv И1, мм/с г: Ию, мм/с гю г16
В V АР (МПа)
Базовый образец 0,8 0,88 1-16 0,8 - 5,8 - -
3% УНТ 2,1 0,72 1 - 16 2,1 2,7 10,8 1,9 1,7
2%СЖ 1,8 0,65 1-4 2,8 2,4 6,2 1,1 0,9
2,3 0,43 4 - 16
2%СЖ+1 %УНТ 2,3 0,67 1 - 16 2,3 2,9 10,8 1,8 1,7
2%СЖ+1,5%УНТ 2,3 0,71 1 - 16 2,3 2,9 11,8 1,9 1,9
2%СЖ+2%УНТ 2,4 0,77 1 - 5 2,4 3,0 13,0 2,1 1,9
4,5 0,46 5 - 16
2%СЖ+3%УНТ 2,2 0,86 1 - 4 2,3 2,9 13,8 2,4 1,9
5,5 0,47 4 - 16
Из таблицы 2 и рисунка 1, 2 видно, что влияние 2% СЖ уменьшается с ростом давления, что приводит к существенному снижению параметра V от 0,88 до 0,43 в широком интервале давления (4 - 16 МПа).
УНТ оказывают необычное влияние на эффективность действия катализатора: при пониженном давлении несколько повышают ее (например, при 1 МПа в 1,25 раза, а при повышенном (более 10 МПа) - значительно увеличивают. Таким образом, существенно возрастает диапазон давления, в котором возможно увеличивать скорость горения.
Результаты исследования чувствительности образцов с различным содержанием фторопласта приведены в таблице 2. Опыты на образце без фторопласта не проводились, так как без него невозможно получить качественный образец.
Рис.3. Локальные очаги воспламенения, образовавшиеся при ударе образца с 1,5% Ф-4: а - образец перед испытанием; б,в,г - образцы после испытания.
Для образца с 1,5% фторопласта в 68% опытов наблюдается лишь появление на поверхности нескольких небольших (1х2 мм) очагов разложения (для образца в) составляет меньше 1%, а для образцов
б) и г) менее 10% поверхности) (Рис. 3). Они не способны обеспечить распространить горение по всей поверхности и вглубь таблетки. Это, вероятно, обусловлено тем, что прекращалось распространение процесса, возникшего в отдельных точках, за счет поглощения тепла и неспособности к дальнейшему самостоятельному горению. При 2% и 3% Ф-4 чувствительность равна 0. Это связано с тем, что при таком количестве фторопласта образовалась однородную взаимопроникающая структура, которая значительно повышает прочность и эластичность образца [4] и при этом уменьшается объем пороха, находящегося между нитями фторопласта, которые прерывают передачу тепла от возникшего очага к следующему объему исходного пороха.
Таблица 3. Чувствительность базового топлива к удару с различным содержанием фторопласта
Количество фторопласта, % Частость взрывов, %
1,5 68(отдельные мелкие очаги)
2 0
3 0
Таблица 4. Чувствительность к удару составов с НА, содержащих различные добавки
Содержание СЖ и ТМ Частость взрывов, %
1,5%Ф -4 2%+3% 84
-Ф % 3 2%+3% 0
Для образцов с катализаторами (таблица 4) наблюдается аналогичная картина с появлением относительных небольших очагов разложения,
которые не распространяются на всю поверхность и в глубь образца.
Видно, что образцы с 1,5% Ф-4, при одинаковом количестве порошкообразных добавок, имеют более высокую чувствительность к удару, в отличие от образцов с 3% Ф-4.
В результате проведенных исследований показана возможность получения пороха, содержащего 70% НА, с регулируемой скоростью горения, с пониженной зависимостью от давления в широком его интервале, с продуктами горения, в которых нет токсичных веществ, низкой чувствительностью к механическому воздействию (удару) и с улучшенным комплексом физико-механических характеристик.
Список литературы
1. Денисюк А. П., Тве Е Зо, Чжан Хуэй Кунь. Горение энергетических композиций на основе
активных связующих с нитратом аммония различной дисперсности //Вестник Казанского
технологического ун-та, 2007. Т. 3-4. С. 142-147.
2. Денисюк А. П., Тве Е Зо, Черных С. В. Использование нитрата аммония в баллиститных порохах // Химическая промышленность сегодня. -2007. - Т. 5. - С. 39-43.
3. Денисюк А.П., Гулаков М.Ю., Сизов В.А. и др. Влияние катализаторов на скорость горения топлив на активном связующем с нитратом аммония // Горение и взрыв. - 2020. - Т. 13, № 4. - С. 114-119.
4. Ульянова Е. В., Денисюк А. П., Е Зо Тве, Русин Д. Л. Баллиститные пороха с нитратом аммония // Успехи в химии и химической технологии. 2011. №12 (128).
5. М. Ю. Гулаков, А. П. Денисюк, А. А. Аверьянов. Регулирование комплекса свойств топлива на основе нитрата аммония // Химическая промышленность сегодня. - 2022. - № 4. - С. 28-35.
