Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Стабилизация нитратцеллюлозных порохов. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
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]