- •4. Термопласты и реактопласты
- •4.1. Предельные полимерные углеводороды алифатического ряда (полиолефины)
- •4.1.1. Полиэтилен
- •4.1.2. Полипропилен
- •4.1.3. Сополимеры на основе этилена и пропилена
- •4.1.4. Высшие полиолефины
- •4.1.5. Полиизобутилен
- •4.1.6. Техника безопасности при работе с полиолефинами
- •4.2. Полистирол и сополимеры на основе стирола
- •4.3. Полимеры на основе производных акриловой и метакриловой кислот (полиакрилаты и полиметакрилаты)
- •4.3.1. Общие свойства полимеров и сополимеров эфиров акриловой и метакриловой кислот
- •4.3.2. Свойства основных полиакрилатов
- •4.4. Полиакриламид, полиакрилонитрил и сополимеры на основе акрилонитрила
- •4.5. Поливинилацетат, поливиниловый спирт, поливинилацетали
- •4.5.1. Поливинилацетат
- •4.5.2. Поливиниловый спирт
- •4.5.3. Поливинилацетали
- •4.6. Хлорсодержащие полимеры
- •4.6.1. Поливинилхлорид
- •4.6.2. Модифицированный поливинилхлорид
- •4.6.3. Сополимеры винилхлорида
- •4.6.4. Гомо- и сополимеры винилиденхлорида
- •4.6.5. Пентапласт
- •4.6.6. Химически модифицированные хлорсодержащие полимеры
- •4.6.7. Техника безопасности при работе с хлорсодержащими полимерами
- •4.7. Фторполимеры
- •4.7.1. Обозначение и номенклатура
- •4.7.2. Общие свойства и применение
- •4.7.3. Свойства отдельных фторопластов
- •4.7.4. Лаки, суспензии и пластизоли
- •4.7.5. Поведение фторполимеров и композиций на их основе при нагревании (термостойкость полимеров)
- •4.7.6. Технологические свойства составов на основе фторполимеров
- •4.7.7. Техника безопасности при переработке и применении галогенсодержащих полимеров
- •4.8. Аминоальдегидные смолы
- •4.8.1. Фенолоальдегидные смолы
- •4.8.2. Фенолофурфурольные смолы
- •4.8.3. Полиформальдегид
- •4.9. Простые и сложные полиэфиры и полиэфирные смолы
- •4.9.1. Полиэфирные смолы
- •4.9.2. Полиалкиленгликольмалеинаты (полималеинаты) и полиалкиленгликольфумараты (полифумараты)
- •4.9.3. Полиэтилентерефталат
- •4.9.4. Поликарбонаты
- •4.9.5. Полиакралаты
- •4.9.6. Полиамиды
- •4.9.7. Ароматические полиамиды
- •4.10. Эфиры целлюлозы
- •4.10.1. Способы получения
- •4.10.2. Общие свойства
- •4.10.3. Свойства основных представителей эфиров целлюлозы
- •4.10.4. Применение нитратов целлюлозы
- •4.10.5. Техника безопасности при получении и переработке эфиров целлюлозы
- •4.11. Полимеры с системой сопряженных связей
4.10.4. Применение нитратов целлюлозы
П и р о к с и л и н о в ы е п о р о х а
Пироксилиновыми называются пороха, изготовленные из нитроцеллюлозы, содержащей более 12% азота, с применением летучего растворителя, который в процессе производства практически полностью удаляется из пороха. Основными компонентами для пироксилиновых порохов являются пироксилины № 1, № 2 или смесевой пироксилин, стабилизаторы нитроцеллюлозы (дифениламин), флегматизаторы (камфара, графит) и пламегасители (сульфат калия, перхлорвиниловая смола и т.д.). Уменьшение времени сгорания пороха достигается за счет получения многоканальных зерен или пластин с малой толщиной горящего свода, а также путем создания пористой структуры зерен. Производство пороха осуществляется по периодической и непрерывной технологиям. В обоих случаях пироксилин с помощью спиртоэфирной смеси переводится в пластическое состояние и на гидравлических или шнек-прессах перерабатывается в шнуры заданного сечения, из которых нарезаются зерна или трубки. После удаления растворителя последние приобретают требуемую плотность и прочность, обеспечивающую их устойчивое и закономерное горение в замкнутом объеме при высоких давлениях. Пироксилиновые пороха используются в качестве метательных зарядов в ствольной артиллерии различного калибра, минометах и стрелковом оружии (винтовках, автоматах, пистолетах и т.д.). Выпускается значительное количество порохов, отличающихся природой, формой и размерами элементов. Для стрелкового оружия применяются в основном мелкозерненые пороха, а для крупнокалиберных орудий – в виде пластинок, ленточек, тонкостенных трубок, цилиндриков с одним или несколькими каналами. Пироксилиновые пороха используются также в охотничьих и спортивных патронах. Пороха для спортивных патронов должны обеспечивать высокую скорость полета дробового заряда (380 м/с), оптимальную кучность и относительно низкое дульное давление (менее 4 МПа). Они выпускаются на основе высокоазотного пироксилина в виде пластин, сфер и одноканальных зерен с повышенной пористостью. Для охотничьих патронов выпускаются зерненые и сферические пороха «Сунар», «Сунар-СФ», «Сунар‑Н», «Лось», пластинчатый «Сокол» и «Сокол‑М» и др. Для спортивных патронов 12 калибра выпускаются зерненые с каналом пороха «Сунар-С» и «Сунар-СВ», которые по своим характеристикам значительно превосходят зарубежные аналоги. Начальная скорость дробового заряда при использовании в охотничьих патронах полиэтиленовых пыжей-контейнеров увеличивается примерно на 10 м/с. Пироксилиновый порох «Сокол» представляет собой пористые пластины прямоугольной формы; он предназначен для снаряжения спортивных патронов 12 калибра с пластмассовой гильзой и охотничьих патронов 12, 16 и 20 калибров с бумажной и пластмассовой гильзами.
Сферические и пористые пороха применяются для винтовочных спортивных патронов кольцевого воспламенения калибра 5,56 «Юниор-С», «Снайпер», «Темп», «Биатлон», «Силуэт» и обеспечивают при малой массе заряда высокую начальную скорость полета пули, стабильные характеристики по разбросу скорости полета пули и давлению пороховых газов, малую градиентность и беспламенность.
Разработан сферический, высокоплотный, быстрогорящий порох для снаряжения строительно-монтажных патронов всех номенклатур К1-К4 и Д1-Д4. Хорошая сыпучесть пороха позволяет производить дозировку на автоматических снаряжательных линиях. Масса заряда для патрона К4 составляет 0,20 г, Д4 – 0,35 г, максимальное давление пороховых газов 196,0 и 215,6 МПа соответственно. Высокая полнота сгорания пороха обеспечивает более 1000 выстрелов без чистки и смазки пистолета.
П о р о х а и т о п л и в а
б а л л и с т и т н о г о т и п а
Пороха и топлива баллиститного типа изготавливаются на основе нитратов целлюлозы и труднолетучего растворителя (пластификатора). Наиболее часто в качестве нитратов целлюлозы используется коллоксилин (50-60%), а труднолетучего растворителя (пластификатора) – нитроглицерин (НГ), динитратдиэтиленгликоль (ДНДЭГ) или их смеси (25-42%). В состав пороха входят также стабилизатор химической стойкости (централит № 2, 2-3%), технологические добавки (например, вазелин), катализаторы и стабилизаторы горения (соли свинца, мел, оксид магния и др.), дополнительные пластификаторы (динитротолуол) и т.д., а в топлива на его основе иногда вводят порошкообразное металлическое горючее. Рецептуры некоторых порохов и топлив приведены в табл. 15.
Таблица 15
Рецептуры некоторых порохов и топлив
Наименование компонентов |
Содержание компонентов, % мас., для порохов марок |
||||
Россия |
США |
Германия |
|||
Н |
НМ-2 |
М-13 |
Тв |
Digl 10/2 |
|
Нитраты целлюлозы с содержанием азота, % мас.: |
|
|
|
|
|
12,0 |
57 |
54 |
– |
– |
– |
12,2 |
– |
– |
– |
55,5 |
– |
12,5 |
– |
– |
57,3 |
– |
60,2 |
Нитроглицерин |
28,0 |
27,0 |
40,0 |
27,5 |
– |
Динитратдиэтиленгликоль |
– |
– |
– |
– |
39,0 |
Динитротолуол |
11,0 |
15,0 |
– |
10,5 |
– |
Стабилизатор химической стойкости |
3,0 |
– |
1,2 |
4,0 |
0,7 |
Графит или сажа |
– |
– |
0,1 |
0,5 |
– |
Оксид магния |
– |
2,0 |
– |
– |
0,1 |
Технологическая добавка |
1,0 |
2,0 |
– |
0,5 |
– |
Прочие вещества |
– |
– |
1,4 |
1,5 |
– |
Для артиллерийских орудий выпускаются пороха в виде тонкостенных трубок, а для ракетных двигателей – топлива в виде шашек цилиндрической формы диаметром до 800 мм с каналом цилиндрической, звездообразной, лучевой и других форм. Плотность пороха и топлив находится в пределах 1540-1620 кг/м3. Они обладают высокой физико-химической стабильностью и имеют гарантийный срок хранения до 20 лет. Единичный импульс топлив колеблется в пределах 200-235 с; по чувствительности к механическим воздействиям они близки к бризантным ВВ типа тротила и скальным аммонитам; устойчиво сгорают параллельными слоями при повышенном давлении, но при воздействии взрывного импульса многие из них могут детонировать, как бризантные ВВ. Взрывчатые характеристики некоторых баллиститных порохов и ВВ приведены в табл. 16.
Таблица 16
Взрывчатые характеристики баллиститных порохов и ВВ
Наименование продукта |
Восприимчивость к детонации |
Удельная теплота взрывчатого превращения, МДж/кг |
Объемная плотность энергии, МДж/м3 |
Скорость детонации, км/с |
Удельный объем газов, м3/кг |
|
dкр, мм |
Ркр, гПа |
|||||
Порох НМФ |
18,0-19,0 |
8,1 |
3,7 |
6,0 |
6,9 |
900 |
Порох РСИ |
3,0-3,3 |
5,1 |
3,7 |
6,0 |
7,0 |
890 |
Порох ИД |
1,5-2,0 |
3,6 |
4,5 |
7,2 |
7,2 |
890 |
Эластит № 1 |
1,8-2,0 |
4,1 |
3,7 |
6,1 |
7,1 |
890 |
Тротил прессованный |
8,0-10,0 |
1,2 |
4,2 |
6,7 |
6,8 |
800 |
Зерногранулит |
50,0 |
1,0 |
4,3 |
3,7 |
5,1 |
895 |
Аммотол |
70,0 |
1,0 |
5,3 |
4,2 |
4,2 |
635 |
Аммонит 6ЖВ |
10,0-13,0 |
1,0 |
4,3 |
5,2 |
4,5 |
895 |
Тротил порошкообразный |
10,0 |
0,8 |
4,2 |
4,2 |
7,0 |
870 |
Баллиститные пороха и композиции на основе баллиститной массы находят широкое применение в народном хозяйстве. Они используются в различных газогенерирующих устройствах, например, в генераторах давления для нефтяных скважин, газогенерирующих патронах для различных средств пожаротушения, системах экстренного запуска дизельных и газотурбинных двигателей, системах экстренного торможения рельсового транспорта, спасения водителей и пассажиров при авариях; установках быстровозводимого перекрытия ствола шахты и т.д. В качестве топлива они применяются в сигнальных и осветительных реактивных патронах различного калибра, противоградовых ракетах типа «Алазань» и «Кристалл», метеорологических ракетах, космических аппаратах, а также для торможения и маневрирования крупнотоннажных морских судов и т.д.
Созданы специальные топлива на баллиститной основе для геофизических твердотопливных МГД-установок, широко используемых для работ по обнаружению месторождений нефти и газа, прогноза землетрясений. Разработаны также составы для тушения пожаров и предотвращения взрывов газовоздушных смесей.
В режиме детонации пороха используются в качестве промышленных ВВ для массовых взрывов на выброс и дробления руд, прокладки траншей при мелиоративных работах, импульсной обработки металлов, резки сложных и громоздких металлоконструкций, сварки разнотипных металлов, синтеза алмазов, корундов, нитридов бора и других сверхтвердых материалов, штамповки взрывом, сейсморазведки и т.д. [35, 71]. На основе нитроцеллюлозы, динитротолуола, централита, дибутилфталата и индустриального масла на ЛНПО «Союз» разработаны состав и изделие «Прометей», которые используются для разжигания костров при неблагоприятных условиях (дождь, ветер, снег).
Т в е р д ы е т о п л и в а
п л а с т и з о л ь н о г о т и п а
Типичное пластизольное твердое топливо на основе нитроцеллюлозы содержит, %: нитроцеллюлозу (N=12,2-12,6%) – 5-20, нитроэфиры – 25-40; десенсибилизаторы – 0-10; стабилизаторы химической стойкости – 0,5-2,0; твердые окислители – 40-50; металлические горючие – 0-20. В качестве пластификаторов в твердых топливах используются нитроглицерин, тринитратпентаэритрит, динитратдиэтиленгликоль и другие; десенсибилизатором нитроглицерина может служить триацетат глицерина, а стабилизаторами – этилцентралит и 2-нитро-дифениламин. Окислителями в топливах являются перхлораты аммония и калия, а высокоэнергетическими добавками – алюминий, бериллий, гидриды металлов. Для пластизольных топлив разработано и освоено производство нитроцеллюлозы с частицами сферической формы диаметром ~ 10 мкм. Температура смешения компонентов твердого топлива составляет менее 290С (во избежание желатинизации и роста вязкости массы). По сравнению с обычными смесевыми твердыми топливами на основе каучуков, твердые топлива пластизольного типа имеют в 10-100 раз меньшую вязкость, что упрощает процесс производства зарядов. Желатинизация топлив осуществляется при температуре 38-600С под давлением в течение нескольких дней.
П и р о т е х н и ч е с к и е с о с т а в ы
Нитраты целлюлозы представляют значительный интерес для использования в качестве термической и технологической основы аэрозолеобразующих, искристо-пламенных составов и составов цветных огней. Для получения цветного дыма используют смесь бездымного пороха ЕС с органическим красителем в соотношении 50:50. Порох ЕС – это частично желатинизированная нитроцеллюлоза с добавлением неорганических нитратов. Он содержит, %: нитроцеллюлозу – 80,4; нитрат калия – 8,0; нитрат бария – 8,0; крахмал – 3,0; дифениламин – 0,6.
За рубежом для разгона демонстраций применяется состав из слезоточивого вещества Cu-ЭС [Cl6H4CH(CN)2] и термической смеси (40% хлората калия, 28% сахара и 32% карбоната магния).
В США запатентован аэрозолеобразующий состав, содержащий, %: AgIО3 – 50-70, алюминий – 0-20, связку – 30 (состоит из нитроцеллюлозы и ТЭНа в соотношении 3:7) [73].
На основе нитратов целлюлозы в России разработаны экологически чистые составы и топлива для воздействия на переохлажденные облака и туманы, составы цветных дымов, инсектицидные, для борьбы с заморозками, генерации серы и сернистого газа и т.д. Они содержат 50-70% нитратов целлюлозы (или смеси нитрата целлюлозы с труднолетучим энергетически насыщенным пластификатором), вещества, определяющие специальный эффект (смесь иодидов серебра и аммония, краситель, инсектицидное возгоняющееся вещество, древесную муку и опилки, серу и т.д.) и добавки.
На кафедре ХТГС КГТУ (КХТИ) разработан принципиально новый тип составов цветных огней названный пиропороховым, в которых нитраты целлюлозы являются технологической и термической основой. Составы отличаются высокой силой света, чистотой цвета пламени, малой дымностью и не требуют специальной оболочки. Первоначально они были разработаны на основе пироксилина под технологию пироксилиновых порохов, в которой исключена фаза вымочки. Учитывая, что при изготовлении пироэлементов из составов цветных огней требования по устойчивости горения при высоких давлениях не предъявляются, возможно изготовление цилиндрических элементов с толщиной свода 8-10 мм. Рецептуры таких составов и их основные характеристики приведены в работах [74-76]. На основе пироксилина разработаны также искристо-форсовые составы и составы периодического излучения. Искристо-форсовые составы при горении образуют форс искр со временем свечения не менее 5 с и цветное пламя (красное, зеленое, желтое, голубое, оранжевое и фиолетовое). Они содержат, %: цветопламенную добавку – 12,0-36,0; алюминий (размер частиц не более 200 мкм) – 10,0-20,0; хлорпарафин (содержание хлора не менее 45%) – 3,0‑14,0; дифениламин – 0,5-1,5; пироксилин – остальное.
Разработаны составы цветных огней и искристо-пламенные составы на баллиститной основе. По технологии баллиститных порохов варка массы осуществляется в воде, поэтому все применяемые компоненты должны быть водонерастворимыми и не взаимодействовать с ней. Рецептуры составов и их светотехнические характеристики приведены в табл. 17 [77-84]. Составы перерабатываются по технологиям баллиститных и сферических порохов, а также пиротехнических составов. Первые четыре состава (табл. 17) могут использоваться в сигнальных и фейерверочных высотных изделиях, остальные – в наземных и высотных фейерверочных изделиях. Технология их приготовления и переработки освоена на ПО «Авангард», а изделий на их основе – на ПО «Сигнал». Пироэлементы на их основе не требуют для воспламенения переходного состава и легко воспламеняются в изделиях типа «Салют» только от воспламенительного состава, нанесенного лаковым методом. Аналогичные композиции разработаны в НПО «Союз», но рецептуры их составов содержат значительное количество компонентов, кроме того, они менее технологичны.
В последние годы под руководством профессора Ф.П.Мадякина разработаны все вышеперечисленные пиротехнические составы на основе утилизируемых баллиститных и пироксилиновых порохов. Мелкозерненые пироксилиновые пороха используются без дополнительной обработки, а крупнозерненые пироксилиновые пороха, баллиститные пороха и топлива баллиститного типа перед употреблением измельчаются до размера частиц менее 800 мкм. Составы на основе утилизируемых порохов могут перерабатываться по пиротехнической технологии, технологиям пироксилиновых или баллиститных порохов.
Таблица 17
Рецептуры и основные характеристики составов цветных огней на баллиститной основе
Наименование компонента и характеристики состава |
Содержание компонентов, %, и значения характеристик для состава огня |
||||||||
красного № 1 |
зеленого |
желтого № 1 |
белого |
лилового |
голубого |
желтого № 2 |
желтого искристо-пламенного |
красного № 2 |
|
Баллиститная основа |
73 |
73 |
78 |
78 |
56 |
56 |
98 |
87 |
92 |
Металлическое горючее |
10 |
10 |
16 |
16 |
16 |
16 |
– |
– |
– |
Цветопламенная добавка |
10 |
10 |
6 |
6 |
14 |
22 |
2 |
5 |
4 |
Усилитель цвета пламени |
7 |
7 |
– |
– |
14 |
6 |
– |
– |
– |
Искрообразователь |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
8 |
4 |
Сила света, кд |
2000 |
2500 |
1500 |
1800 |
1350 |
1920 |
210 |
1150 |
100 |
Скорость горения, мм/с |
1,5 |
1,5 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
1,5 |
0,8 |
1,2 |
0,8 |
Чистота цвета пламени, % |
98 |
86 |
96 |
– |
– |
– |
98 |
96 |
96 |
Д р у г и е о б л а с т и п р и м е н е н и я
Нитраты целлюлозы используются для производства пластичных [85-87], водонаполненных [88-90] и промышленных [91-93] ВВ, сгорающих картузов, запальных трубок, гильз, оболочек [94-99], газогенерирующих составов [100-102], огнепроводного шнура [103] и воспламенительных составов [104]. Имеется значительное количество патентов на изготовление ВВ на основе нитроцеллюлозы. Эфиры целлюлозы широко используются для производства этролов, целлулоида, целлона, нитролинолеума, мастик, нитрокрасок, нитроэмалей и шпатлевок. Вопросы применения нитратов целлюлозы для различных целей рассмотрены в работах [105-106].
