CC BY
22
УДК 662.352:662.311.11
Шатохин А.А., Денисюк А.П., Сизов В. А., Шепелев ЮГ.
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ КАТАЛИЗАТОРА ГОРЕНИЯ СМЕСЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ
Шатохин Алексей Анатольевич, аспирант I года кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений;
Сизов Владимир Александрович, ассистент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: sizovlad@muctr. ru.
Шепелев Юрий Германович, к.т.н., доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений;
Изучено влияние углеродных материалов - многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) и сажи на эффективность действия катализатора горения смесевой композиции. Показано, что в отличие от МУНТ сажа оказывает слабое влияние на эффективность действия катализатора. Возможно, это связано с тем, что углеродные нанотрубки с катализатором образуют на поверхности горения плотный и развитый каркас, на котором протекают интенсивные каталитические реакции, за счет чего увеличивается поток тепла из газовой фазы в к-фазу.
Ключевые слова: скорость горения, катализ горения, сажа, углеродные нанотрубки.
INFLUENCE OF THE CARBON MATERIALS ON THE CATALYST ACTION EFFICIENCY OF THE PROPELLANT
Shatokhin A.A., Denisyuk A.P., Sizov V.A., Shepelev Yu.G. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Influence of carbon materials - multi-wall carbon nanotubes (MWCNT) and carbon black on the catalyst action efficiency of propellant was studied. It is shown that carbon black has a weak effect on the catalyst action efficiency unlike MWCNT. This can be due to the fact that carbon nanotubes with a catalyst are forming a dense and well-developed carbon frame on the combustion surface, on which intensive catalytic reactions take place, thereby increasing the heat flux from the gas phase to the condensed phase.
Keywords: burning rate, combustion catalysis, carbon black, carbon nanotubes.
Известно, что в катализе горения баллиститных порохов (БП) различной калорийности существенную роль играет сажа [1, 2], которая увеличивает эффективность действия катализаторов, особенно в случае высококалорийных порохов. При этом сажа в индивидуальном виде [3] в количестве до 1,5% лишь слабо увеличивает скорость горения только при низких давлениях (до ~ 4 МПа). При увеличении содержания сажи скорость горения только снижается. Основная роль сажи заключается в том, что она способствует образованию на поверхности горения сажистого каркаса, на котором происходит накопление частиц катализаторов без их агломерации [1, 2]. В [4, 5] были получены данные о том, что многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) обладают более сильным влиянием на эффективность действия катализаторов, чем сажа. Влияние углеродных наноматериалов на эффективность действия катализаторов горения смесевых композиций ранее изучено не было. Возникает вопрос, может ли сажа или МУНТ увеличивать эффективность действия катализатора при горении смесевых систем на основе перхлората аммония (ПХА), механизм горения которых существенно отличается от механизма горения баллиститных порохов. В частности, протяжённость зон горения систем на ПХА значительно (в десятки раз) меньше, чем у БП. Это связано с тем, что
хлорная кислота и оксиды хлора более реакционно способны, чем оксиды азота (при горении БП).
Целью данной работы является выяснение принципиального вопроса о влиянии углеродных материалов на эффективность действия катализатора при горении смесевой системы на основе ПХА. Использовали соединение железа как катализатор и следующие углеродные материалы - МУНТ российского производства марки «Таунит-М» (внешний диаметр 10-30 нм, внутренний диаметр 515 нм, длина не менее 2 мкм) и сажа марки УМ-76 (для сравнения).
В качестве объекта исследования выбрана модельная смесевая композиция, состоящая из 80% перхлората аммония, 18% полимерного связующего, 1,5% фторопласта-4 и 0,5% стеарата кальция. После смешения компонентов масса вальцевалась при 80°С, и затем образцы получали методом проходного прессования. Скорость горения порохов определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~ 15 мм в приборе постоянного давления в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%. Эффективность действия добавок оценивалась величиной
^ = идоб/и0, где идоб - скорость горения образца с добавками, и0 - скорость горения базового образца в диапазоне давления 0,5 - 6 МПа. 22 и 26 -
эффективность действия при давлении 2 и 6 МПа, соответственно.
Полученные результаты по влиянию МУНТ на эффективность действия катализатора представлены на рисунке 1 и в таблице 1. 2,8
Г Т
■
V
и
р , МПа
2,62,42,22,01,8 1,6 1,4
1,20,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Рисунок 1 -Зависимость Ъ от давления образцов топлива АШ-1 с различными добавками: 1 - 2% катализатора; 2 — 2% кат. + 2% МУНТ; 3 - 2% кат. + 3% МУНТ.
Таблица 1 - Параметры горения смесевых композиций с
Добавка V (Др, МПа) Ъ2 Ъ6
Без добавок 0,67 (0,5 - 6) - -
2% кат. 0,56 (0,5 - 6) 1,5 1,3
2% кат. + 2% МУНТ 0,56 (2 - 6) 2,1 1,8
2% кат. + 3% МУНТ 0,52 (1 - 6) 2,5 2,1
Катализатор в индивидуальном виде относительно слабо ускоряет горение модельной композиции, при этом значение Ъ незначительно уменьшается с ростом давления и это приводит к снижению степени V в законе горения и = БрУ от 0,67 до 0,56.
2% МУНТ заметно повышают эффективность действия катализатора, при этом зависимость Ъ(р) проходит через максимум при давлении 2 МПа, выше которого Ъ также уменьшается с ростом давления - значение V уменьшается до 0,56 .
Увеличение содержания МУНТ до 3% значительно сильнее повышает эффективность действия катализатора. Зависимость Ъ(р) проходит через максимум при 1 МПа, после чего с ростом давления снижается - при 1 МПа Ъ = 2,7; а при 6 МПа - 2,1. Это приводит, как и в предыдущих случаях, к снижению показателя V в интервале давления 1 - 6 МПа от 0,67 до 0,52.
Дальнейшее увеличение содержания МУНТ не приводит к увеличению эффективности действия катализатора, к тому же образец становится хрупким и нетехнологичным.
Сравнение влияния МУНТ и сажи УМ-76 на эффективность действия катализатора представлены на рисунке 2 и в таблице 2.
£
3
с
Р, МПа
Рисунок 2 - Влияние 3% углеродных материалов на эффективность действия 2% катализатора при горении смесевой композиции: 1 - без углеродных материалов; 2 -УМ-76; 2 - МУНТ. Таблица 2 - Влияние углеродных материалов на образцы
Углеродный материал V (Др, МПа) Ъ1 Ъ6
Без углеродных материалов 0,56 (1 - 6) 1,6 1,34
3% УМ-76 0,51 (1 - 6) 1,7 1,28
3% МУНТ 0,52 (1 - 6) 2,7 2,1
В отличие от МУНТ сажа оказывает слабое влияние на эффективность действия катализатора. Возможно, это связано с тем, что углеродные нанотрубки с катализатором образуют на поверхности горения плотный и развитый каркас, на котором протекают интенсивные каталитические реакции, за счет чего увеличивается поток тепла из газовой фазы в к-фазу. Такой механизм был ранее предложен для баллиститных порохов [4]. Таким образом, показано, что при горении смесевых композиций углеродные материалы, особенно МУНТ, увеличивают эффективность действия катализатора.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта 021-2018.
Список литературы
1. 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.
2. Денисюк А.П., Демидова Л.А., Галкин В.И. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31,
№ 2. С. 32-40.
3. Денисюк А.П., Е Зо Тве, Сизов В.А. Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха // Вестник Казанского технологического университета.2013.Т.16,№8.с.100-105.
4. Денисюк А.П., Демидова Л.А., Сизов В.А., Меркушкин А.О. Влияние углеродных нанотрубок на закономерности горения низкокалорийных порохов // Горение и взрыв, 2017. Т.10. №1. С. 59-63.
5. Сизов В.А., Денисюк А.П., Нгуен Зюи Туан, Шведова А.В. Влияние углеродных нанотрубок на скорость горения энергонасыщенных материалов // «Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение»: материалы II Международной научно-практической конференции: 15-17 ноября 2017, с. 155-157.
6
0
2
3
4
5
6
