Термо-вакуум-импульсная технология приготовления композиционных энергонасыщенных материалов и изделий. Методические указания

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ТЕРМО-ВАКУУМ-ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2018

1

УДК 66.2-419(07)

ББК35.63я7

Т35

Печатаются по решению методической комиссии инженерного химико-технологического института

Рецензенты: проф. Р. З. Гильманов

доц. А. В. Малыгин

Составители: доц. В. Ф. Мадякин

ст. науч. сотр. С. Ю. Игнатьева доц. Т. Н. Праздникова

Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 44 с.

Рассмотрены технологии приготовления композиционных энергонасыщенных материалов и изделий, изложены краткие сведения о способах смешения, гранулирования, сушки с помощью инновационных импульсных технологий, а также формования и деформации изделий из композиционных энергонасыщенных материалов.

Предназначены для студентов специалитета 18.05.01 «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», бакалавриата 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» и магистратуры 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов».

Подготовлены на кафедре технологии твердых химических веществ.

УДК 66.2-419(07)

ББК35.63я7

2

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПВВпластичное взрывчатое вещество, ЭВВ - эластичное взрывчатое вещество, ВВ - взрывчатые вещества, ЭНМ – энергонасыщенный материал,

КЭМ – композиционный энергонасыщенный материал, ЦК - циануровая кислота БП - баллиститный порох, ПИБ - полиизобутилен,

ПАВ – поверхностно-активное вещество, ЭА – этилацетат, ДНТдинитротолуол, ДБФ – дибутилфталат,

ТВИ – термо – вакуум– импульсный; ТВИС - термо-вакуум-импульсная сушка; КС – конвективная сушка; Ф - обогреваемая форма;

КС+ТВИС – режим термо-вакуум-импульсной сушки, состоящий из конвективного нагрева и вакуумирования

Ф+КС+ТВИС700С(500С) – режим термо-вакуум-импульсной сушки, состоящий из конвективного нагрева при Т=700С (500С) со скоростью подачи теплоносителя 475 л/мин и вакуумирования при давлении 5кПа, в обогреваемой форме Т=700С (500С),

КС+ТВИС70-Ф – режим термо-вакуум-импульсной сушки, состоящий из конвективного нагрева при 700С и вакуумирования при давлении 5кПа, без обогрева формы,

ТВИП +ТВИС (5+5) – режим совмещения термо-вакуум- импульсного прососа в течение 5минут с термо-вакуум-импульсным вакуумированием при давлении 5кПа в течение 5минут,

ТВИП +ТВИС (5+1) – режим совмещения термо-вакуум- импульсного прососа в течение 5минут с термо-вакуум-импульсным вакуумированием при давлении 5кПа в течение 1минуты,

ТВИП – термо-вакуум-импульсный просос горячим теплоносителем в течение 5минут;

РМ – разрывная машина.

3

ВВЕДЕНИЕ

Со временем неиспользованные взрывчатые материалы начинают накапливаться. Тысячи тонн опаснейших веществ и изделий находятся на складах оборонных предприятий. С истечением гарантийного срока хранения у взрывчатых веществ физикохимические и взрывчатые свойства изменяются. Поэтому весьма актуальной стала проблема утилизации боеприпасов.

Однако, уничтожение списанных боеприпасов расценивается как ущерб по крайней мере по двум причинам. Во-первых, материалы, зачастую достаточно ценные – это представляет собой безвозвратные затраты и потери. Во-вторых, утилизация боеприпасов наносит неоценимый вред окружающей среде. Поэтому простое уничтожение списанных боеприпасов нецелесообразно. Гораздо рациональнее подходить к этой проблеме с позиции применения боеприпасов с истекшим сроком хранения в качестве промышленных взрывчатых веществ. Это позволит не только уменьшить запасы устаревших боеприпасов, опасных для хранения и экологически вредных для уничтожения, но также и уменьшит экономические убытки – ресурсы, потраченные на их изготовление.

Утилизированный баллиститный порох БП представляет собой полимер, который можно использовать в качестве связующего при производстве пластичных ВВ (ПВВ). Данное методическое указание предназначено для изучения различных технологий изготовления ПВВ, отработки процесса сушки и ее интенсификации с помощью применения термо-вакуум-импульсной технологии и исследования технологических и эксплуатационных характеристик промышленного ВВ, полученного на основе имитатора БП и наполнителя циануровой кислоты ЦК, имитирующей гексоген.

Применяемые по существующим технологиям производства пластичных ВВ полимеры снижают взрывчатые характеристики энергонасыщенных наполнителей. В настоящее время скопилось большое количество баллиститного пороха БП с истекшим сроком хранения. Применение его в качестве связующего в ПВВ будет способствовать его утилизации при сохранении взрывчатых характеристик наполнителя. Получение ПВВ на основе утилизируемого БП возможно при совмещении водно-эмульсионного и водно-суспензионного способов.

Актуальностью в этом случае является создание безопасного производства за счет проведения процессов в водной среде,

4

увеличение интенсивности технологии получения за счет применения термо-вакуум-импульсной (ТВИ) сушки, снижающей длительность и энергоемкость фазы влагоудаления. ТВИ -установка позволяет обеспечить выпуск высококачественного продукта, отвечающего всем основным предъявляемым требованиям. Оборудование надежно и безопасно в работе, пожаро- и взрывобезопасно, легко обслуживается и отвечает всем экологическим и санитарным нормам. Модульная малогабаритная система позволяет увеличить производительность в 2- 3 раза.

1. ПЛАСТИЧНЫЕ И ЭЛАСТИЧНЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Пластичными называют ВВ, которые способны легко деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил и сохранять возникающие деформации после устранения нагрузок. Другое определение – пластичные ВВ (ПВВ) – это взрывчатые составы, изделия из которых сохраняют заданную форму, но под действием небольшой нагрузки (усилие руки), проявляют склонность

кнеобратимой деформации, т.е. обладают пластичностью.

Всоставе ПВВ содержится полимерное связующее, содержание которого колеблется в зависимости от назначения состава от 3-5% до 30-40%. Пластичность обусловлена присутствием в из составе пластических высокомолекулярных смол, соединений с добавкой минеральных масел, геля, образованного нитроклетчаткой с моно- и динитросоединениями ароматического ряда, уменьшающих трение частиц ВВ друг о друга при деформации изделия. Эти ВВ могут представлять собой суспензии, состоящие из измельченных твердых компонентов ВВ и инертной жидкой основы. Так ранее, ПВВ делились на нитроглицериновые и безнитроглицериновые, первые в военной области не применяются.

Эластичные ВВ (ЭВВ) – это вещества, способные испытывать упругие деформации без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе. Это взрывчатый состав (ВС), изделия из которых способны к полному или частичному восстановлению формы и размеров после снятия деформирующей неразрушающей нагрузки, т.е. обладают эластичностью. Эластичность веществ придается введением

5

в их состав эластичного полимера или эластичной смеси полимеров (10-20% связующего).

При введении в ВВ полимера незначительная его часть тратится на образование адсорбционной пленки на частицах ВВ, а остальная – на образование равномерно распределенного диффузионного слоя между частицами ВВ. Пленка и этот слой изолируют частицы ВВ друг от друга. При действии на ПВВ внешних статических и динамических сил (если их величина не превышает критической), в первую очередь, деформируются пленка и диффузионный слой. Частицы ВВ при этом разрушаются. Напряжения, возникающие в пленке и диффузионном слое полимеров, обычно меньше тех, которые необходимы для разрушения частиц ВВ. Пленка и диффузионный слой являются как бы броней для частиц бризантного ВВ. В качестве имитатора гексогена для лабораторных работ применяется циануровая кислота, свойства которой представлены в таблице 1.

Циануровая кислота малотоксична (ПДК в воде 0,5 мг/см3).

Производные циануровой кислоты более ядовиты.

Область применения ПВВ: изделия различной конфигурации (брикеты, ленты, листы, шнуры), изготовленные методами машинной технологии, так и вручную. ПВВ применяются в инженерных изделиях: противотанковые мины, подрывные изделия, удлиненные изделия для разминирования минных полей, в элементах динамической защиты бронеобъектов от современных средств поражения и т.д., а также и в различных областях промышленности

6

для добычи полезных ископаемых, дробления негабаритов, сварки и резки металлов и т.д. ЭВВ применяются в шнуровых изделиях, в авиабомбах, боевых частях ракет и т.д.

Основные требования к составам:

1.Для ПВВ –пластичность как эксплуатационный и технологический параметр, для ЭВВ – прочность и эластичность (относительное удлинение),

2.способность сохранять форму, стойкость к воде и агрессивным средами, высокая восприимчивость к инициирующему импульсу при минимальном критическом диаметре,

3.высокие детонационные характеристики,

4.безопасность в производстве и обращении,

5.технологичность при снаряжении,

6.химическая и физическая стабильность при длительном хранении (10-15лет), наличие сырьевой базы, совместимость с конструкционными материалами.

1.1. Технологии приготовления пластичных смесевых составов

В настоящее время ПВВ приготовляются методами механического и водно-суспензионного смешения.

При использовании метода механического смешения

производится флегматизация ВВ одним или несколькими инертными компонентами, входящими в рецептуру состава. Связующее готовится путем пластификации полимеров в низкомолекулярных жидких компонентах. Затем в лопастных смесителях при интенсивно механическом перемешивании изготавливается ПВВ. В отечественной промышленности для приготовления пластичных составов ПВВ-5А, ПВВ-7, ПВВ-12с, рецептуры [1] которых представлены в таблице 2, наиболее широко используется метод механического смешения.

7

Метод механического смешения предусматривает следующие основные операции:

1.подготовка компонентов составов, алюминиевого порошка,

2.флегматизация вещества,

3.приготовление связующего,

4.смешение компонентов т.е. получение состава.

Основу метода механического смешения составляет перемешивание кристаллического наполнителя со связующим и модифицированными добавками в смесителях при интенсивном механическом воздействии. Ускорение процесса смешения и снижения энергозатрат достигаются путем пластификации полимеров (предварительного приготовления связующего). При изучении процесса флегматизации наполнителя установлена возможность использования в качестве флегматизатора масла и другие низковязкие компоненты. Эти добавки в количестве 3-10% достаточно равномерно распределяются между частицами наполнителя, заполняя дефекты кристаллов, и по данным микроструктурного анализа прочно удерживаются на их поверхности. Чувствительность к удару снижается до 20-40%, к трению – в 2-3 раза.

Приготовление связующего ПВВ заключается в пластификации полимера низкомолекулярными жидкостями. Кинетика этого процесса и качество связующего зависит от размера частиц полиизобутилена ПИБ, интенсивности обновления их поверхности и температуры процесса.

При смешении участвуют следующие процессы:

-физико-механические – усреднение по компонентному составу, дробление наполнителя,

-физико-химические – пластификация полимера, формирование граничных слоев,

-механохимические – деструкция и сшивка полимеров.

Кинетика этих процессов, наряду рецептурой смеси, определяется интенсивностью тепловых и механических воздействий на нее. Время приготовления компонентов для получения однородной смеси ПВВ не превышает 20минут.

При применении метода водно-суспенионного смешения ВВ флегматизируется водой, связующее приготовляется путем растворения полимера в растворителе. Затем суспензия ВВ, раствора полимера и других компонентов состава смешивается в смесителях реакторного типа. Продукт после отгонки из реактора азеотропной

8

смеси водарастворитель высушивается и поступает на дальнейшую переработку.

Технология механического смешения обеспечивает высокую производительность и не требует больших капитальных затрат на организацию производства, но в то же время обуславливает высокую опасность процесса и не может обеспечить приготовление полимерсодержащих взрывчатых составов с вязкостью более 104-105 Па*с.

Водно-суспензионная технология более безопасна, является достаточно универсальной и позволяет изготавливать как пластичые, так и эластичные составы с массовой долей наполнителя до 95 % с равномерным распределением компонентов по массе. К недостатком следует отнести многостадийность, периодичность, необходимость сушки с последующей гомогенизацией состава [1].

Лабораторная работа 1

Технология приготовления пластичного инертного состава методом механического смешения

Цель работы: освоение технологии получения ПВВ методом механического смешения.

Приборы, приспособления и материалы: полиизобутилен ПИБ,

циануровая кислота ЦК, тальк, обогреваемая агатовая ступка, деревянный шпатель, термостат

Методика приготовления пластичного инертного состава

методом механического смешения

Инертная пластичная смесь состоит:

из ПИБ – 15-20%,

Циануровой кислоты – 80-85%, Талька – 2% сверх 100

Теоретическая плотность твердой части смеси рассчитывается по формуле 1 закону аддитивности [2]:

ρт = 100 / (а1 / ρ1 + а2 / ρ2 + а3 / ρ3 + ……+ аn / ρn), (1)

где а1, а2, а3,……..аn – массовое процентное содержание каждого твердого компонента в смеси, ρ1, ρ2, ρ3,…….ρn – плотность соответствующего твердого компонента.

Полиизобутилен ПИБ поместить в нагретую агатовую ступку и выдержать в ней при температуре 800С в течение 20-30 минут.

9

Небольшими порциями вмешивать в ПИБ наполнитель до однородной массы. Контроль качества готовой смеси осуществляется с помощью оценки ее практической плотности с помощью гидростатического способа.

Определение плотности методом гидростатического взвешивания проводится по результатам двух измерений массы образца. Сначала в воздушной среде, затем в жидкости (воде), с известной собственной плотностью. Небольшой кусочек смеси полученного пластита массой m0 взвешивается на весах в воздушной среде. Затем определяется его масса m1 в дистиллированной воде. Практическая плотность образца методом гидростатического взвешивания вычисляется по формуле 2 [1]:

Задание 1: Рассчитать массы навесок каждого компонента в расчете на 50г смеси

Задание 2: Вычислить теоретическую плотность смеси, используя закон аддитивности.

Задание 3: Определить практическую плотность пластита и сравнить ее с теоретической.

Содержание отчета Отчет должен содержать: наименование и цель работы,

теоретические сведения по теме лабораторной работы. Результаты испытаний и обработка экспериментальных данных, их расчет и анализ, выводы по работе.

Лабораторная работа 2

Технология приготовления пластичного инертного состава водно-эмульсионным и водно-суспензионным способами

Цель работы: освоение технологии получения ПВВ водноэмульсионным и водно-суспензионным способами

Приборы, приспособления и материалы: имитатор утилизируемого баллиститного пороха БП, циануровая кислота ЦК, сухой мездровый клей, декстрин или желатин, ПАВ «fairy», этилацетат ЭА, дистиллированная вода, мешалка, реактор-диспергатор

10