Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Стабилизация нитратцеллюлозных порохов. Учебное пособие.pdf
X
- •Министерство образования и науки России
- •«Казанский национальный исследовательский
- •технологический университет»
- •А.В. Косточко, Н.М. Ляпин, З.Т. Валишина
- •Учебное пособие
- •Казань
- •Издательство КНИТУ
- •где νо– удельный объем газов при нормальных условиях:
- •(р=1 атм; Т=273 К).
- •С другой стороны:
- •где П – произведение; сi - концентрации реагирующих веществ;
- •За константу скорости сложного процесса разложения прини-
- •(7.5)
- •Таблица 7.1
- •кослойной хроматографии;
- •Е= , (7.6)
- •Уравнение Аррениуса в координатах lgК ÷1/Т графически
- •Таблица 7.2
- •Комплекс лабораторных испытаний пироксилиновых порохов
- •Таблица 7.3.
- •Алгоритм плановых испытаний пироксилиновых порохов
- •7.1. Оценка сроков хранения порохов по тепловому
- •старению с использованием эквивалентной температуры
- •(метод Т.Н.Яковлева)
- •βT= , (7.10)
- •Вся система этих уравнений объединяется в одно
- •. (7.12)
- •(7. 13)
- •Откуда
- •Или, заменяя интервальную формулу обозначения времени получим зависимость
- •Вывод формулы.
- •2. Суммарная степень разложения за год:
- •5. Перегруппировав члены уравнения, получим
- •Далее логарифмируем
- •В табл.7.4. приведены параметры уравнения Аррениуса для некоторых ВВ.
- •Таблица 7.4
- •7.2. Оценка сроков хранения по тепловому старению
- •7.3. Критерии сохраняемости порохов
- •тановлению ГСХ материала (изделия):
- •Варианты хранения материалов:
- •7.4. Прогнозирование влияния процессов массопереноса
- •(7.33)
- •, (7.34)
- •7.5. Основные принципы моделирования климатических
- •и эксплуатационных воздействий
- •Существуют два принципа моделирования климатических и эксплуатационных воздействий.
- •=1 или =1 (7.35)
- •Из предыдущих формул выводится уравнение Бейли, предло-
- •(7.36)
- •=1; (7.37)
- •=1 (7.38)
- •=1 (7.39)
- •) (7.40)
- •Также известно уравнение для эквивалентной температуры хранения
- •(7.41)
- •7.6. Обоснование уровней снижения эксплуатационных
- •боеприпасов в пределах назначенного срока службы
- •Сроком сохраняемости (СС) называется календарная продол-
- •Р=1 – m/n, (7.43)
- •Анализ данных табл.7.6.1 показывает, что при эксплуатации порохов в течение 50 лет запас химической стойкости (ЗХС) и содержание СХС снижаются незнечительно и не достигают пре-
- •дельно допустимых значений. Исходя из этого факта, установить
- •Результаты лабораторных испытаний пироксилиновых
- •Таблица 7.6.
- •Анализ данных табл.7.6. позволяет предположить
- •Рис.7.4. Зависимости запаса химической стойкости (ЗХС) и
- •содержания СХС порохов рецептуры НБ от сроков их хранения
- •Совокупность этих изменений определяет изменение баллис-
- •7.7. Методы ускоренных испытаний
- •, (7.44)
- •(7.45)
- •цесса имеет вид:
- •(7.46)
- •, (7.47)
- •(7.48)
- •(7.49)
- •; (7.50)
- •(7.51)
- •n= (7.55)
- •где Рmp– требуемое по ТЗ нижнее значение вероятности сохранения работоспособного состояния изделия (нижняя доверительная граница; γо – односторонняя доверительная вероятность (по ТЗ) (табл.7.7).
- •Количество проверок работоспособности изделий
- •, (7.56)
- •= (7.57)
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •1. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ.- М.:Наука,1960.-354с.
- •6. Храпковский Г.М. Изучение десорбции кислоты в процессе стабилизации нитратов целлюлозы/Г.М.Храпковский, Ш.М.Рахманкулов, Г.К.Ахмадеева,Г.Г.Гарифзянов// 1 Всесоюзн. конф. по ионной хроматографии ( тез докл.).-М.:1089.-С,47.
- •7. Шитова Т.С. Изучение механизма и свойств продуктов превращения метилцентралита в процессе старения порохов./ Т.С.Шитова, Г.Ф.Белобородова , В.Ф. Сопин [и др.] //ВСМ. Сер А.-1983.-Вып. 10.- С.23-25.
- •13.Лурье Б.А. Гидролитическое разложение нитроцеллюлозы/ Б.А.Лурье, З.Т.Валишина, Б.С.Светлов/ Кинетика и механизм химических реакций в твердом теле.: сб. материалов Х Всесоюзн. совещан.-Черноголовка, 1989.-Т.1.-С.59.
- •21. Светлов Б.С. Термический распад нитроэфиров.: дис. д-ра. хим. наук/ МХТИ им. Д.И.Менделеева.- М., 1970.- 360 с.
- •22. Панина Е.А. Изучение кинетики термического распада нитроцеллюлозы в широком интервале изменения содержания азота / Е.А. Панина, В.А. Рафеев, Т.В. Сорокина, Ю.И. Рубцов //Изв. АНСССР.Сер. хим. 1990.–№ 7.– С. 1273- 1279.
- •29. Манелис Г.Б. Кинетика термического разложения пироксилина /Г.Б.Манелис, Ю.И.Рубцов, Л.П.Смирнов [и др.] /Кинетика и катализ, 1962.-Т.3.-№ 1.-С.42.
- •49. Косточко А.В., Казбан Б.М. Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства. Казань.: КГТУ, 2011.- 367с.
- •52. Беляева С.В. [ и др.] // Заводская лабор.-1981.-№ 7.-С.19-20.
- •54. Клименко Г.К.Термическая стабильность взрывчатых веществ.-М.:ЦНИИНТИ, 1972.- 230 с.
- •55. Adsersen B.V. Оценка метода определения разложения НЦ путем измерения вязкости//Propellants and Explosives Laboratorie.-1961.-Rounl Danis Navy, Copenhagen.

чем образцы, прошедшие полный цикл стабилизации.
Соответственно, энергия активации начальной стадии разложения (≈100 кДж/моль) образцов НЦ после стабилизации в слабокислой среде значительно меньше, чем при термораспаде НЦ,
прошедшей полный цикл стабилизации, и близка к энергии активации процессов кислотного гидролиза нитроэфиров и гидролиза НЦ изначально в нейтральной среде [34]. Очевидно, что при
наличии остаточной кислотности, после стабилизации в слабокислой среде образцы НЦ распадаются исключительно по схеме
кислотного гидролиза. При гидролизе жидких нитроэфиров в
избытке нитроэфира скорость образования HNO3 подчиняется
уравнению:
d[HNO3] / dτ = К1[HNO3] (3.2)
Закономерности гидролиза нитроэфиров в присутствии H2SO4
аналогичны, то есть также зависят от кислотности среды [41].
Для НЦ с высокой степенью замещения характерны более
высокие значения констант гидролиза в присутствии серной
кислоты, чем для нитроэфиров: для тринитрата глицерина в 1020 раз, для 1,2-пропиленгликольдинитрата в 70-150 раз, а для
1,3-пропиленгликольдинитрата – около трех порядков. Повидимому, увеличение скорости гидролиза НЦ высоких
степеней замещения и нитроэфиров с соседним расположением
нитратных групп связано с их взаимным влиянием. При прочих
равных условиях, образцы НЦ из ЦА, РБ разлагаются быстрее,
чем образцы их ХЦ.
Последующая обработка образцов в слабощелочной среде существенно снижает скорость термического разложения очищенных образцов НЦ, что связано со значительным уменьшением
содержания в образцах серной кислоты. В этом случае вместо
кислотно-катализируемого гидролитического распада все больший вклад в величину эффективной энергии активации начальной (некаталитической) стадии разложения начинает оказывать
более медленный гидролиз в нейтральной среде и, возможно, ра-
51

дикальный распад вторичной нитратной группы, то есть отрыв
●
NO
при С2. Кинетика разложения при этом описывается урав-
2
нением автокатализа первого порядка.
На заключительной стадии стабилизации технических
образцов НЦ (после измельчения) процесс термического распада
на начальных стадиях удовлетворительно описывается
уравнением первого порядка.
Существенно, что разложение нитро- и сульфоэфиров целлюлозы не является единственной причиной снижения термической
стабильности НЦ. Скорость термического разложения НЦ может
существенно изменяться и в тех случаях, когда серная кислота в
образцах уже практически отсутствует. Отрицательное влияние
на химическую стойкость технических образцов НЦ могут оказывать примеси нитратов гемицеллюлоз, содержащих значительную долю нестойких окисленных группировок различной природы. Такую же роль могут играть концевые группы макромолекул
НЦ и дефектные звенья макроцепи [41].
Таким образом, стабилизация НЦ в процессе их производства
может рассматриваться как характерный пример применения
управляемого процесса старения НЦ для кондиционирования
качества различных марок НЦ по показателям вязкости (ММ) и
степени замещения. Одновременно в процессе стабилизации
осуществляется снижение зольности НЦ, что важно при
изготовлении специальных марок коллоксилинов [43].
Деструкция целлюлозы с разрывом С1-О-С4 связей является
основным процессом, ведущим к снижению степени полимеризациии при нитрации целлюлозы. Константа скорости деструкции макромолекул НЦ может быть вычислена на основе известного выражения [40]:
где СП
n,t
, СП
1/ СП
– среднечисленная степень полимеризации ис-
n,о
– 1/ СП
n,t
= kt (3.3)
n,о
ходного и деструктрованного образцов.
52

Интересно отметить, что содержание нестойких порохов под
слоем воды предлагается как способ безопасного временного
хранения их до переработки.
4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РАСПАДА
НИТРАТОВ СПИРТОВ, ПОЛИОЛОВ И
ГИДРОКСИЛСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРОВ
Для нитратсодержащих полимеров: нитратов целлюлозы, поливинилнитрата, полиглицидилнитрата, полимеров на основе винилового эфира мононитрата этиленгликоля моно- и биснитроксиметилоксетанов и т.п., характерны недостатки, свойственные
полимерам вообще, так и недостатки, свойственные нитроэфирам, то есть при старении нитратсодержащих полимеров
наблюдается и деструкция полимерной цепи, и термогидролитический распад нитратных групп, и следующие за ним самоускоряющиеся реакции деструктивного окисления глюкопиранозных
циклов. При этом ухудшаются энергетические и эксплуатационные характеристики полимеров, материалов и изделий на их
основе. Ситуация усугубляется тем, что термогидролитическое
разложение нитратных групп энергетических компонентов по
мере протекания приобретает автокаталитический характер,
ведущий к нагреву, самовоспламенению, а в определенных
условиях к взрыву. Не менее опасна термогидролитическая
деструкция полимерной цепи и глюкопиранозных звеньев
нитратов целлюлозы, приводящая к снижению механической
прочности пороховых элементов и аномальному
функционированию пороховых зарядов при выстреле.
Таким образом, старение нитратов целлюлозы
сопровождается тепловыми эффектами, газовыделением,
изменениями остаточной кислотности и влажности материала,
физико-механических свойств, молекулярной массы состава и
структуры полимера и пористости материала.
53

Процесс старения НЦ, НЦ-материалов и, в частности, нитрат-
целлюлозных порохов протекает в твердой фазе, на границе раздела твердой и газовой фаз, включая капиллярно-пористое
пространство НЦ-материалов, а также в газовой фазе. В газовой
фазе могут генерироваться реакционно способные молекулы,
способные ускорять процесс распада НЦ, например, окись азота
окисляется до двуокиси, а из двуокиси азота, воды и кислорода
образуется азотная кислота.
В естественных условиях (при умеренной влажности и нормальной температуре) процессы старения нитратцеллюлозных
порохов протекают слишком медленно для оперативного наблюдения, поэтому при испытаниях стремление ускорить (форсировать) процесс старения целесообразно. Однако важно убедиться
в том, что при естественном старении и старении в условиях
форсирования совокупность элементарных реакций и их соотношение могут быть приняты одинаковыми (или почти одинаковыми), то есть оба процесса остаются в изокинетической области; в
этом случае можно прогнозировать процесс по уравнению
Аррениуса [23, 30-31].
Основными факторами форсирования старения
нитратцеллюлозных порохов являются повышение температуры
выдерживания пороха, влажности среды и концентрации
кислорода в газовой фазе. Уровень температуры должен
обеспечивать довольно быстрое и удобное для контроля
протекание процесса, с одной стороны, и выполнение
требования изокинетичности (Е≈const) с другой. Метод
индикации процесса старения должен быть репрезентативен,
информативен, чувствителен и воспроизводим. Изначально
старение пироксилиновых порохов оценивалось визуально, по
изменению окраски пороховых зерен. Например, дифениламин
(ДФА), который является эффективным стабилизатором
химической стойкости (СХС), одновременно проявляет себя и
как индикатор, меняющий свой цвет в зависимости от степени
изменения пороха. Исходный желтый цвет пороха далее
переходит в темно-зеленый. Так, N-нитрозо ДФА имеет желтый
54

цвет, нитро-ДФА – оранжевый, а продукты окисления ДФА
имеют синюю окраску. Окрашенный таким цветом порох еще
вполне стоек, хотя прочность пороховых элементов уменьшается. Когда цвет пороха из темно-зеленого переходит в краснооранжевый вследствие превращения ДФА в тринитропроизводные, порох становится опасным. Цвет пороха как показатель
весьма субъективен и часто маскируется по различным причинам. В этой связи цвет можно рассматривать только как качественный, настораживающий признак.
К настоящему времени известно более 20 различных методов
оценки химической стойкости, которые можно условно разделить на две группы. По К.К. Андрееву [1], первая группа
методов оценки была разработана во второй половине XIX и
первой половине XX веков (метод Бергмана-Юнга,
метилвиолетовая проба, пробы Вьеля, Абеля, Власова и др.) и
опиралась на технические достижения того времени. Эту группу
методов можно назвать индикаторной, для нее характерна
точечная периодическая качественная или полуколичественная
(индикаторная) оценка изменений нитратцеллюлозных порохов
при их старении по пороговым значениям различных признаков.
По пороговым значениям уровня химической стойкости в
индикаторных пробах является время до появления того или
иного признака недопустимого разложения. Этими признаками
могут быть: изменение цвета индикаторной бумаги, появление
бурых паров, сокращение времени задержки вспышки, потеря
массы навески, выделение газов и т.д.
Вторая группа формировалась во второй половине XX века,
и ее развитие продолжается в направлении повышения чувствительности и снижения инерционности датчиков, автоматизации
методов и многопараметровой оценки процессов. Эта группа базируется на непрерывной количественной регистрации кинетики
протекающих процессов распада и формировании результатов
испытания в режиме реального времени и в форме, пригодной
для проведения расчетов, необходимых для прогнозирования поведения материалов и определения безопасного уровня их при
55

длительном хранении, то есть для запаса химстойкости, сохраняемости и прогнозирования гарантийного срока хранения порохов. Вторую группу методов можно назвать кинетической.
Для ускорения процессов распада нитратцеллюлозных порохов на них обычно воздействуют термически, реже в комплексе
(термически и гидролитически), а также токами высокой частоты, различными видами излучений.
Многочисленные исследования показали, что для контроля
старения нитратцеллюлозных порохов можно использовать:
– визуальные методы (по появлению бурых паров),
– визуально-индикаторные методы (по изменению цвета ин-
дикаторов под действием летучих продуктов распада, ФК-метод);
– гравиметрические методы (по потере веса);
– по газовыделению - манометрические методы, ГЖХ;
– термические или калориметрические методы (по изменению
температуры, задержке температуры вспышки, тепловому эффекту и т.п.);
– по изменению кислотности (электропроводности) материала;
– по изменению молекулярной массы (вязкости растворов)
НЦ в процессе старения;
– по изменению содержания СХС и по продуктам его превращения (ТСХ, ВЖХ);
– комплексные методы.
Существование многих методов и проб для испытания хими-
ческой стойкости нитратцеллюлозных порохов или иных композиционных материалов, содержащих нитраты, и продолжающийся поиск новых методов свидетельствует, прежде всего, о сложности, проблемы.
В разработках современных автоматизированных
кинетических экспресс-методов контроля старения
нитратсодержащих энергетических композиционных материалов
используется один из трех внешних признаков распада:
снижение веса, выделение газообразных продуктов и выделение
56

тепла. Выбор этих параметров определяется возможностями
минимизации пробоподготовки и простотой регистрации
выбранных для наблюдения параметров автоматически в
режиме реального времени.
К настоящему времени созданы автоматизированные
термогравиметры, дифференциальные сканирующие
калориметры, автоматические установки контроля стойкости по
газовыделению (то есть по давлению или составу
газов).Уникальные возможности этих приборов непрерывного
кинетического контроля процессов разложения порохов
позволяют полагать, что именно на этой базе будут развиваться
методы прогнозирования сохраняемости и ГСХ порохов по
результатам форсированного старения.
Однако существуют ограничения и сложности, связанные с
применением метода форсированного старения и средств непрерывного кинетического контроля, а именно:
– форсированное старение нитратсодержащих энергетических
материалов должно проводиться в условиях, изокинетических
процессу их старения при хранении, то есть совокупность элементарных химических реакций при форсированном старении и
хранении должны быть идентичны, это ограничение вынуждает
приближать температуру и влажность среды при форсированном
старении к условиям хранения, увеличивать время термостатирования;
– есть трудности при вычислении эквивалентной
температуры хранения;
– к сожалению, отсутствует строгая корреляция
результатов.
Проблема экстраполяции данных форсированного старения
по индикаторным методам хорошо иллюстрируется рис.4.1.
Видно, что скорость потери веса на различных временных
участках для разных веществ может быть различна и они могут
даже поменяться местами. Этот эффект при индикаторной
(пороговой) оценке позволяет менее стойкое вещество принять
57

за более стойкое и наоборот. И только при наличии кинетической кривой и изокинетического характера процесса в интервале
экстраполяции с температуры форсированного старения на температуру хранения можно корректно оценить запас химической
стойкости.
Рис.4.1. Изменение веса ВВ во времени при термостатировании:
– вес разложившегося ВВ1 к моменту времени t1;
G
1
– вес разложившегося ВВ2 к моменту времени t1
G
2
В связи с тем, что подавляющее количество промышленно
производимых нитратов спиртов и нитратсодержащих полимеров используется для получения бездымных порохов, большинство методов оценки химической стойкости или параметризовано применительно к порохам или специально разрабатывалось
для нужд пороходелия.
Остановимся на конкретных примерах методов оценки химической стойкости нитратов, применявшихся или применяемых в
практике пороходелия:
– проба по потере веса (ГОСТ 7109-54) основана на измерении потери веса навески пороха (10 г) при термостатированиии
(95±0,5оС) в колбе с газоотводным капилляром;
58

– манометрическая проба (проба Обермюллера) основана на
измерении давления газов, выделяемых порохом при разложении в сосуде с постоянным объемом и при постоянной (заданной) температуре, например, при 140оС с интервалом 15 мин;
результаты могут быть искажены за счет присутствия в порохе
летучих компонентов или компонентов, способных разлагаться с
выделением газа, например, в порохах, содержащих
производные дифенилмочевины (централиты), при нагревании в
присутствии влаги образуется в качестве продукта гидролиза углекислый газ;
аналогичные пробы реализованы на автоматизированном ИВК
«Вулкан» при 110 и 125оС;
– индикаторная цветная (лакмусовая) проба или проба Вьеля
(ГОСТ 11857–66), долгое время являвшаяся основной официальной пробой при оценке химстойкости пироксилиновых порохов
и ФЭК-метод.
Лакмусовая проба адекватно отражает характер разложения
порохов в реальных условиях хранения в присутствии небольшого количества влаги (термогидролитический распад
нитратов), а также обладает необходимой чувствительностью, то
есть «чувствует» 1% нестабилизированного пороха в пробе,
имеет простое аппаратурное оформление и, несмотря на
введение в стандарт нового автоматизированного
манометрического метода на ИВК «Вулкан», остается в качестве
резервного метода и метода оценки старых порохов на базах.
В то же время, на примере лакмусовой пробы можно понять
существенные недостатки индикаторных проб:
– проба не дает количественного представления о кинетике
процессов разложения, необходимой для прогнозирования запаса химической стойкости ГСХ;
– проба субъективна, так как оценка степени изменения цвета
лакмусовой бумаги требует большого опыта исполнителя и связана с качеством бумаги;
– отмечена вероятность ложных оценок качества старых порохов и опасности их самовоспламенения в условиях хранения,
59

так как иногда с увеличением срока хранения пороха, по данным
лакмусовой пробы, якобы увеличивается его стойкость.
Отметим, что, как и во всех методах оценки химической стойкости, базирующихся на форсированном старении, в лакмусовой
пробе применяется термостатирование порохов при повышенной
температуре (65,5; 90; 106,5; 125; 134,5оС и т.п.).
В табл.4.1 приведены ориентировочные уровни стойкости
порохов по лакмусовой пробе, соответствующие тому или иному
уровню опасности и полученные при различных температурах
термостатирования путем статистической обработки представительного массива данных испытаний промышленных партий
пироксилиновых порохов.
Полагая, что основными реакциями процесса старения нитратцеллюлозных порохов является термогидролитическое разложение нитратной группы, сопровождающееся газовыделением,
Г.К. Клименко первым из отечественных ученых провел системные исследования старения нитратцеллюлозных порохов манометрическим методом с непрерывной регистрацией кинетики
процесса по давлению и показал, что манометрический метод
наиболее информативен и позволяет отслеживать процесс в режиме реального времени форсированного старения [2,40,45-46].
Также было показано, что граничной мерой разложения
нитратцеллюлозных порохов является 0,5-1%-ный распад
материала, а при более глубокой степени распада не только
вероятно начало самоускоряющегося разложения, но и
существует опасность потери эксплуатационных свойств
(механической прочности, характеристик горения, уязвимости и
т.п.).
В ряде работ [21-30] приводятся в сравнении
экспериментальные данные по кинетике разложения НЦ.
Характерно, что, несмотря на различие методов идентификации,
процессов старения, значение энергии активации распада НЦ в
широком интервале температур изменялось незначительно и в
среднем составляло 42 кДж/моль.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
