Научная статья на тему 'ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА КАТАЛИЗ ГОРЕНИЯ СРЕДНЕКАЛОРИЙНОГО БАЛЛИСТИТНОГО ТОПЛИВА'

ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА КАТАЛИЗ ГОРЕНИЯ СРЕДНЕКАЛОРИЙНОГО БАЛЛИСТИТНОГО ТОПЛИВА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
53
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ / МАЛОТОКСИЧНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ / КАТАЛИЗ ГОРЕНИЯ / МОДИФИЦИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Сидорова Полина Геннадьевна, Сизов Владимир Александрович, Денисюк Анатолий Петрович

В статье рассмотрено влияние модифицированных углеродных наноматериалов на скорость горения среднекалорийного баллиститного топлива Н в индивидуальном виде, наибольшее влияние оказывают УНТ, модифицированные оксидом марганца. Изучено влияние модифицированных УНТ на скорость горения малотоксичного катализатора горения - салицилата железа, который в индивидуальном виде не оказывает влияния на скорость горения. Наибольшее влияние на эффективность его действия оказывают немодифицированные УНТ - Таунит-МД.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Сидорова Полина Геннадьевна, Сизов Владимир Александрович, Денисюк Анатолий Петрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODIFIED CARBON NANOMATERIALS INFLUENCE ON COMBUSTION CATALYSIS OF MEDIUM-CALORIE DOUBLE-BASED PROPELLANT

The article discusses the effect of modified carbon nanomaterials on the burning rate of medium-calorie double-based propellant as individual, the greatest effect is exerted by CNTs modified with manganese oxide. The modified CNTs effect on the burning rate of a low-toxic combustion catalyst - iron salicylate, which in its individual form does not affect the burning rate - has been studied. The highest influence on the catalyst action efficiency is exerted by unmodified CNTs - Taunit-MD.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА КАТАЛИЗ ГОРЕНИЯ СРЕДНЕКАЛОРИЙНОГО БАЛЛИСТИТНОГО ТОПЛИВА»

УДК 662.352:662.311.11

Сидорова П.Г., Сизов В.А., Денисюк А.П.

ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА КАТАЛИЗ ГОРЕНИЯ СРЕДНЕКАЛОРИЙНОГО БАЛЛИСТИТНОГО ТОПЛИВА

Сидорова Полина Геннадьевна - студентка 5 курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; polinasidorovalol@gmail.com.

Сизов Владимир Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений;

Денисюк Анатолий Петрович - доктор химических наук, профессор кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений;

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

В статье рассмотрено влияние модифицированных углеродных наноматериалов на скорость горения среднекалорийного баллиститного топлива Н в индивидуальном виде, наибольшее влияние оказывают УНТ, модифицированные оксидом марганца. Изучено влияние модифицированных УНТ на скорость горения малотоксичного катализатора горения - салицилата железа, который в индивидуальном виде не оказывает влияния на скорость горения. Наибольшее влияние на эффективность его действия оказывают немодифицированные УНТ - Таунит-МД.

Ключевые слова: углеродные наноматериалы, малотоксичные катализаторы, катализ горения, модифицирование углеродных нанотрубок.

MODIFIED CARBON NANOMATERIALS INFLUENCE ON COMBUSTION CATALYSIS OF MEDIUM-CALORIE DOUBLE-BASED PROPELLANT

Sidorova P.G.1, Sizov V.A.1, Denisyuk A.P.1

1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

The article discusses the effect of modified carbon nanomaterials on the burning rate of medium-calorie double-based propellant as individual, the greatest effect is exerted by CNTs modified with manganese oxide. The modified CNTs effect on the burning rate of a low-toxic combustion catalyst - iron salicylate, which in its individual form does not affect the burning rate - has been studied. The highest influence on the catalyst action efficiency is exerted by unmodified CNTs - Taunit-MD.

Keywords: carbon nanomaterials, burning rate modifiers, low toxicity, combustion catalysis, carbon nanotubes modification.

Введение

Эффективным методом регулирования зависимости скорости горения баллиститных твердых ракетных топлив от давления и температуры является применение комбинированных катализаторов (модификаторов) горения, которые состоят из соединений переходных металлов, например, никеля, свинца и меди [1, 2], чье действие значительно усиливается при добавлении сажи, которая способствует образованию на поверхности горения углеродного каркаса [3]. Однако, эти соединения, особенно соединения свинца, являются экологически вредными и токсичными для человека, так что вопрос об экологически безопасных компонентах твердых ракетных топлив остается одним из актуальных. Перспективным «зеленым» металлом с точки зрения токсикологии является висмут; при этом его соединения сравнительно недороги. Влияние соединений висмута на скорость горения баллиститных топлив изучено в [5-8]. В [6] показано, что в сочетании с сажей мелкодисперсные соединения висмута могут успешно заменить экологически опасные свинецсодержащие катализаторы горения баллиститных топлив. В [7] установлено, что оксиды висмута по своему каталитическому эффекту действуют аналогично

свинецсодержащим катализаторам. В [8] показано, что по своей эффективности действия на скорость горения низкокалорийного баллиститного топлива салицилат висмута уступает салицилатам меди, кобальта и никеля.

В качестве малотоксичных катализаторов можно рассматривать также соединения железа. Механизм действия Бе203 при горении модельного баллиститного топлива (Р/Н = 1) изучен в [9]. Бе203 оказывал влияние на скорость горения только при добавлении сажи.

Роль сажи в составе комбинированного катализатора могут выполнять углеродные нанотрубки (УНТ), которые обладают развитой структурой и исключительно высокой теплопроводностью, в тысячи раз превышающую теплопроводность сажи [10]. УНТ превосходят сажу по эффективности действия катализаторы горения баллиститных топлив низкой [2] и высокой калорийности [11] за счет образования более плотного и разветвленного углеродного каркаса на поверхности горения, покрывающего большую площадь поверхности горения.

Безусловный интерес представляет изучить влияние модифицирования углеродных

наноматериалов оксидами переходных металлов,

такие работы проведены с оксидами меди [12], никеля [13] и других металлов. В данной работе рассматривается влияние модифицированных углеродных наноматералов на скорость горения среднекалорийного баллиститного топлива типа «Н», а также их влияние на эффективность действия малотоксичного катализатора горения - салицилата железа.

Экспериментальная часть

Исследования проводили на среднекалорийном топливе типа «Н» (Ож = 3765 кДж/кг) состава: 57% нитроцеллюлозы (12% К), 28% нитроглицерина, 12% динитротолуола, 2% централита №2 и 1% индустриального масла. Салицилат железа был синтезирован на кафедре ХТВМС. Использовались углеродные нанотрубки «Таунит-МД» (Т-МД) производства ООО «Нанотехцентр» (г. Тамбов). УНТ применяли как в чистом виде, так и модифицированные оксидами переходных металлов -

Мп02 (УНТ/Мп), Ре20з (УНТ/Бе), и смесями оксидов марганца и меди (УНТ/МпСи), а также марганца и никеля (УНТ/Мп№). Было изучено также влияние нанокомпозита графен/Без04, полученного обработкой оксида графена с адсорбированными на нем наночастицами гидроксида железа в сверхкритическом изопропаноле.

Скорость горения определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%. Эффективность действия добавок оценивали величиной

г = идоб/ио, где Идоб и Ио - скорость горения топлива с добавками и без них, соответственно.

В первой серии опытов рассматривается влияние 1,5% углеродных наноматериалов на скорость горения топлива Н (табл. 1).

Таблица 1. Влияние добавок на скорость горения топлива Н

Добавка Закон скорости горения И=Вру (Др = 0,1-12 МПа) И2, мм/с и10, мм/с гю

В V

Без добавок 1,73 0,72 2,8 - 9,1 -

1,5% УНТ/Бе 1,82 0,68 2,9 1,02 8,7 0,96

1,5% Т-МД 2,28 1,41 0,35 (0,1-2) 0,85 (2-12) 3,5 1,3 10,3 1,1

1,5% Графен/Без04 2,38 0,69 3,8 1,4 11,7 1,3

1,5% УНТ/Мп№ 2,66 0,57 3,9 1,4 9,9 1,1

1,5% УНТ/МпСи 2,82 0,57 4,2 1,5 10,5 1,2

1,5% УНТ/Мп 3,08 0,53 4,5 1,6 10,4 1,1

3% УНТ/Мп 3,85 0,56 5,7 2,0 14,0 1,5

УНТ, модифицированные оксидом железа не оказывают влияния на скорость горения баллиститного топлива. Немодифицированные УНТ -Т-МД - увеличивают скорость горения на 30% при 2 МПа. Нанокомпозит графен/Тез04 оказывает несколько большее влияние, чем УНТ/Бе. Наибольшее влияние на скорость горения оказывают 1,5% УНТ/Мп, скорость горения увеличивается в 1,6 раза при 2 МПа, значение и в законе горения снижается от 0,72 до 0,53. С ростом давления эффективность действия всех углеродных материалов падает, при 10 МПа наибольшее влияние оказывает нанокомпозит графен/Бе304, увеличивающий скорость горения на 30%. Эффективность действия модифицированных УНТ/Мп возрастает с увеличением его содержания до 3%, скорость горения увеличивается в 2 раза.

Во второй серии опытов изучено влияние салицилата железа (СЖ) в индивидуальном виде в количестве 3% и в сочетании с 1,5% углеродных материалов на скорость горения топлива Н (рис. 1, табл. 2).

Г

\

к 5 4 ---- ___ --А к_

■—-с р- 3 - )- - - - - - - -

- - - 1,2 - - Р, МПа

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Рис. 1. Влияние 1,5% углеродных наноматериалов на эффективность действия 3% салицилата железа: 1 - УНШв, 2 - без УНТ, 3 - УНТ/Мп№, 4 - УНТ/Мп, 5 - Т-МД.

Таблица 2. Параметры горения топлива Н с салицилатом железа и углеродными материалами

Добавка Закон скорости горения U=Bpv (Ap = 0,1-12 МПа) U2, мм/с Z2 U10, мм/с Z10

B v

Без добавок 1,73 0,72 2,8 - 9,1 -

3% СЖ 2,64 0,50 3,7 1,3 8,3 0,9

3% СЖ + 1,5% УНТ/Fe 2,49 0,52 3,6 1,3 8,2 0,9

3% СЖ + 1,5% УНТ/MnNi 3,72 0,58 5,6 2,0 14,1 1,6

3% СЖ + 1,5% УНТ/Mn 4,36 0,56 6,4 2,3 15,8 1,7

3% СЖ + 1,5% Т-МД 6,01 0,49 8,4 3,0 18,6 2,1

Салицилат железа при 2 МПа в индивидуальном виде оказывает влияние на скорость горения, схожее с действием Т-МД и нанокомпозита графен/Ре3О4. Значение и снижается от 0,72 до 0,50. Добавление к СЖ модифицированных оксидом железа (III) УНТ не оказывает влияния на эффективность действия катализатора. Как было показано в [9], оксид железа ускоряет взаимодействие углерода с NO в зоне над поверхностью горения - С + 2NO = CO2 + N2. При распаде СЖ в газовой зоне образуется мелкодисперсный оксид железа, который вместе с оксидом железа, высаженным на УНТ, затрудняет образование углеродного каркаса, и, следовательно, проявление катализа горения. Добавление УНТ, модифицированных оксидом марганца или его смесью с оксидом никеля позволяет увеличить эффективность действия катализатора - скорость горения увеличивается в 2,3 и 2 раза, соответственно. Наибольшее влияние на эффективность действия СЖ оказывают немодифицированные Т-МД, скорость горения увеличивается в 3 раза при 2 МПа и в 2,1 раза при 10 МПа, значение и снижается от 0,72 до 0,49. Заключение

Модифицирование углеродных материалов, таких как УНТ и графен, представляет интерес, при осаждении оксида марганца и его смесей с оксидом никеля получается увеличить эффективность действия УНТ в индивидуальном виде. Салицилат железа совместно с углеродными нанотрубками может быть эффективным катализатором горения среднекалорийных баллиститных топлив, его применение позволит снизить экологическую вредность при производстве и использовании таких топлив.

Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ

им. Д.И. Менделеева. Номер проекта Т-2020-005.

Список литературы

1. Андросов А.С., Денисюк А.П., Токарев Н.П. О механизме влияния комбинированных свинцово-медных катализаторов на горение порохов // Физика горения и взрыва. 1978. 14(2). - С. 63-66.

2. Киричко В.А., Сизов В.А., Денисюк А.П. Влияние углеродных нанотрубок на эффективность действия катализаторов горения низкокалорийного

пороха // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т.ХХХ. №8. - С.16-20.

3. Денисюк А.П., Демидова Л.А., Галкин В.И. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами // Физика горения и взрыва. 1995. 31(2). - С. 32-40.

4. Pat. US5652409A, 1997.07.29. Bismuth and copper ballistic modifiers for double base propellants // Patent US5652409A. 1997. The United States of America as represented by the Secretary of the Navy, Washington, D.C. / Stephen B. Thompson, John L. Goodwin, Albert T. Camp.

5. Zhao Fengqi Li Shangwen Cai Bingyuan (Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065); Ecologically Safe Bismuth containing Catalysts for solid Rocket Propellants[J] // Chinese Journal Of Explosives & Propellants ;1998-01.

6. Денисюк А. П., Демидова Л. А., Шепелев Ю. Г. и др. Высокоэффективные малотоксичные катализаторы горения баллиститных порохов // Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, № 6. - С. 72-79.

7. Денисюк А.П., Демидова Л.А. Особенности влияния некоторых катализаторов на горение баллиститных порохов // Физика горения и взрыва. 2004. Т.40. №3. - С.69-76.

8. Рукина А.М., Денисюк А.П., Сизов В.А. Влияние малотоксичных катализаторов на закономерности горения низкокалорийного топлива // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т.32. №9. - С.84-86.

9. Головина Л.А., Денисюк А.П., Токарев Н.П., Хубаев В.Г., Хромов В.И. О механизме действия Fe2O3 при горении модельного нитроглицеринового пороха// Физика горения и взрыва. 1981. 16(6). - С. 137-140.

10. S. Berber, Y.-K. Kwon, D. Tomanek. Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes // Physical Review Letters, 2000, Vol.84, Issue 20, pp.46134616.

11. Денисюк А.П., Милёхин Ю.М., Демидова Л.А., Сизов В.А. 2018. Влияние углеродных нанотрубок на закономерности катализа горения пороха // Доклады Академии Наук. 483(6): 628-630.

12. Патент РФ №2698713, 29.08.2019.

13. J. Huang et al. / Biosensors and Bioelectronics, 72 (2015), рр. 332-339.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.