книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

Взависимости от условий технологического процесса можно получать угли с различными свойствами, которые проявляются через изменение скорости горения и воспламенительной способности пороха.

Сера выполняет функцию цементатора и горючего. Она связывает все компоненты дымного пороха и обеспечивает повышение его физико-механических свойств. Кроме того, наличие серы в порохе способствует улучшению его воспламенительной способности.

Вдымные пороха, которые используются для изготовления комплектующих элементов к взрывателям, вводится до 2 % различных добавок (шеллак, канифоль, идитол, смола), снижающих скорость горения пороха.

Дымные пороха в зависимости от размеров зерна, геометрической формы и назначения подразделяют на группы, указанные в табл. 12.

71

Свойства дымного пороха. Дымный порох характеризуется высокой сохраняемостью при нормальных условиях эксплуатации, так как компоненты пороха сами имеют высокую химическую стойкость.

Дымный порох является малогигроскопичным веществом, что обусловлено свойствами компонентов:

–древесный уголь обладает плохой смачиваемостью (гидрофобное вещество);

–калиевая селитра и сера имеют также малую гигроскопичность.

Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С и относительной влажности 80 % гигроскопичность дымного пороха составляет 1,22 %.

Цвет пороховых зерен может изменяться от сине-черного до серовато-черного с металлическим блеском. Интенсивно черный цвет указывает на большое содержание в нем влаги.

С увеличением влажности пороха снижается его воспламенительная способность. При содержании влаги более 2 % порох трудно воспламеняется, а при увлажнении до 15 % вообще теряет способность воспламеняться.

Хороший (сухой) порох имеет достаточную механическую прочность, пороховые зерна не разрушаются между пальцами

ине пачкают рук.

Дымный порох имеет сравнительно высокую температуру вспышки Твсп = 300 °С. Однако он легко воспламеняется от луча пламени и искры. Это обуславливает применение дымного пороха как усилителя начального импульса при воспламенении метательных зарядов.

При горении дымного пороха образуется примерно одинаковое количество по массе газообразных (СО2, СО, СН4, Н2S) продуктов и конденсированных частиц (К2SO3, K2S04,

72

K2S, К2S203; KCNS, С, S). Наличие большого количества в продуктах горения конденсированных частиц обеспечивает надежное воспламенение пороховых элементов и зарядов твердого топлива.

По чувствительности к удару и трению дымный порох превосходит многие взрывчатые вещества. При простреле пулей дымный порох воспламеняется. В малых количествах от внешнего теплового импульса порох сгорает. Большое количество пороха при зажжении взрывается.

Скорость горения дымного пороха в сильной степени зависит от плотности зерен (изделий из пороха) и давления окружающей среды. Плотность дымного пороха изменяется в пределах от 1 000 до 1 900 кг/м3, a гравиметрическая плотность от

0,8 до 1,0 кг/л.

При давлениях окружающей среды до 10 МПа и плотности, равной или более 1 700 кг/м3, порох сгорает параллельными слоями по степенному закону u = u1pν.

В зависимости от плотности образца из дымного пороха 1 700 или 1 900 кг/м3 значение показателя степени υ принимает значения 0.45 ... 0,55 или 0.25 ...0,35 соответственно. С увеличением плотности пороха наблюдается уменьшение линейной скорости горения.

Дымный порох имеет невысокие энергетические и баллистические характеристики:

теплота горения – 2 700 кДж/кг; удельный объем газов – 0,28 м3/кг; температура горения – 2 600 К; сила пороха – 280…300 кДж/кг.

Невысокие энергетические и баллистические характеристики исключают возможность использования дымных порохов для метательных зарядов в современных ствольных системах.

Однако дымный порох широко применяется для изготовления воспламенителей, некоторых детонаторов и огнепроводного («бикфордова») шнура. Им широко пользуются охотники,

73

потому что скорость его горения равномерна и почти не повышается с возрастанием давления и температуры. Это свойство пороха исключает возможность разрыва ружейных стволов. Кроме того, он почти не изменяется при хранении и в сухих помещениях может сохранять свои качества долгие годы. Черный порох незаменим в пиротехнических составах и фейерверках. Нередко он идет в ход и в горном деле. В таком случае он по традиции называется не дымным, а минным (минами всегда называли всякого рода подкопы и подземные галереи, в том числе и шахтные). Минный порох очень удобен на карьерах при добыче дорогого декоративного камня. Ведь мрамор, облицовочный гранит, порфир надо не дробить, как руду, – лишь бы побольше, а откалывать крупными глыбами, чтобы их можно было затем распилить на плиты. Именно так, например, добывается лучший в мире украинский лабрадорит, использованный для облицовки мавзолея Ленина. Тут «маломощность» пороха оборачивается его достоинством, а не недостатком. Так что дымный порох еще рано сдавать в музей. Он еще долго будет метать, дробить и светить, уступая, быть может, во многом всем другим взрывчатым веществам, но показывая им пример универсальности и долголетия...

1.4.5. Пиротехнические составы

Вещества и смеси, дающие при горении световые, тепловые, дымовые и звуковые эффекты, называют пиротехническими составами. Пиротехнические составы применяют для снаряжения боеприпасов или изделий народно-хозяйственного назначения, которые объединяют пиротехнические средства общим наименованием.

Пиротехнические составы в зависимости от назначения разделяют на осветительные, сигнальные, трассирующие, зажигательные, маскирующие дымовые, имитационные.

Общие требования предъявляемые к пиротехническим составам:

74

а) заданный пиротехнический эффект (сигнальный, осветительный, зажигательный и т.д.);

б) минимальная чувствительность к механическим воздействиям и безопасность при изготовлении и применении;

в) достаточная физико-химическая стойкость при длительном хранении;

г) устойчивость по отношению к внешним тепловым воздействиям (невоспламеняемость от попадания искры и т. д.);

д) простота технологического процесса изготовления; е) недефицитность исходных материалов и наличие доста-

точной сырьевой базы.

Основные требования к пиротехническим средствам: а) наличие требуемого пиротехнического эффекта;

б) безопасность при обращении с ними и при их хранении; в) нечувствительность к прострелу пулей; г) неизменяемость пиротехнического эффекта при дли-

тельном хранении средств (порядка нескольких лет): д) простота и безопасность изготовления; е) минимальное взрывное действие.

Пиротехнические составы представляют собой механические смеси; они состоят в основном из окислителей и горючих веществ и содержат добавки, сообщающие составам дополнительные специальные свойства: окрашивают пламя, образуют цветной дым, уменьшают чувствительность состава (флегматизаторы), увеличивают механическую прочность запрессованного состава (связующие) и др. Пиротехнические составы в изделиях должны гореть медленно, равномерно и устойчиво; они должны обладать большой механической прочностью, чтобы при хранении или применении не происходило растрескивания, отколов и других повреждений. Поэтому их уплотняют прессованием, реже шнекованием или заливкой. Однако одним уплотнением достаточная прочность не достигается. Увеличение прочности достигается введением в состав связующих веществ, например, искусственных и естественных смол (идитола, баке-

75

лита, поливинилхлорида, каучука и др.), стеарина, парафина и других органических веществ.

Окислители обеспечивают пиротехнические составы активным кислородом, необходимым для горения смеси. В качестве окислителей применяют нитраты, хлораты, перхлораты, окислы и перекиси металлов и некоторые хлоропроизводные.

Из нитратов чаще всего применяют нитраты бария, калия, натрия, стронция. Из хлоратов применяют соль калия, из перхлоратов применяют соли натрия, калия и аммония. Из кислородных соединений металлов применяют те, которые способны сравнительно легко отдавать кислород: перекись бария ВаO2, двуокись марганца MnO2, двуокись свинца РbO2, сурик Рb3O4, окись-закись железа Fе3O4 (окалина) и окись железа Fe2Оз.

Горючее пиротехнических составов обеспечивает необходимое тепловыделение. В отдельных случаях горючее может выполнять функции связующего (цементатора). В качестве горючих в пиротехнике применяют как неорганические, так и органические вещества.

Из неорганических горючих чаще применяют высококалорийные металлы – алюминиий магний, сплавы алюминия с магнием и др.

К органическим горючим относят углеводороды (бензин, керосин, нефть, мазут, бензол, скипидар и др.), углеводы (крахмал, сахар, древесные опилки и др.) и смолы (бакелит, идитол, олифа). Роль горючих часто выполняют также некоторые дымообразователи, например, нафталин и др. Горючее выбирают

сучетом задачи получения наибольшего специального эффекта, требуемого от данного пиротехнического состава.

Например, в зажигательных, осветительных, трассирующих и фотосоставах наилучший эффект достигается при высокой температуре горения. Поэтому в них применяют горючее

сбольшой теплотворной способностью. Наоборот, в дымовых составах не требуется высокая температура, а нередко она даже нежелательна; в них вводят горючее с малой теплотворной спо-

76

собностью, например, углеводы, древесный уголь, и не применяют (или применяют в очень малом количестве) алюминий и магний.

Вещества, окрашивающие пламя. Соединения стронция окрашивают пламя в красный цвет, соединения бария – в зеленый, соединения меди – в синий. Некоторые соли натрия диссоциируют при температуре 1 000 °С и выше, причем происходит атомарное излучение паров натрия, которое используется для получения желтого пламени.

Цветные дымообразователи. Для получения цветных дымов применяют цветные полупродукты и красители, пере-

ность пиротехнического состава к механическим воздействиям; как правило, они уменьшают также скорость горения. К флегматизаторам относятся смолы, парафин, масла.

Осветительные составы предназначены для освещения местности в ночное время с целью ведения наблюдения и прицельной стрельбы. В качестве осветительных средств используются факелы и звездки, изготовленные из осветительных составов. От факелов и звездок требуется большая сила света. Излучаемый при их горении свет должен обеспечить кроме достаточной четкости наблюдения еще и правильное различение цветов. Последнее возможно, если излучение горящего осветительного состава по спектральному составу близко к таковому солнечного излучения, к которому привык и приспособлен человеческий глаз.

Так как человеческий глаз наиболее чувствителен к желтозеленой части спектра, то осветительные составы подбирают так, чтобы при их горении излучался преимущественно желтый и зеленый свет. Это достигается применением в качестве окислителя нитрата бария, который сравнительно легко разлагается

77

при повышенной температуре. Образующийся при его разложении оксид бария дает сплошной спектр с преобладанием желтозеленой части.

Соли натрия, распадающиеся при горении с выделением атомов натрия, излучающих желтые лучи, увеличивают силу света осветительных составов, содержащих нитрат бария.

Пример осветительного состава: Ba(NO3)2 – окислитель – 68 %, Al – металлическое горючее – 28 %, идитол – цемента-

тор – 4 %.

Фотоосветительные составы и средства служат для не-

продолжительного (десятые, сотые доли секунды), но очень сильного освещения местности, необходимого для проведения аэрофотосъемки в ночное время. Пример фотоосветительного состава: KMnO4 – окислитель – 43 %, Mg - горючее – 57 %.

Трассирующие составы служат для обозначения пути полета пули или снаряда (образование следа, трассы).

Принципы построения трассирующих составов (особенно составов белой трассы) и их свойства весьма близки к таковым осветительных составов. Это вытекает из требований, предъявляемых кним, во многих отношениях совпадающих с требованиями к осветительным составам. Трассирующиесоставыдолжны:

а) при горении выделять максимальное количество световой энергии;

б) гореть с определенной скоростью; в) иметь большую «прочность и допускать прессование под

большим давлением; этим исключается возможность частичного или полного выгорания состава в канале ствола;

г) безотказно воспламеняться от установленного для них воспламенительного состава;

д) оставлять максимально возможное количество шлака в гнезде нули или снаряда. Это необходимо для минимального изменения веса пули или снаряда, влияющего на правильность траектории. Такое требование предъявляют для тех боеприпасов, в которых масса трассирующего состава значительна по сравнению с общим весом.

78

Состав красного огня: Sr(NO3)2 – 60 %, Mg – 30 %, шеллак – 10 %. Красный цвет пламени обеспечивается наличием в составе стронция.

Состав зеленого огня: Ba(NO3)2 – 60 %, Mg – 20 %, хлорорганическое соединение – 10 %, смола – 10 %. Зеленый цвет пламени обеспечивается наличием в составе бария и хлора.

Состав желтого огня: Ba(NO3)2 – 60 %, Mg – 20 %, Na2C2O4 – 15 %, смола – 5 %. Желтый цвет пламени обеспечивается наличием в составе натрия.

Сигнальные средства служат для подачи сигналов, видимых на расстоянии. Они подразделяются на средства ночного и дневного действия.

Сигнальные средства ночного действия дают цветное пламя. Сигнальные средства снаряжаются изделиями (звездками), изготовленными из сигнальных составов. Основное требование к сигнальным составам в отношении характера излучения пламени отличается от соответствующего требования к осветительным составам; излучение должно быть возможно ближе к монохроматическому.

Для получения красной окраски пламени в составы вводят соединения стронция преимущественно в виде углекислых или щавелевокислых солей. Применению хлората стронция препятствуют его гигроскопичность и большая чувствительность к удару и трению изготовленных на его основе составов. В качестве окислителя применяют КСlO3 или КСlO4. При горении таких составов образуется хлористый стронций, который при высокой температуредиссоциирует пореакции2SrCl2 →2SrCl + Cl2.

Монохлорид стронция излучает красные лучи. Пример состава красного огня: КСlO4 – 60 %; SrС2O4 – 25 %, идитол – 15 %.

Для получения зеленого пламени применяли соединения бария, причем наиболее выгоден хлорат бария, являющийся одновременно и окислителем; недостатком составов с хлоратом бария является большая их чувствительность к механическим

79

воздействиям. Поэтому применяют нитратные составы зеленого огня. Примеры двух нитратных составов зеленого огня:

1) нитрат бария–40 %, магний–28 %, гексахлорбензол–

30%; льняное масло–20 %;

2)нитрат бария–59 %; магний–19 %; поливинилхлорид–

22%.

В составах желтого огня в качестве окислителя применяли нитрат натрия, несмотря на его гигроскопичность. Из других окислителей преимущественно используются соли калия. Для получения желтого пламени в составы вводят негигроскопичные и легко диссоциирующие при высокой температуре натрие-

вые соли: Na2C2О4, NaF и некоторые другие. Присутствие калия не ухудшает заметным образом желтую окраску пламени, так как калий дает в пламени сравнительно слабое фиолетовое излучение, которое почти не отражается на чистоте его цвета.

Пример состава желтого огня: КСlO3 – 60 %, Na2C2О4 –

25 %, идитол – 15 %.

Для сигнализации в дневное время применяют составы дневногодействия, дающиепригоренииокрашенные(цветные) дымы.

Дым представляет собой коллоидную систему, состоящую из взвешенных в воздухе (дисперсионной среде) тонко раздробленных твердых частиц (дисперсной фазы). Если дисперсной фазой является жидкое вещество, то систему называют туманом. Применяют окрашенные дымы пяти цветов: красные, желтые, синие, зеленые и черные.

Для получения цветных дымов – красного, желтого, синего, зеленого пользуются цветными полупродуктами и красителями, которые за счет теплоты реакции частично разлагаются, частично возгоняются, переходя в парообразное состояние.

В качестве окислителей в дымовых составах применяют бертолетову соль, режехлоратнатрия, иногдадобавляютнитраты.

Температура горения составов цветных дымов с органическими красящими веществами должна быть достаточной для испарения дымообразователя и в то же время не слишком высо-

80