CC BY
19
УДК 662.311.11
Нгуен Зюи Туан, Ли Хунг, Денисюк А.П.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НИТРАТОВ КАЛИЯ, ЦЕЗИЯ И СВИНЦА
Нгуен Зюи Туан, аспирант 1-ого курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; email: forget_mta@mail. ru;
Ли Хунг, студент 5 курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе были изучены закономерности горения систем на основе нитратов калия, цезия и свинца. Установлено, что зависимость скорости горения от коэффициента избытка окислителя и(а) для всех образцов имеет экстремальный характер: максимальная скорость горения достигается при а < 1. Все образцы на основе нитратов калия, цезия и свинца имеют сложную зависимость скорости горения от давления в интервале 0,1-18 МПа.
Ключевые слова: скорость горения, системы на основе нитратов калия, цезия и свинца, коэффициент избытка окислителя а.
COMBUSTION REGULARITIES OF THE SYSTEMS ON THE BASIS OF NITRATES OF POTASSIUM, CESIUM AND LEAD
Nguyen Duy Tuan, Ly Hung, Denisyuk A.P.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
In this article the regularities of the combustion of compositions based on potassium, cesium and lead nitrates - were studied. The dependence of burning rate from а for all compositions is extreme: maximum of burning rate on а < 1. All the samples based on the potassium, cesium and lead nitrates have complex pressure dependence of the burning rate.
Keywords: burning rate, systems on the basis of nitrates potassium, cesium, lead, oxidizer excess ratio а.
Известно, что нитраты различных металлов уже давно используются для разработки энергонасыщенных систем различного назначения [1]. Так, KNO3 около 700 лет стал применяться для изготовления дымного пороха, а в настоящее время KNO3 используется как окислитель и аэрозолеобразующий компонент пожаротушащих топлив. Нитраты щелочных и щёлочноземельных металлов широко применяются для производства фейерверочных изделий различных цветов свечения пироэлементов: нитрат бария - зелёный, нитрат стронция - красный, нитрат натрия - жёлтый, нитрат калия - фиолетовый.
Закономерности горения энергонасыщенных составов на основе неорганических нитратов детально изучены только для дымного пороха [2] и для композиций на основе NH4NO3 [3]. Горение аэрозольобразующих составов на основе КК03 изучено в основном при низком давлении [4]. Данные по горению систем на основе других нитратов очень ограничены. Это затрудняет целенаправленный подход к разработке различных высокоэффективных составов, а также обеспечение высокой безопасности их производства и эксплуатации. Поэтому изучение закономерностей горения систем на основе различных нитратов представляет большой практический интерес.
Полученные результаты несомненно важны и для выяснения роли физико-химических свойств нитратов и роли катиона в процессе горения и для установления механизма горения.
Целью данной работы является исследование закономерностей горения систем на основе нитратов калия, цезия и свинца в широком диапазоне давления - от атмосферного до 18 МПа. В качестве горючего связующего образцов использовали фенолформальдегидную смолу,
пластифицированную дибутилфталатом. Для улучшения технологических и физико-механических свойств в их состав вводили фторопласт Ф-4 и стеарат кальция [5] (без этих добавок некоторые образцы даже не могли быть изготовлены). Порошкообразные окислители предварительно высушивались и смешивались с полимером и технологическими добавками, после чего к ним порционно добавлялся пластификатор. Образцы изготавливались с использованием вальцевания и последующего проходного прессования полотна в цилиндры диаметром 7 мм. Размер частиц нитратов цезия и свинца составляет меньше 50 мкм, а нитрата калия 90-160 мкм.
Для всех составов исследовали образцы, отличающиеся соотношением окислителя и горючего, т.е с различным коэффициентом избытка
окислителя а, и соответственно с различной температурой горения. Расчеты показали, что наибольшую температуру горения при а~1 имеют образцы на основе нитрата свинца: например, при атмосферном давлении она равна 2144 К, а для образца на основе нитрата калия и цезия 1732 К и 1574 К соответственно (таблица 1).
Зависимость скорости горения (и) образцов от давления (р) выражали законом горения и=ВрУ.
Рис.1. Зависимость скорости горения от давления образцов на основе различных металлов при а~0,72
Все образцы на основе нитрата калия и образцы на основе нитрата свинца с а<1, четыре состава на основе нитрата цезия (с а от 0,49 до 0,88) горят при атмосферном давлении. При этом скорость горения для образцов на основе нитрата калия и цезия существенно выше (1,0-5,2 мм/с) чем для образцов на основе нитрата свинца (0,7-1,6 мм/с).
Зависимость скорости горения от давления всех образцов на основе нитрата калия имеет два участка (как рисунок 1). На первом участке величина V очень мала (0,06-0,16), а на втором гораздо больше (0,47-
1,56). Три образца на основе нитрата цезия с значением а<0,72 имеют также два участка (как рисунок 1). На первом участке (при давления до 2,26,3 МПа) значение v (0,15-0,22), ниже чем на втором (0,29-0,46), но не столь сильно чем для образцов с нитратом калия. Зависимость и(р) четырёх остальных образцов на основе нитрата цезия имеет только один участок, на котором значение v находится в интервале 0,48-1,10 (таблица 1).
Образцы на основе нитрата свинца с значением а < 1 также имеют два участка на зависимости и(р): на первом величина v равна 0,200,33 (в 2 раза выше чем для образцов на основе нитрата калия). А на втором участке значение v ~ 0,54-0,86. Два образца с нитратом свинца с а >1,0 начинают гореть при давлении 2,1-3,2 МПа, при этом v~1,02.
Зависимость скорости горения от коэффициента а для всех исследованных образцов при всех давлениях имеет экстремальный характер, при этом максимальная скорость горения umax достигается при а меньше 1 (как рисунок 2): для образцов на основе нитрата калия umax при всех давлениях достигается при а~0,72. В работе [4] для образцов для нитрата калия это объясняется тем, что в реакционной зоне к-фазы из-за испарения пластификатора соотношение между горючим и окислителем выше, чем в исходном составе. С учетом этого, как показал расчет без учета пластификатора, максимум скорости будет соответствовать а~1.
Для образцов с нитратом цезия величина umax при давлении до 1 МПа находится при значении а равном 0,6-0,7, а при давлении выше 1 МПа - при значении а~0,72. Для составов на основе нитрата свинца максимум скорости горения при всех давлениях соответствует значению а~0,8.
Таблица 1. Параметры горения образцов на основе нитратов калия, цезия и свинца
Параметры При а ~ 0,4 - 1,0 Образцы на основе
KNO3 CSNO3 Pb(NO3)2
При Р = 0,1 МПа Тг, расч., K 1040-1732 1046-1574 1012-2144
U, мм/с 1,1-5,2 1,0-5,1 0,8-1,6
При Р = 4 МПа Тг, расч., K 1239-2141 1224-1997 1217-2375
U, мм/с 2,1-9,3 2,9-11,3 2,3-7,0
При Р = 10 МПа Тг, расч., K 1297-2243 1282-2110 1281-2440
U, мм/с 3,3-14,2 7,9-16,7 4,2-12,1
Значение v на 1 -ом участке 0,06-0,16 (6 образцов) Др от 0,1-4 до 1,1-8 МПа 0,15-0,22 (3 образца с а < 0,72) Др от 0,1 до 2,2-6,3 МПа 0,20-0,33 (6 образцов с а < 1,0) Др от 0,1 до 0,9-2,0 МПа
Значение v на 2-ом участке 0,47-1,56 0,29-0,46 (для образцов с а < 0,72) 0,48-1,10 (для образцов с а > 0,72) 0,54-0,86 (для образцов с а < 1,0) 1,02-1,03 (для образцов с а > 1,0)
U, мм/с
а 4 as O.tf 0.7 ая аз IjO
a)
Рис.2. Зависимость скорости горения составов
при Р=0,1 МПа (а) i
, мм/с
б)
[а основе различных нитратов от величины а при Р=10 МПа (б)
На основании полученных в данной работе результатов и данных [6] можно заключить, что при горении изученных систем на основе нитратов калия, цезия, свинца и натрия имеются качественно одинаковые закономерности:
- зависимость u(a) имеет экстремальный характер - максимальная скорость горения при всех давлениях достигается при a < 1 (0,6-0,8).
- для большинства исследованных образцов (15 из 20 образцов) на зависимости u(p) имеется 2 участка: в области пониженного давления (первый участок) значение v (0,06-0,3), а на втором участке существенно (в 2-10 раз в зависимости от состава образца) выше (0,3-1,56).
Список литературы
1. Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: Машиностроение, 1973. 281 с.
2. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука, 1967. 227с.
3. Глазкова А.П., Катализ горения взрывчатых веществ. М.: Наука, 1976. 265 с.
4. Денисюк А.П., Русин Д.Л., Нгуен Дык Лонг. Механизм горения пожаротушащих топлив на основе нитрата калия // ДАН. — 2007. — том 414, №. 1. — С. 63-66.
5. Русин Д.Л. Основы комплексного модифицирования полимерных композитов, перерабатываемых проходным прессованием. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. 222 с.
6. Nguyen Duy Tuan, Vladimir A.Sizov, Anatoly P. Denisyuk. Combustion regularities of propellant on the basis of nitrates of various metals // Proceedings of the 21st Seminar on New Trends in Research of Energetic Materials. Ntrem — Pardubice, Czech Republic — 2018 — P. 1112-1116.
