CC BY
61
УДК 662.2:662.76
Н. И. Торуткина, И. Ф. Фаляхов, Р. З. Гильманов, А. С. Сальников, В. Я. Базотов
ТЕРМОСТОЙКИЙ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ ПИРИНА
Ключевые слова: энергонасыщенный материал, пирин, термостойкость, микроструктура.
В работе приведены исследования направленные на разработку термостойкого состава на основе пирина, который является альтернативой существующих термостойких взрывчатых составов для прострелочно-взрывной аппаратуры. Проведена оценка термической и химической совместимости состава, содержащего пирин, скф-26, .Выявлена склонность к электризуемости и образованию конгломератов, что приводит к увеличению чувствительности к удару. Эффективным способом снижения электризуемости является введение антистатической добавки Витан ОС.
Keywords: energy-saturated material, pirin, the thermal stability, microstructure.
The paper presents research aimed at developing heat-resistant composition on the base of Pirin mountain, which is an alternative to existing heat-resistant explosive compositions for perforate-blasting equipment. Evaluated thermal and chemical compatibility of the composition containing the Pirin mountains, SCF-26, .Revealed the tendency of the static and the formation of conglomerates, which leads to increased sensitivity to shock. Effective way to reduce the static is the introduction of antistatic additives Vitan OS.
Введение
Разнообразие областей промышленного применения энергонасыщенных материалов обусловлено рядом их безусловных преимуществ. Главным преимуществом энергонасыщенных материалов является относительная дешевизна извлекаемой из них энергии. Кроме того, следует отметить, что некоторые технологические процессы, такие как сварка определенных комбинаций металлов, могут быть выполнены только с применением энергии взрывчатого превращения энергонасыщенных материалов [1]. Энергия взрывчатого превращения позволяет также получать различные материалы, обладающие уникальными свойствами [2-5]. Наиболее востребованы энергонасыщенные материалы в добывающих отраслях промышленности, включая нефте- и газодобывающие отрасли, о чем свидетельствует многообразие исследовательских работ, направленных на решение проблем этих отраслей и создание новых технологий и технических средств их реализации [6-23]. Такое положение дел вполне объяснимо, поскольку большинство нефтяных месторождений в настоящее время находятся на поздней стадии разработки и запасы углеводородного сырья в них истощены. Одним из путей обеспечения высоких темпов добычи является освоение пластов, залегающих на глубинах 3-4 км для которых характерны повышенные температуры (более 250°С). Освоение этих пластов осложнено тем, что штатные промышленные взрывчатые вещества, применяемые для изготовления элементов прострелочно-взрывной аппаратуры, ограничены по термостойкости температурами 150-180 °С.
В настоящее время известны термостойкие энергонасыщенные материалы, которые могут эксплуатироваться при температурах 250-300 °С. К ним, например, относятся НТФА, октанит, термол, ГНС и другие.
Общий недостаток этих веществ заключается в том, что «платой» за высокую термостойкость
является скорость детонации. НТФА при термостойкости 275°С обладает скоростью детонации 7200 м/с (расчет), при этом вещество плохо прессуется, при удельном давлении прессования 300 МПа удается достичь плотности 1,53 г/см3. Учитывая чувствительность к удару на уровне 70%, можно сделать вывод, что в чистом виде вещество не может быть использовано, а введение в состав различных пластификаторов неизбежно негативно повлияет на детонационные характеристики вещества. Октанит и термол, обладая высокой термостойкостью (около 300 °С), имеют скорость детонации на уровне 6900 м/с. Кроме того, октанит является дорогостоящим веществом. Наиболее используемым в настоящее время веществом является гексанитростильбен (ГНС), который при содержании
пластифицирующих добавок до 3% обладает хорошей прессуемостью. При удельном давлении прессования 200 МПа формуются прессовки с плотностью более 1,70 г/см3. Однако скорость детонации этих составов имеет невысокие значения около 7000 м/с.
Одним из перспективных термостойких веществ является пирин, синтезированный на ка-федре Химической технологии органических со-единений азота Казанского национального исследовательского технологического университета. При термостойкости 350-360 °С это вещество имеет скорость детонации 7540 м/с. Однако чувствительность к удару на уровне 76% обуславливает необходимость поиска
пластификаторов для обеспечения приемлемого уровня параметров безопасности. В настоящей работе проведены исследования по оценки перспектив создания термостойкого
энергонасыщенного состава на основе пирина.
Исследовательская часть
Пластификатор для термостойкого
энергонасыщенного материала кроме хороших пластифицирующих характеристик должен также
обладать повышенной термостойкостью. В связи с этим в качестве пластификатора выбран фторорганический каучук СКФ-26, обладающий термостойкостью более 380 °С. Расчеты, выполненные с помощью программно-методического комплекса «Model», показали, при содержании в составе фторкаучука СКФ-26 5% скорость детонации составляет 7400 м/с при плотности 1,65 г/см3. Эти значения значительно меньше значений скоростей детонации штатных энергонасыщенных материалов, применяемых для изготовления элементов прострелочно-взрывной аппаратуры, но выше по сравнению со значениями термостойких аналогов. Большая скорость детонации особенно важна для кумулятивных зарядов перфораторов, применяемых в технологиях вторичного вскрытия нефтяных пластов. Содержание СКФ-26 в количестве 5% не является оптимальным, можно предположить, что требуемые параметры безопасности и прессуемости будут достигнуты при меньших содержаниях, что обеспечит несколько большие значения скорости детонации.
Перед отработкой оптимальной рецептуры необходимо изучить термическую стабильность отдельных компонентов и их химическую совместимость их друг с другом в рецептуре состава. Исследование выполняли методом дифференциально-термического анализа (ДТА). Результаты ДТА, представленные в таблице, показали, что компоненты в исследуемом энергонасыщенном составе совместимы друг с другом. При этом начало интенсивного разложения состава выше температуры начала интенсивного разложения наименее стойкого компонента композиции (пирина). Также установлено, что исследуемые композиции физически стабильны вплоть до температуры начала интенсивного разложения, в них отсутствуют тепловые эффекты, характерные для полиморфных переходов и смены агрегатного состояния вещества.
Таблица 1 - Температуры начала полиморфных переходов (Тнпп) и термического разложения (Тнтр) исследуемых образцов
Следующей задачей являлось нанесение пластификатора на поверхность кристаллов пирина. Опытные образцы состава изготавливались по лаковой технологии. Данный метод позволяет достигнуть максимально равномерного покрытия частиц основного компонента. К массе навески бризантного взрывчатого вещества добавлялись растворы модифицированных добавок, приготовленные с использованием соответствующих растворителей. После тщательного перемешивания
в течение не менее получаса смесь провяливалась и вакуумировалась до полного удаления растворителя. После нанесения полимера на частицы взрывчатого вещества было установлено, что состав обладает удовлетворительной сыпучестью и электризуется. Микроскопические исследования полученного состава позволили выявить склонность к электризуемости и образованию конгломератов (рис. 1).
Рис. 1 - Микроструктура энергонасыщенного состава пирин / СКФ-26
Эксперименты по определению чувствительности к удару показали увеличение чувствительности при введении СКФ-26, что очевидно связано с эффектом электросенсибилизации. Было предложено данную проблему решить введением антистатической добавки. В качестве такой добавки был выбран Витан ОС. Ведение 1% антистатика сверх 100 позволил снизить чувствительность к удару до приемлемого уровня.
Заключение
Таким образом, в данной работе предложен перспективный взрывчатый состав на основе пирина, скф-26, Витан ОС, который может являться альтернативой существующих термостойких взрывчатых составов для прострелочно-взрывной аппаратуры. Ожидаемые значения термостойкости состава не менее 300°С.
Литература
1. В.В. Селиванов, И.Ф. Кобылкин, С.А. Новиков, Взрывные технологии: учебник для вузов. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2014. 519 с.
2. Вольфсон С.И. Влияние способа внедрения нанонаполнителя на свойства полимерных композиций / Вольфсон С.И., Готлиб Е.М., Наумов С.В., Мокеев А.А., Фиговский О.Л. // Вестник Казaнского технологического университета. 2011. № 14. С. 186-189.
3. Ильичева Е.С. Влияние способа введения модифицированного волластонита на структуру резин на основе ски-3 / Ильичева Е.С., Готлиб Е.М., Фиговский О.Л., Мокеев А.А., Наумов С.В. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 15. С. 141-145.
4. Figovsky О. Product^n of ро1утег na^membranes by super deep penetrat^ met^d / Figovsky О, Gotlib E, Pashin D, Mokeev A. // Chemistry and Chemical Technology. 2012. Т. 6. № 4. С. 393-396.
Исследуемое вещество Эндо и экзо эффекты, при температурах
Тнпп, °С Тнтр, °С
Пирин - 361
Скф-26 - >380
Пирин/ Скф-26 - 374
5. Figovsky, O.L. Super deep penetration - new method of nanoreinforced composites producing based on polymer matrixes / O.L. Figovsky, E.M. Gotlib, E.C. Ilicheva, A.A. Mokeev // Инженерный вестник Дона.- PocTOB-Ha^oHy, 2014, т.31, №4-1, С.133-137.
6. В.Я. Базотов, А.А. MoKeeB, А.В. Станкевич, Т.П. Евсеева, А.П. Евдокимов. Изучение параметров функционирования коаксиально-слоевого кумулятивного заряда промышленного назначения // Взрывное дело. - 2015. - № 114-71. - С. 242-251.
7. В.Н. Александров, Н.Б. Иванов, И.Ю. Суркова, Т.П. Евсеева, В.Я. Базотов // Взрывное дело, 107-64, 154-167 (2012).
8. Д.М. ^горкин, А.А. Moкeeв, А.А. Марсов, И.Ф. Садыков, Н.А. Макарова // Вестник Казанского технологического университета, 15, 24, 122 (2012).
9. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Maрсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 24, 126 (2012).
10. В.Н. Алeксандрoв, И.Ф. Сaдыков, В.Я. Базoтов, А.К. Вишняков, Д.В.Бегашев // Взрывное дело, 101-58, 8091 (2009)
11. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казaнскoго технологического университета, 15, 6, 174-177 (2012).
12. Р.Ш. ^рифуллин, В.Я. Базoтов, А.С. Сальников, М.Р. Файзуллиш, И.Д. Ахмaдиeв, В.М. Борисов // Вестник Казанского технологического университета, 16, 2, 6768 (2013).
13. А.С. Сaльников, Р.Ш. Гарифуллин, Р.М. Вахидов, Ф.П. Maдякин, А.В. Косточко, В.Н. Савaгин, В.М. Боритов // Вестник Казанского технологического университета, 9, 276-280 (2010).
14. Р.М. Вахидов, Р.Ш. Гарифуллин, А.С. Сальников, З.М. Рахматуллина, А.В. Косточко, В.Н. Савагин // Вестник Казанского технологического университета, 9, 870-872 (2010).
15. Р.Ш. Гарифуллин, В.М.Борисов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, № 107-64, 60-68 (2012).
16. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 168-170 (2012).
17. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, 106-63, 252-258 (2011).
18. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета,
15, 7, 174-176 (2012).
19. А.А. Косарев, А.А. Мокеев, Д.К. Гильмутдинов, О.С. Шаклеина // Вестник Казанского технологического университета, 18, 17, 77-79 (2015).
20. А.С. Солдатова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев, Д.А. Хадиева // Вестник Казанского технологического университета, 8, 104-111 (2010).
21. И.Ф. Садыков И.Ф., А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета,
16, 13, 190-192 (2013).
22. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадретдинова, А.П. Евдокимов, А.А. Марсов // Вестник Казанского технологического университета, 17, 15, 268-269 (2014).
23. А.А. Мокеев, А.П. Евдокимов, А.С. Сальников, Р.Ш. Гарифуллин, А.А. Марсов, М.Р. Файзуллина // Вестник технологического университета, 18, 4, 208-210 (2015).
© Н. И. Торуткина - аспирант КНИТУ, natalya.torutkina@bk.ru; Р. З. Гильманов - доктор техн. наук, заведующий кафедрой химии и технологии органических соединений азота КНИТУ, профессор, r-z-gilmanov@rambler.ru; И.Ф. Фаляхов - доктор техн. наук, кафедры химии и технологии органических соединений азота КНИТУ, профессор; А. С. Сальников - ассистент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, lucifer21@yandex.ru; В. Я. Базотов - доктор техн. наук, проф., заведующий кафедрой технологией твердых химических веществ КНИТУ.
© N. 1 Torutkina - aspirant of the Department of technology of solid chemical substances in KNRTU; R. Z. Gil'manov - doctor of technical sciences, professor, head of department CTONC KNRTU; I. F. Falyahov - doctor of technical sciences, professor of CTONC KNRTU; A. S. Sal'nikov - assistant of the Department of technology of solid chemical substances in KNRTU; V. J. Bazotov - doctor of technical sciences, professor, head of department of technology of solid chemical substances in KNRTU.
