CC BY
28
TROKOMPONENTNE GRANULISANE SMEŠE NA BAZI HEKSOGENA, ALUMINIJUMA I POLISTIRENA KAO FLEGMATIZATORA
Anđelković-Lukić N. Mirjana
UDC: 662.21:662.234.8
Sažetak:
U radu je prikazan način dobijanja i karakteristike trokomponentnih smeša RDX/Al/PS. Primenjen flegmatizator heksogena je termostabilni polimer polistiren čija je karakteristika da dobro prekriva. Primenjivan je konstantan sadržaj od 5% PS za različite sadržaje heksogena i alumini-juma. Sadržaj aluminijuma u smešama je 10, 15, 20 и 25% m/m. Ispitan je sastav i određena brzina detonacije.
Ključne reči: trokomponentne smeše, heksogen, polistiren, aluminijum, brzina detonacije.
Uvod
Granulisani flegmatizovani eksplozivi primenjuju se u presovanim pu-njenjima, koja su izložena povišenim radnim naponima i tempera-turama (punjenja u raketama koje se nalaze ispod krila supersoničnih avio-na, artiljerijska punjenja velikih početnih ubrzanja koja trpe naprezanja prili-kom leta projektila, punjenja za eksploataciju u dubokim naftnim bušotina-ma, i dr.) taKO da је poželjno da flegmatizator ima temperaturu topljenja iz-nad 100оС i da obezbeđuje dobre mehaničke karakteristike, kako ne bi dola-zilo do prskotina i krzanja otpresaka u uslovima povišenih temperatura i rad-nih pritisaka. Flegmatizatori koji se koriste moraju da imaju dobru sposob-nost prekrivanja granula eksploziva, da su kompatibilni sa eksplozivom i da uz minimalan sadržaj obezbede kompaktnost eksplozivnog punjenja, pobolj-šaju mehaničke karakteristike otpreska i omoguće postizanje velikih gustina punjenja.
U industriji granulisanih eksploziva u svetu kao flegmatizatori se i dalje koriste uglavnom voskovi i polimeri, ali se u novim savremenim eksploziv-nim sastavima, koji su u skladu sa strožim zahtevima za municiju, primenjuju jedinjenja ugljenika i fluora, kao što su: (CF)4, C4(CF3)4, (CF)8, i dr. [1], za-tim energetski polimeri - linearni polietilenamini ili polivinilamini [2]. Novi
73
Anđelković-Lukić, M., Trokomponentne granulisane smeše na bazi heksogena, aluminijuma i polistirena kao flegmatizatora, str. 73-80
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09
energetski aditivi primenjuju se u raketnim gorivima i kao vezivo i kao plasti-fikatori koji sadrže nitro-, nitrato-, fluorodinitro-, i druge hemijske grupe čije prisustvo obezbeđuje stvaranje velike količine energije [3,4]. U Rusiji je naj-češće primenjivan kao inertan flegmatizator vosak oksizin, smeša cerezin stearina, a kao aktivan trotil, ali ne isključuje se i primena drugih polimernih materijala, što je svakako u skladu sa zahtevima municije velikih kalibara. U zemljama Atlantskog saveza koristi se čitava paleta različitih polimernih materijala [5]: stan (poliuretanestar), viton (keksafluoropropilen/vinilidinfluorid), Kel-F (polihlortrifluoroetilen), ekson (polimer nukleinske kiseline), teflon (poli-tetrafluoroetilen), poliamid, polistien, ali i trotil kao aktivni flegmatizator.
Flegmatizovanim eksplozivima se ponekad dodaju određene supstan-ce koje olakšavaju presovanje kao što su grafit ili kalcijumstearat [7]. Nji-hov sadržaj u eksplozivima je veoma mali, nalazi se u opsegu od 0,5 do 1% mase. Ove supstance imaju veliku specifičnu površinu, tako da se ras-podeljuju po celoj zapremini flegmatizovanog eksploziva, bez obzira na njegovu granulaciju. Ne utiču na performanse eksploziva, već se njihov uti-caj odražava na olakšavanje presovanja, jer smanjuju unutrašnja trenja.
Kao aditivi eksplozivima se dodaju i razni metali od kojih je najčešći alumi-nijum [4] koji se flegmatizovanim eksplozivima najčešće dodaje mehaničkim mešanjem u rotacionim bubnjevima. U livene eksplozive aluminijum se dodaje u toku postupka livenja. Sadržaj aluminijuma u flegmatizovanim eksplozivima je mnogo veći od sadržaja inertnih aditiva, (grafita i kalcijumstearata) i kreće se od 10 do 30% mase. On reaguje sa produktima detonacije i, mada smanjuje brzinu detonacije eksploziva, povećava njegovu unutrašnju energiju, što se od-ražava u povećanom fugasnom dejstvu takvih eksplozivnih punjenja.
U radu su prikazane trokomponentne granulisane smeše na bazi heksogena, aluminijuma i termostabilnog polimera polistirena koji je isto-vremeno i flegmatizator i vezivo u smeši.
Tehnološki postupak dobijanja trokomponentnih granulisanih smeša
Trokomponentne granulisane smeše u našim uslovima proizvodnje sastoje se od brizantne eksplozivne komponente, heksogena ili oktogena, flegmatizatora - voska i aluminijuma u prahu [7] i dobijaju se mokrim teh-nološkim postupkom iz vruće vodene suspenzije eksploziva i metala.
Ovaj postupak dobijanja trokomponentnih smeša ima određen nedo-statak, jer aluminijum u prahu reaguje sa vodom na povišenoj temperature, oslobađajući vodonik i stvarajući aluminat, pa aluminijum mora da se pasi-vizira. Pasivizacija se vrši bilo fizički, bilo hemijski. Najpogodniji je hemijski način uz korišćenje pufera sredine, koji će regulisati pH vrednost sredine i održavati je slabo kiselom oko 5, tako da ne dolazi do hemijske reakcije aluminijuma i vode. Pufer se dodaje u zagrejanu vodenu suspenziju eksploziva i tek posle dodatka pufera u sistem se dodaje aluminijum u prahu.
74
Tehnološki postupak granulisanja ovakvih trokomponentnih smeša je sledeći: u vruću puferovanu vodenu suspenziju eksploziv-metal dodaje se, uz odgovarajuće mešanje sistema, rastopljen vosak u željenom sadr-žaju (uglavnom je to 5% mase). Kada se sav rastopljeni vosak doda u si-stem zagrejan iznad temperature topljenja voska (obično na temperaturi oko 80оС), sistem se homogenizuje i posle završene homogenizacije, uz regulisano mešanje, hladi se do temperature 40оС.
Kada temperatura sistema dostigne oko 40оС prekida se mešanje i sadržaj suda prebacuje na ceđenje, gde se iz trokomponentne smeše is-cedi voda uz pomoć vakuum pumpe, posle čega se vlažan eksploziv ras-poređuje u pogodne sudove (tave) i odnosi na sušenje. Sušenje je obično u vakuum sušnicama ili na 60оС, ukoliko se koriste obične parne sušnice.
Ovako dobijeni trokomponentni sastavi na bazi heksogena, voska i aluminijuma koriste se za podvodna rušilačka dejstva, ali i u zapaljivoj municiji. Presovanje ovih smeša vrši se na temperaturi pogona, posle temperiranja na oko 30оС [8].
Tehnološki postupak dobijanja trokomponentnih
smeša na bazi heksogena, polistirena i aluminijuma
Tehnološki postupak dobijanja trokomponentnih granulisanih smeša, u kojima se kao vezivo i flegmatizator koristi polimeran materijal polistiren, ima određenih prednosti u odnosu na postupak flegmatizacije s voskovima.
Polimerni materijali su mnogo pogodniji za formiranje tankog filma oko granula (ne samo trokomponentnih sastava), jer čvrsto povezuju sa-držaj granule koji se sastoji od eksploziva i određenog metala, u ovom slučaju heksogena i aluminijuma u prahu.
Na slici 1 prikazane su granule trokomponentne smeše heksogena (80% m/m), polistirena (5% m/m) i aluminijuma (15% m/m).
Slika 1 - Izgled granula trokomponentne smeše (RDX, PS, Al),
75
Anđelković-Lukić, M., Trokomponentne granulisane smeše na bazi heksogena, aluminijuma i polistirena kao flegmatizatora, str. 73-80
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09
Na slici se vide pravilno formirane granule trokomponentne smeše, čiji je sadržaj, eksploziv i aluminijum, čvrsto povezan filmom polimera.
Tehnološki postupak flegmatizacije heksogena polistirenom [6] isko-rišćen је za proizvodnju trokomponentnih smeša sa različitim sadržajem heksogena i aluminijuma, i konstantnim sadržajem polistirena (5% m/m). Ovakve trokomponentne smeše izrađene su za potrebe dobijanja više-komponentnih livenih aluminijumskih eksploziva na bazi trotila.
Dodavanje aluminijuma u prahu trokomponentnim smešama u toku samog postupka flegmatizacije, bilo da je vezivo vosak ili polimer, pogod-nije je u odnosu na mehaničko, suvo dodavanje metala eksplozivu, uz homogenizaciju mešanjem u rotacionim bubnjevima. Izbegava se stvara-nje metalne prašine, što uvek predstavlja latentnu opasnost od moguće eksplozije i pored izuzetno dobre ventilacije koja u takvim pogonima mora da postoji.
Rad sa aluminijumom ili nekim drugim metalom u prahu koji se do-daje eksplozivu, mora da se prilagodi tehnološkim uslovima koji diktiraju flegmatizaciju, odnosno mora da se izbegne reakcija metala sa vodom, kao u slučaju flegmatizacije voskovima u vrućoj vodenoj suspenziji.
U tehnološkom postupku flegmatizacije eksploziva polistirenom, uz dodatak aluminijuma, pasivizacija aluminijuma dodavanjem pufera nije potrebna, jer se tehnološki postupak flegmatizacije sa polistirenom izvodi na hladno, bez grejanja sistema. Aluminijum sa hladnom vodom praktič-no ne reaguje, odnosno reakcija je toliko slaba da je zanemarljiva.
Postupak se zasniva na sledećim operacijama: prvo se u nepolar-nom rastvaraču, trihloretilenu, rastvara polistiren [6] i u taj rastvor se do-daje aluminijum. Rastvor polimera sa dodatim aluminijumom u prahu do-zira se vodenoj suspenziji eksploziva koja se prethodno homogenizuje mešanjem. Oko granula aluminijuma u kontaktu sa vodom stvara se film rastvorenog polimera čiji je rastvarač nemešljiv sa vodom, te se na taj način granule aluminijuma fizički pasiviziraju, što je poželjno bez obzira na to što je reakcija na sobnoj temperaturi između aluminijuma i vode ve-oma spora. Očvršćavanje, odnosno izdvajanje polimera iz sistema i for-miranje granula trojne smeše (flegmatizacija) vrši se dodavanjem neras-tvarača za polimer - etil alkohola uz pogodno mešanje sistema, čime se reguliše oblik i veličina granula. Sistem se ne greje, ceo postupak granu-lisanja odvija se na sobnoj temperaturi. Posle završetka dodavanja etil alkohola, u sistemu se odvajaju dve faze: čvrsta faza od granulisanog fleg-matizovanog heksogena i aluminijuma i tečna faza u kojoj je smeša vode, rastvarača i etil alkohola. Odvajanje čvrste faze, granulisanog tro-komponentnog proizvoda, vrši se ceđenjem smeše na vakuum nučevi-ma, a zatim sušenjem na 60oC u parnim sušnicama.
Šematski prikaz tehnološkog postupka dobijanja trokomponentnih smeša prikazan je na sici 2.
Slika 2 - Šema tehnološkog postupka dobijanja trokomponentnih granulisanih smeša
RDX/Al/PS
Ovakav „hladni" postupak flegmatizacije polimerom ima prednosti u od-nosu na tehnološki postupak u kojem se granulacija smeše vrši destilacijom rastvarača pod smanjenim pritiskom, jer nema utroška energije, a koristi se jednostavna tehnološka oprema: sud za flegmatizaciju i mešalica.
Koristeći utvrđene parametre za tehnološki postupak flegmatizacije [6] izvršeno je istovremeno prekrivanje aluminijuma i heksogena polistirenom.
U tabeli 1 prikazan je granulometrijski sastav korišćenog heksogena.
Tabela 1
Granulometrijski sastav kristalnog heksogena
Eksploziv heksogen Ostaje masenih % na sitima otvora u pm Prolazi kroz sito otvora 53 pm
840 600 500 300 200 180 150 125 100 90 53
0 3,0 7,7 14,4 11,6 4,8 5,2 13,5 9,3 5,4 10,3 14,8
Iz tabele se vidi da je raspon granulacija u opsegu 600^m do 53^m, a da kroz sito od 53^m prolazi samo 14,8%. Raspodela granulacije je pogodna za flegmatizaciju.
U tabeli 2 prikazan je sastav trokomponentne smeše sa različitim sa-držajem aluminijuma, koji je urađen u laboratorijskim uslovima posle su-šenja trokomponentne smeše na temperaturi 60оС.
77
Anđelković-Lukić, M., Trokomponentne granulisane smeše na bazi heksogena, aluminijuma i polistirena kao flegmatizatora, str. 73-80
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09
Sastav dobijenih trokomponentnih granulisanih smeša
Tabela 2
Nominalni sastav smeše, RDX/ PS /Al Zapreminska masa (g/cm3) Sadržaj flegmatizatora (% m/m) Sadržaj aluminijuma (% m/m) Sadržaj heksogena (% m/m)
85/ 5/ 10 650 5,2 10 84,8
80/ 5/ 15 820 4,9 14,8 80,4
75/ 5/ 20 940 5,3 20,2 71,0
70/ 5/ 25 973 4,87 24,5 70,6
Za trokomponentne granulisane smeše korišćen je aluminijum čistoće 99,98% [6] u obliku granula. Brzina detonacije sastava prikazanih u tabeli 2 određena je metodom elektronskog brojača, a rezultati su prikazani u tabeli 3.
Tabela 3
Brzina detonacije trokomponentnih granulisanih smeša
No Naziv Heksogen (%) m/m PS (%) m/m Aluminijum (%) m/m Gustina (g/cm3) Brzina detonacije (m/s)
1 RDX/PS/Al-10 85 5 10 1,50 6416
2 RDX/PS/Al-15 80 5 15 1,65 7440
3 RDX/PS/Al-15 80 5 15 1,70 7733
4 RDX/PS/Al-15 80 5 15 1,78 7800
5 RDX/PS/Al-25 75 5 20 1,75 7650
6 RDX/PS/Al-25 75 5 20 1,80 7720
7 RDX/PS/Al-25 70 5 25 1,88 7560
Rezultati brzine detonacije, prikazani u tabeli 2, približno su isti u od-nosu na flegmatizovane sastave vosak/heksogen/aluminijum (tab. 4), ali prednost sastava na bazi polimera PS kao flegmatizatora je u tome što je temperatura topljenja PS veća u odnosu na vosak i mogu se koristiti u sredinama sa povećanom radnom temperaturom [7].
Tabela 4
Upoređenje brzine detonacije heksogena na bazi voska i aluminijuma u prahu i voska
No Naziv Heksogen (%) m/m Vosak (%)m/m Aluminijum (%) Gustina (g/cm3) Brzina detonacije (m/s) Literatura
1 Heksal-15 80 5 15 1,78 7910 [7]
2 Heksal-20 75 5 20 1,75 1,80 7678 7811 [7]
3 Heksal-30 65 5 30 1,88 7559 [7]
4 FH-5 95 5 - 1,67 8244 [7]
Upoređujući vrednosti brzine detonacije trokomponentnih smeša sa brzinama detonacije dvokomponentnih smeša (tabela 4, No 4) kojima je flegmatizator vosak bez dodatka aluminijuma, vidi se da su brzine deto-
<ZT>
nacije dvokomponentnih sastava veće u odnosu na brzine detonacije tro-komponentnih smeša sa voskom i polistirenom, čak i za manje gustine.
Ova razlika je posledica prisustva aluminijuma koji prilikom detonacije oslobađa veliku količinu gasova, pri čemu troši određenu energiju na račun energije detonacije. Ovi sastavi imaju veća fugasna dejstva, odno-sno veća rušilačka dejstva, a flegmatizator ima temperaturu topljenja iz-nad 100oC, tako da se mogu koristiti i kao privredni eksplozivi za specijal-ne namene, na primer za proizvodnju sekača ili metaka za naftne bušoti-ne. Takođe, mogu se koristiti za livene smeše sa trotilom za specijalne namene, pri čemu se dobijaju odlivci izuzetnih mehaničkih karakteristika.
Zaključak
Tehnološki postupak dobijanja trokomponentnih granulisanih smeša, u kojima se kao flegmatizator koristi polimeran materijal, polistiren, ima određenih prednosti u odnosu na postupak flegmatizacije voskovima, jer se izvodi na temperaturi ambijenta, usled čega praktično ne dolazi do re-akcije aluminijuma i vode.
Flegmatizacija se odvija tako što se rastvor polistirena u nepolarnom rastvaraču, kojem je posle rastvaranja dodat aluminijum, dodaje hladnoj vodenoj suspenziji kristalnog heksogena.
Taloženje polimera na granulama vrši se dodavanjem nerastvarača etil alkohola u sistem, u kojem dolazi do separacije čvrste faze - trokomponentnih granula i tečne faze - smeše vode, rastvarača i etil alkohola. Sistem se ne greje, ceo postupak granulisanja se odvija na temperaturi ambijenta uz primenu jednostavne tehnološke opreme: suda za flegmati-zaciju i mešalice.
Dobijeni proizvod je pravilno granulisan, sa ravnomerno raspodelje-nim aluminijumom. Brzine detonacije su u skladu sa gustinom i sadrža-jem aluminijuma. Može se primenjivati u livenim eksplozivnim smešama sa trotilom.
Literatura
[1] Koch, E. C., Metal/Fluorocarbon Pyrolants: v. Theoretical Evaluation of the Combustion Performance of Metal/Fluorocarbon Pyrolants based on Strained Fluorocarbons, Propellants, Explosives, Pyrothecnics, vol 29, No 1, (p. 9-18), 2004.
[2] Kala, P. C. R., Aarun, K. S. and another, Studies on n-Butyl Ni-troxyethylnitramine (n-Butena):Syinthesis, Characterization and Propellant Evaluation, Propellants, Explosives, Pyrothecnics, vol.29, No. 2, (p. 93-98), 2004.
[3] Belami, A., J., King, D. S. and another, Synthesis of Energetic polyimers by the Introduction of Energetic Groups onto Polymeric Primary and Secondary Amines, Propellants, Explosives, Pyrothecnics, Vol. 29. No 3, (p. 163-177), 2004.
Anđelković-Lukić, M., Trokomponentne granulisane smeše na bazi heksogena, aluminijuma i polistirena kao flegmatizatora, str. 73-80
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09
[4] US Patent 6843868 - ‘’Propellants and explosives with flouro-organic additives to improve energy release efficiency”, 2005
[5] Dobratz, B. M., LLNL Explosives Handbook, UCRL 5297, Livermore 1981.
[6] Anđelković-Lukić, M., Flegmatizacija heksogena polistirenom i polikar-bonatom, magistarski rad, Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd, 1983.
[7] Anđelković-Lukić, M., Granulisani brizantni eksplozivi, Kumulativna na-učno-tehnička informacija, Vojnotehnički institut Beograd, 2000.
[8] Anđelković-Lukić, M., Primena i laboracija granulisanih brizantnih eks-ploziva, Kumulativna naučno-tehnička informacija, Vojnotehnički institut, Beograd, 2003.
THREE-COMPONENT GRANULAR MIXTURES ON THE BASIS OF HEXOGEN, ALUMINIUM AND POLYSTIRENE AS A BINDER
Summary:
The characteristics of three-component RDX/PS/Al mixtures have been described s well as the method for their preparation. Polystirene as a binder is a thermostable polymer with satisfactory characteristics for bonding explosives. The constant content of 5% m/m PS was applied for diferents contents of hexogen and aluminium. The content of Al in the mixtures was 10, 15, and 20% m/m. The composition of the bonded explosives was examined as well as the detonation velocity of these mixtures.
Key words: Three-component mixtures, hexogen, polystirene, aluminium, detonation velocity.
Datum prijema članka: 22. 07. 2008.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 21. 12. 2008.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 12. 01.2009.
<jT)
