exploders.info - Портал по взрывчатым веществам и пиротехнике
  • Пиротехника
    • Андрей М. Горячельющиеся "полудымные" пороха на эвтектиках АС 2010-03-25 09:33:52
АВТОРИЗАЦИЯ
ЛОГИН:
ПОРОЛЬ:
Автор: Андрей М.
2010-03-25 [#39957]

Горячельющиеся "полудымные" пороха на эвтектиках АС

Форум: Пиротехника

ГОРЯЧЕЛЬЮЩИЕСЯ «полудымные» ПОРОХА и эвтектические монотоплива на основе нитрата аммония В основе горения «полудымного» пороха (ПДП) лежит известный эффект вспышки угля в расплаве селитр. Но приготовить безводные нитратно-угольные суспензии можно. Горячельющиеся высокоплотные заряды ПДП можно разливать на бумаге, потом разламывать тонкие пластины в пороховые элементы. Можно заливать в корпус ракеты, потом формировать канал (вставляем омасленный карандаш). Работоспособность близка к бездымному пороху – по результатам отстрела из ружья. Скорость горения без катализаторов близка к «карамельному» топливу. Добавки сорастворимых перхлоратов (NH4ClO4, КClO4) и, в особенности, добавки катализаторов увеличивают скорость горения в 2-3 раза и более. Найден способ гидрофобизации зарядов. НЕДОСТАТОК: высокая пожароопасность производства. НЕЛЬЗЯ ГОТОВИТЬ БОЛЬШИЕ ОБЪЁМЫ!!! Если перегреть смесь (после добавки горючих компонентов), будет вспышка или тепловой взрыв, можно остаться без глаз!!! Переплавлять готовый ПД тоже нельзя – по этой же причине! Переплавлять можно только сплавы окислителей. Проводить опыты следует с расплавами массой не более 50 г! В отличие от известных рецептур дымного («серного» или «чёрного») пороха в составе ПДП отсутствует сера. В отличие от «бессерного» пороха – 2/3 нитратов металлов (калиевой или натриевой селитр) замещены на нитрат аммония (аммиачную селитру, АС), не дающего твёрдых остатков при сгорании. Дымообразование пороховых композиций невелико, а сила нитратных (неалюминизированных) композиций лишь несколько уступает пироксилиновым порохам, но дешевле на 2 порядка. В отличие от известных смесевых порохов и смесевых твердотопливных композиций, эвтектическая матрица ПДП является «твёрдым раствором»: типа сплав «нитраты + уротропин» или типа «нитраты + порошок углей». ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РЕЦЕПТУР (2003 г): для получения ПДП нужно диспергировать горючее вещество в жидком безводном окислителе. Для этого нужны эвтектики окислительных солей. Например, чистая «аммиачка» (АС) плавится при 169°С. Смесь АС/NaNO3 79/21 – уже при 121°С. А тройная смесь селитр: АС/NaNO3/KNO3 70/20/10 – при 114°С. Вблизи температуры начала кристаллизации в окислительный сплав вводится порошок углей (нагрев убираем!!), суспензия перемешивается и разливается в формы. Добавка угольных порошков – 20% (сверх 100%). Отверждённые нитрато-угольные дисперсии с «нерастворимым» угольным порошком характеризовались лёгкостью воспламенения и неожиданно высокой скоростью сгорания (быстрее, чем порошковые смеси). Полудымный порох нужно «варить», а не «толочь»! БАЗОВЫЙ СПЛАВ НИТРАТНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ: NH4NO3 – 70-75% NaNO3 – 18-20% KNO3 – 7-10% Смесь этих селитр (технические продукты) в данном соотношении существует в виде прозрачного подвижного расплава в области тройной эвтектики с температурой кристаллизации около 114°С. Присутствие калиевой селитры KNO3 существенно увеличивает твёрдость и прочность отверждённых отливок. Приготовление окислительного сплава почти безопасно. Нагревание плава селитр свыше 150-155°С приводит к заметной возгонке (диссоциации) АС. Введение (сверх 100%) в плав воды, эвтектикообразующих горючих аминной природы (карбамид CO(NH2)2, уротропин (СH2)6N4 и т.п.) снижает т-ру кристаллизации окислительного плава и стабилизирует АС, но уменьшает скорость сгорания. Добавка уротропина целесообразна до ~5% (сверх 100%). Карбамид повышает гигроскопичность и флегматизирует ПДП. Введение в тройной плав ~20% NH4ClO4 (или ~15% КClO4 взамен KNO3) снижает температуру кристаллизации окислительного расплава до 102-105°С. Введение литиевой селитры LiNO3 – до 70-75°С. В качестве катализатора для нитрато-угольных композиций сравнительно безопасен MnO2 (добавка 3-5% сверх 100%). В расплав окислителей вначале добавляется измельчённый порошок катализатора, перемешивается, и лишь в самый последний момент (нагрев убираем!) – порошок углей. Добавка активированного угля из аптеки 5-10% (сверх 100%) нужна для загущения «каши». Чем больше активированного угля, тем выше вязкость. При 15% активированного угля состав вообще не течёт. Вместо активированного угля можно использовать древесный. Остальной уголь (10-15%) – это порошок каменного угля. Скорость сгорания нитратно-угольных зарядов в трубке диаметром 20 мм: - без катализатора ~0,5 мм/сек, - добавка 3% MnO2 – 1,4 мм/с. Максимальная скорость сгорания – с добавкой дихроматов калия и аммония (5%), но дихроматы в тройной эвтектике при ~120°С уже начинают разлагаться (плав темнеет), угольные составы могут воспламеняться. С добавкой 5% (NH4)2Cr2O7 горит даже твёрдый сплав КАС (АС/карбамид 80/20). Дихромат растворяется в сплаве АС/карбамид, работать нужно быстро. С добавкой 7-10% (NH4)2Cr2O7 горит даже эвтектика АС/карбамид 55/45 («генератор аммиака»). Без угля заряды ПДП поджигаются плохо, скорость горения уменьшается. Методика приготовления нитрато-угольных композиций ПД (ловкость рук!) 1. Порошки селитр взвешиваются и перемешиваются. Сушить не нужно. АС можно использовать в виде гранул по ГОСТ 2-85 без измельчения. Операция безопасная. 2. Смесь селитр расплавляется до полного растворения гранул АС и кристаллов при температуре расплава до ~150°С. Перемешиваем стеклянным или нержавеющим шпателем. Я использовал электроплиту, которая остывает медленно, «изотермически» и металлическую кружку с теплоизолированной ручкой. При сплавлении селитр «лишняя» влага испаряется. Операция безопасная. 3. Горячий расплав дозируется порциями по 50 г в удобные эмалированные или нержавеющие кружки с теплоизолированными ручками. Операция безопасная. 4. Доза 50 г окислителя вновь разогревается до т-ры, превышающей т-ру расплавления эвтектики (114°С) на 15-20°С, нагреватель отключается, и через некоторое время температура расплава начинает медленно снижаться по мере остывания нагревателя (убедиться с термометром!). Операция безопасная. На этом этапе можно вводить добавку уротропина 3-5% (сверх 100%), сделать выдержку минут 5-10, чтобы уротропин прореагировал с селитрой (прёт аммиак). При этом тем-ра плавления смеси несколько снижается (это хорошо), а в плаве образуются неизвестные энергонасыщенные продукты (тоже хорошо). Не знаю, как насчёт нитраминов, но уротропиновый каркас (CH2)6N4 должен раскрываться (летит аммиак!), а формальдегид должен-таки реагировать с АС, давая алкиламиннитраты. 5. К дозе окислителя 50 г при температуре 130-135°С добавляется порошок MnО2 (1,5 г) и порошки углей (5 г активированного + 5 г каменного). Смесь перемешивается шпателем до однородной вязкой «кашицы». Работать нужно быстро, до начала кристаллизации плава окислителя, можно не снимать ёмкость с остывающего нагревателя (но убедиться заранее с термометром, что нагрева нет!). Операция опасная! Одеть очки! Это, конечно, не «кису» плавить, но более 70 г порций я не делал. Смысла особого нет, а риск локального перегрева возрастает экспоненциально. 6. Готовую смесь в виде чёрной вязкой «кашицы» заливать в заранее подготовленные формы для твердотопливных шашек, металлические трубки, корпус ракеты, или разливать «лужицей» по бумаге. После затвердевания «лужиц», твёрдые пластинчатые отливки можно ломать (плоскогубцами) на мелкие пороховые элементы. Большие твердотопливные элементы отливаются порционно; при этом жидкие порции заряда «сплавляются» с предыдущими. ПРИМЕЧАНИЕ: Нельзя пытаться вновь разогревать угольные композиции! Порох греть нельзя! Повторное осторожное расплавление допускают лишь карбамидсодержащие композиции, или «амматол» без угля! 7. Наконец, гидрофобизация поверхности. Без неё летом за несколько дней ПД отсыреет. Неожиданно эффективной оказалась обработка поверхности зарядов горячим ОТРАБОТАННЫМ моторным маслом. Вероятно, АС взаимодействует с соединениями металлов и присадками в моторной отработке. Образуется гидрофобная поверхность, устойчивая к влаге. Лет 5 назад я долго капал уротропиновые и карбамидные сплавы ПД в стеклянный цилиндр 1 л, заполненный моторной отработкой. Капли тонули, собирались на дне гранулами. Осушал их от масла, рассыпав на газеты. (Пришлось использовать несколько газет.) Эти гранулы (ВВ, кстати) в негерметичной банке лежат до сих пор! Большие заряды можно гидрофобизировать, окуная их в горячую отработку. Или смазывать отработкой горячие поверхности свежих отливок. КОМПОНЕНТЫ, ГОРЕНИЕ… Изучались некоторые закономерности горения отверждённых расплаво- и водо-нитратных композиций с твёрдыми горючими: углём, алюминиевым порошком, ферросилицием, а также с растворимыми горючими: карбамидом, уротропином и нитратом карбамида при давлении 1 атм. в отрезках стальных трубок диаметром 15 и 20 мм и длиной 100 мм («сгоны»). Введение растворимых горючих во всех случаях снижало скорость и интенсивность сгорания зарядов, вплоть до необходимости применения мощного начального теплового импульса (бутановая горелка, таблетка уротропина или пиротехническая шашка-инициатор), катализаторов (хроматы, окислы металлов), или даже специального пространственного стабилизатора горения в виде тонкой спутанной металлической сетки, помещаемой в трубку перед заливкой заряда. В экспериментах использовался порошок угля в форме медицинского «активированного» угля, а также каменный уголь Кузнецкого бассейна с содержанием летучих до 40%, зольностью около 10% и средним размером частиц 50 мкм. Установлено, что порошок активированного угля хорошо впитывает окислительный расплав с эффектом «гомогенного загущения», а частицы каменного угля в незагущённой смеси могут всплывать. По этой же причине невозможно ввести в расплав дисперсную алюминиевую пудру (быть может, пудру нужно обезжирить). В качестве загустителя могут быть использованы некоторые углеводы (напр. ржаная мука) или древесная мука. Основная масса экспериментов проводилась на технологичной смеси активированного и каменного угля 1:1, добавляемой в количестве 20% сверх 100% расплава тройной эвтектики аммиачной, натриевой и калиевой селитр. Этот состав нитрато-угольной матрицы был принят за базовый. Было также установлено, что добавление к окислительному плаву активированного угля свыше 8-10% приводит к чрезмерному «загущению» плава и трудностью изготовления «отливок» унитарного топлива. Горение нитрато-угольных композиций на одном активированном угле вблизи стехиометрии (15% сверх 100%) может протекать в «пульсирующем» режиме со средней скоростью 0,4-0,5 мм/сек, с «хлопками» в газовой фазе, даже если горящая шашка помещается в полузамкнутое пространство (спичечный коробок). Объяснение этому эффекту пока не найдено. Без активированного угля чисто «каменноугольные» заряды сгорают почти беззвучно, с ярким факелом пламени со скоростью до 0,7 мм/сек – даже для составов с 2-3-кратным избытком каменного угля сверх стехиометрии (до 30-50% угля сверх 100%). По-видимому, в состав каменноугольной золы входят достаточно активные катализаторы термолиза селитр. В качестве катализаторов изучались хроматы и дихроматы, соли железа и меди, а также окись железа и двуокись марганца. Наибольшей каталитической активностью обладают дихроматы калия и аммония, введение к-ых в количестве до ~10% увеличивает скорость горения нитрато-угольных композиций до 6-8 мм/сек, но в нитратных расплавах дихроматы слишком неустойчивы. Дихроматы можно добавлять худо-бедно лишь в присутствии растворимых горючих аминной природы (карбамид, уротропин), но для чисто нитрато-угольных композиций дихроматы неприемлемы; были случаи самовоспламенения даже при т-ре 120°С. Для нитрато-угольных композиций наиболее безопасным катализатором оказалась двуокись марганца MnO2 (до 3% MnО2 в плаве). Введение MnO2 увеличивает скорость сгорания нитрато-угольных композиций в железных трубках в 2-3 раза, до 1,4-1,5 мм/сек. Введение порошка алюминия (ПП-1) или ферросилиция (ФС-65) в количестве 10-20% в нитрато-угольную матрицу сильнейшим образом форсирует сгорание, но для поджига требуется более мощный инициатор. В продуктах сгорания металлизированных зарядов содержатся чрезвычайно дисперсные частицы, образующие стойкую взвесь, сохраняющуюся многие часы в неподвижном воздухе. Наибольшую скорость сгорания и энергоотдачу будут иметь алюминизированные композиции с введением в расплавонитратный окислитель перхлоратов. Подобные нитрато-перхлоратные композиции по соотношению стоимости, технологичности и уд.импульсу тяги могут быть конкурентоспособными с существующими смесевыми твердыми ракетными топливами на основе NH4ClO4. При этом в продуктах выброса не будет HCl и хлорорганики, а лишь безопасные хлориды металлов (NaCl, LiCl). С использованием эвтектик решается и проблема полиморфных температурных переходов в кристаллах чистой АС (+320С) с разрушением структуры твердотопливных зарядов. Таким образом, скорость сгорания исходной нитрато-угольной матрицы (~0,5 мм/сек) легко регулируется введением катализаторов или других горючих веществ. Порошки высококалорийных нерастворимых горючих существенно увеличивают скорость горения, а введение растворимых горючих или воды – снижает, вплоть до «отказа» при 1 атм. Композиции АС с сорастворимыми аминами. В экспериментах установлено, что температура воспламенения спичкой стехиометрических расплавов чистой АС с карбамидом (80:20) составляет около 230°С, с уротропином (91:9) – около 190°С, тогда как температура самовоспламенения нитрато-угольных дисперсий – около 160 0С. Введение малых количеств аминов увеличивает термохимстойкость нитрато-угольной матрицы. Композиции чистой АС с нитратом карбамида CO(NH2)2*НNО3 при нагревании свыше 100-110°С вспениваются и разлагаются. Однако, совместное введение уротропина и нитрата карбамида в соотношении 1:2 в нитратный плав взаимно стабилизирует эти вещества, резко снижает температуру застывания и позволяет готовить почти безводные композиции, близкие к стехиометрии и горящие даже без катализатора в металлических трубках. Таким образом, добавка недефицитного «нитрата мочи» может быть целесообразна и в технологии приготовления «аммотропинов». Вероятная рецептура аммотропина с «нитратом мочи» такая (КБ ~ 0): NH4NO3 – 78% (CH2)6N4 – 7% CO(NH2)2*HNO3 – 15% Нитрат карбамида нужно вводить после растворения всего уротропина, при т-ре ниже 110°С. Температура затвердевания смеси должна заметно снизиться – по сравнению с обычным аммотропином, что сделает процесс приготовления более технологичным. Ещё более снизить т-ру кристаллизации можно, если готовить аммотропин не на моноселитре (АС), а на двойной эвтектике АС/NaNO3 80/20. Примерная рецептура с КБ ~ 0 такая: NH4NO3 – 62% NaNO3 – 15% (CH2)6N4 – 8% CO(NH2)2*HNO3 – 15% К сожалению, сделать «сахарный» ПДП не получается – из-за высокой т-ры кристаллизации нитратных эвтектик. Сахароза с АС совместима едва ли при 80°С, растворы темнеют. Здесь нужно снижать температуру, используя какие-то легкоплавкие добавки… Может, сорбит… Ракета на ПДП должна улетать минимум в 2 раза дальше, чем на «карамельке». Хотя температура газов вряд ли сильно изменится (нужно посчитать). Ну, в общем, тема с расплавами окислителей «неисчерпаема, как атом, природа бесконечна»… Всем желаю безопасных и эффектных достижений! =ПиротехЪник, 25.03.2010.

Мне нравится
  • Саньок а зачем на всех пиросайтах писать? 2010-03-25 [#39958]
  • Черепаха Тротила интересный материал :) есть пара вопросиков и мысли 2010-03-25 [#39960]
  • Андрей М. Горячельющиеся "полудымные" пороха на эвтектиках АС 2010-03-25 [#39963]
  • Vandal Считаю своим долгом обосрать всю малину... 2010-03-26 [#39973]
  • Андрей М. Горячельющиеся "полудымные" пороха на эвтектиках АС 2010-03-27 [#39976]
  • Кметь абсолютно ненужный геморой 2010-03-27 [#39980]

© Добрейшей души человеки, 2003-2019

При использовании материалов ресурса ссылка обязательна.