CC BY
23
9
С 1b G X U/ в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №3(108)
УДК 662.1
Д.Л. Русин, H.H. Синявский, М.П. Евланов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПТФЭ
Influence of a degree of dispersiveness and the contents of aluminium powders, and also quantities of PTFE on law of burning of the modelling composites on basis DST-30 and AP is investigated. Assumptions of the mechanism of substantial improvement of dependence of the burning rate from pressure for the modified composites are stated.
Исследовано влияние степени дисперсности и содержания алюминиевых порошков, а также количества ПТФЭ на закономерности горения модельных композитов на основе ДСТ-30 и ПХА. Высказаны предположения о механизме существенного улучшения зависимости скорости горения от давления для модифицированных композитов.
Модифицирование алюминизированных модельных полимерных композитов с помощью политетрафторэтилена (ф-4, ПТФЭ) обусловливает комплексное улучшение технологических и механических характеристик материалов и позволяет перерабатывать их в качественные изделия методом проходного прессования. Известно, что использование указанного модификатора оказывает влияние на закономерности горения различных энергонасыщенных материалов [1-4]. В настоящем сообщении рассматривается влияние рецептурных особенностей алюминизированных композитов на закономерности их горения. Все образцы изготавливались вальцеванием с последующим проходным прессованием.
На установке постоянного давления определяли зависимость скорости горения U от давления Р в атмосфере азота в интервале давлений 0,1-20 МПа, использовали образцы диаметром 7 мм, бронированные с помощью трубок из поливинилхлорида. Профили температур в волне горения образцов получали с помощью вольфрам-рениевых термопар.
Ранее микротермопарным методом установлено [3, 4], что для безметальных образцов на основе различных полимеров температура поверхности горения композитов, модифицированных с помощью ф-4, на 40-140К выше, чем для аналогичных образцов, не содержащих ПТФЭ, а постоянство максимальной температуры сохраняется на расстоянии приблизительно в 2 раза большем, чем для аналогичных образцов без этого модификатора. Температурные профили образцов, модифицированных с помощью ф-4, и немоди-фицированных композитов существенно различаются. Так, для модифицированных образцов характерен значительно (в 1,8-2,6 раза) меньший градиент температур в зоне между температурой поверхности и максимальной температурой горения. Аналогичные результаты получены в настоящей работе для безметальных образцов на основе дивинил-стирольного сополиме-
С Ib б X № в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №3(108)
ра ДСТ-30 и ПХА (рис.1).
Рис. 1. Температурные профили в волне горения модельных безметальных композитов на основе ДСТ-30 при Р=0,15 Мпа: 1 - без модификатора ф-4 (11=2,84 мм/с; Тп = 736К). 2 - содержит 2% ф-4 (11=4,13 мм/с; Тп = 8365).
Рис. 2. Температурные профили в волне горения модельных композитов, содержащих 40% АСД-4, при Р=0,15 Мпа: 1 - без модификатора ф-4 (11=1,05 мм/с). 2 - содержит 2% ф-4 (11=3,60 мм/с)
Важно, что во всех случаях скорости горения модифицированных фторопластом-4 образцов в области малых давлений (0,1-4,0 МПа) до 2 раз превышают таковые композитов, не содержащих ф-4.
Табл. 1 Влияние рецептурных особенностей модельных композитов, содержащих 40% АСД-1, на закономерности их горения
Особенность композита Величины коэффициентов закона горения и=ВРУ при (АР, МПа)
ф-4, % Кат., % В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V
0 0 0,25 0,81
(6,0-15,0)
2 0 2,91 0,11 2,22 -0,25 0,80 0,54
(0,1-0,6) (0,6-4,0) (4,0-15,0)
0 3 5,07 0,26 4,25 0,01
(0,1-0,6) (0,6-15,0)
2 3 4,77 0,15 4,15 -0,005 2,96 0,24
(0,1-0,6) (0,6-4,0) (4,0-15,0)
Электронномикроскопический анализ загашенных поверхностей показал [4], что только при горении композитов, модифицированных ф-4, образующиеся конденсированные остатки представляют собой компактные, прочные углеродистые образования, структурированные объемной сеткой продуктов пиролиза ф-4. Остатки на загашенных поверхностях, образующиеся при горении композитов, не содержащих ф-4, не содержат подобных
С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 3 (108)
структурных образований.
На температурных профилях в волне горения алюминий содержащих композитов, модифицированных ф-4, наблюдается увеличение в 2 раза расстояния от поверхности горения до максимальной температуры по сравнению с аналогичными образцами, не содержащими ф-4 (рис.2). Скорость горения модифицированных образцов в этом случае превышает таковую композитов без ПТФЭ в 3,5 раза.
Табл. 2. Влияние рецептурных особенностей модельных композитов, содержащих 40% АСД-4, на закономерности их горения
Особенность композита Величины коэффициентов закона горения и=ВРУ при (АР, МПа)
Ф-4, % Кат., % В,[ мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V
0 0 1,9 0,36
(0,1-15,0)
2 0 6,12 0,27 4,55 -0,19 0,54 0,91
(0,1-0,6) (0,6-8,0) (8,0-15,0)
0 3 3,85 0,28 3,62 0,09
(0,1-1,0) (1,0-15,0)
2 3 6,93 0,17 6,96 -0,32 3,45 0,17
(0,1-1,0) (1,0-4,0) (4,0-15,0)
Установлено, что различие абсолютных значений скорости горения металлизированных образцов, содержащих ф-4, по сравнению с аналогичными композитами, не содержащими ПТФЭ, может достигать до 5 раз. Важно, что при этом существенно снижается величина V в законе горения (табл. 1-4).
Абсолютные значения скорости горения при прочих равных условиях возрастают с повышением степени дисперсности металлического наполнителя. Например, при Р=5 МПа скорость горения композитов, содержащих АСД-1, АСД-4 и АСД-8, составляет соответственно 1,1; 3,4; 3,6 мм/с. Эффективность модифицирования возрастает с увеличением удельной поверхности алюминиевых наполнителей (сравни данные для композитов с АСД-1, АСД-4 и АСД-8 в табл. 1-4).
В ряд композитов, наряду с модификатором ф-4, был введен железосодержащий катализатор горения. Эффективность модифицирования горения с помощью ф-4 для катализированных образцов, как следует из данных табл. 1-4, оказалась выше, чем для соответствующих пар модельных композитов, не содержащих катализатора горения. Например, для композитов с АСД-8 при Р=0,3 МПа использование 2% ф-4 повышает скорость горения некатализированного образца в 2,4 раза, а для подобного состава с 3% катализатора - в 3,3 раза. Ранее были получены аналогичные результаты по большей эффективности модифицирования горения с помощью ф-4 для композитов на основе нитроцеллюлозы и изопренстирольного сополимера
С Ib б X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №3(108)
ИСТ-30, содержащих катализаторы горения, по сравнению с парами нека-тализированных образцов [4, 5].
Табл. 3. Влияние рецептурных особенностей модельных некатализированных композитов с АСД-4 на закономерности их горения
Особенность композита Величины коэффициентов закона горения и=ВРУ при (АР, МПа)
ф-4, % АСД В, [мм/с *(МПа)~ 1 V В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V
0 40 1,9 0,36
(0,1-1 5,0)
0 30 2,12 0,32 9,47 0,52
(0,1-6,0) (6,0-15,0)
0 20 2,07 0,35 2,24 0,04
(0,1-2,0) (2,0-15,0)
0 10 1,23 0,22 1Д9 -0,23 0,71 0,58
(0,12-1,0) (1,0-2,0) (2,0-15,0)
0 0 0,25 0,81
(6,0-15,0)
2 40 2,91 0,27 4,55 -0,19 0,54 0,91
(0,1-0,6) (0,6-8 ,0) (8,0-15,0)
2 30 3,65 0,19 3,30 -0,16 1Д5 0,43
(0,1-1,0) (1,0-6,0) (6,0-15,0)
2 20 3,71 0,18 2,37 -0,46 1,31 0,34
(0,1-0,5) (0,5-2,0) (2,0-15,0)
2 10 0,25 0,81 1,0 -0,34 0,52 0,58
(0,1-0,5) (0,5-2,0) (2,0-15,0)
2 0 1,05 0,0 0,01 1,91
(8,0-10,0) (10,0-15,0)
Зависимость скорости горения от давления для модифицированных с помощью ф-4 металлизированных композитов имеет существенно более сложный характер по сравнению с аналогичными образцами, не содержащими ф-4. Величина V в законе горения снижается в 10 и более раз в области пониженных давлений (0,1-1,0 МПа), а при дальнейшем увеличении давления этот показатель становится даже отрицательным. В области давлений 6-15 МПа имеет место возрастание зависимости 1ДР) и по величине V модифицированные образцы приближаются к таковым, не содержащим ф-4. С ростом количества ф-4 величина Р, при котором начинается мезоэффект (с отрицательным значением у) смещается в область более низких давлений. Для катализированных образцов, содержащих ф-
С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 3 (108)
4, наблюдается большая устойчивость горения и повышение эффективности действия катализатора горения
Табл. 4. Влияние рецептурных особенностей модельных иекатализированиых композитов с АСД-8 на закономерности их горения
Особен-
ность Величины коэффициентов закона горения U=BPV при (АР, МПа)
композита
ф-4, % Кат, % В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V В, [мм/с *(МПаГ] V
0 0 2,0 0,33
(0,1-12,0)
2 0 3,69 0,14 4,76 -0,05
(0,1-4,0) (4,0-8,0)
0 3 4,03 0,43 3,96 0,14 3,16 0,24
(0,1-2,0) (1,0-6,0) (6,0-15,0)
1 3 6,58 0,09 7,17 -0,05 4,58 0,19
(0,1-2,0) (2,0-6,0) (6,0-15,0)
2 3 7,26 0,08 7,67 -0,12 5,17 0,11
(0,1-1,5) (1,5-5,0) (5,0-15,0)
3 3 7,49 0,03 7,2 -0,15 4,91 0,13
(0,1-1,0) (0,1-4,0) (4,0-15,0)
С увеличением количества ф-4 от 0 до 3% для композитов с АСД-8 возрастает не только скорость горения в области малых давлений, но и снижается величина v, зависимость U(P) становится более сложной в разных диапазонах давлений.
Особенности рассмотренных закономерностей горения композитов, модифицированных с помощью ф-4, вероятно, связаны со следующими процессами:
■ уменьшением агломерации катализаторов горения и металлического наполнителя при горении составов, что повышает полноту горения алюминиевых порошков и увеличивает эффективность действия катализаторов;
■ непосредственным, в качестве окислителя, участием ф-4 в процессе горения металлизированных образцов;
■ формированием структур из нагретых конденсированных продуктов, удерживаемых некоторое время пространственной сеткой продуктов пиролиза волокон и пленок фторопласта, ориентированных в направлении прессования и остающихся над горящей поверхностью, что способствует передаче тепла из зоны пламени в к-фазу;
■ затратами тепла на эндотермическое разложение ПТФЭ.
Библиографические ссылки
1. Rusin D.L. Investigation of the Structural - Mechanical And Ballistic Proper-
9
С lb 6 X И в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 3 (108)
ties of the Pyrotechnic Composites, produced by the through passage pressing / Rusin D.L. et al.//Proceedings of the 34th IAC of ICT, 2003. P. 049-1 -049-14.
2. Русин Д.Л. Основы комплексного модифицирования полимерных композитов, перерабатываемых проходным прессованием:Учебное пособие/ Д.Л. Русин. /РХТУ; М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. 222с.
3. Rusin D.L. Investigation of combustion regularities of PTFE modified composites, produced by the through passage pressing/ Rusin D.L. et al.// Proceedings of the 39th IAC of ICT, 2008. P. 85-1-85-12.
4. Rusin D.L. Laws of Burning of the Composites Containing PTFE, (Vol/YIII)/ Rusin D.L. et al.//Proceedings of the IAS PEP, 2009. V VIII China, 2009. P. 251-258.
УДК: 678.742.2: 621.315.616
С.В. Скрозников, Н.С. Зеленцова, Д.И. Лямкин, А.Н. Жемерикин*, А.В. Кобец*, П.А. Черкашин*, С.В. Черепенников.*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия *000 «Полимерформация», Москва, Россия
ВЛИЯНИЕ РАЗНОТОЛЩИНИОСТИ НА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ИЗ РАДИАЦИОННО СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Influence of cable isolation thickness on the efficiency of radiation sewing was investigated. It was established that sew density and mechanical properties of radiating sewed polyethylene naturally decrease with growth of isolation thickness, that can result to failure of cable product at high temperatures.
Исследовано влияние толщины кабельной изоляции на эффективность сшивания при радиационном облучении. Установлено, что плотность сетки и механические свойства радиационно сшитого полиэтилена закономерно снижаются с ростом толщины изоляции, что может привести к выходу из строя кабельного изделия при высоких температурах.
Известно, что при обработке полимерного материала электронным излучением наибольшие структурные изменения происходят в поверхностных слоях [1]. Это дает основание полагать, что свойства материала при радиационном сшивании могут изменяться по объему и толщине изделия.
При выходе кабеля из экструзионной головки иногда наблюдается явление «нарушения коаксиальности» изоляции по отношению к металлической жиле из-за незначительного «стекания» расплава полимера под действием собственной силы тяжести. Для кабелей типа АИС-50 допускается изменение толщины изоляции в пределах 1,5-2,5 мм.
Целесообразно было выяснить, зависит ли степень сшивания от толщины полиэтиленовой изоляции. С этой целью проведено определение плотности сетки и свойств по окружности изоляции. Образцы для испытаний вырезались вдоль направления расположения металлических жил.
