Bor potasyum nitrat (BKNO3) pirotekniğinin hızlandırılmış yaşlandırma çalışması ile ömrünün belirlenmesi
Lifetime prediction of boron potassium nitrate (BKNO3) pyrotechnic by accelerated aging method
Yazar: AYFER ALTUN
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bor, potasyum nitrat ve bağlayıcı bileşenlerinden oluşan bor potasyum nitrat (BPN) pirotekniği askeri alanlarda pim çekici, roket motor ateşleyicisi, gaz jeneratörü gibi piroteknik sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. BPN pirotekniğinin uzun yıllar depolanması sonucu malzeme yapısında yer alan borun potasyum nitratla tepkimeye girerek bozunmasına bağlı olarak performans çıktılarında düşüş gözlenebilmektedir. Dolayısıyla bu malzemenin performansını kaybetmeyeceği hizmet ömrünün önceden belirlenmesi gerekmektedir. 

Bu tez çalışmasında BPN pirotekniğinin ömrünün belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, öncelikle bağlayıcı varlığının ve bor/potasyum nitrat karışım oranının değiştiği farklı BPN piroteknikleri üretilmiş ve piroteknik içeriğinin pirotekniğin performansı (kalorifik değer) ve bozunma (yaşlanma) kinetiği üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Tüm BPN piroteknikleri için elde edilen performans çıktıları karşılaştırıldığında, BPN içeriğinde bağlayıcı olup olmamasının BPN pirotekniğinin performansı üzerinde etkisinin olmadığı, yakıtça (borca) zengin BPN karışımlarının performanslarının ise yakıt (bor) oranı daha düşük olan BPN karışımlarından biraz daha yüksek olduğu saptanmıştır. Ayrıca tüm BPN piroteknikleri için DSC/DTA analiziyle ASTM E698-11 Standardı (Flynn/Wall/Ozawa Yöntemi) kullanılarak birinci dereceden olduğu kabul edilen bozunma (yaşlanma) kinetiği hız denklemleri sıcaklığa bağlı olarak çıkartılmış ve 25 °C'ta 10 yıl depolanmaları sonucu gerçekleşecek bozunma oranları hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, bağlayıcı olup olmaması ve bor/potasyum karışım oranından bağımsız olarak, tüm BPN pirotekniklerinin 25 ºC'ta 10 yıl depolanması sonucu bozunma oranlarının ihmal edilebilir düzeyde olduğunu göstermiştir.

Tez çalışmasının sonraki aşamasında ise, askeri sistemlerde kullanılmakta olan BPN 1 pirotekniği için hızlandırılmış yaşlandırma çalışması yapılarak, performans göstergesi olarak kalorifik değerindeki değişim incelenmiş ve pirotekniğin ömrü belirlenmiştir. Bu amaçla yaşlandırılmamış BPN 1 pirotekniği için elde edilen, sıcaklığa bağlı bozunma reaksiyonu hız denklemi kullanılarak, ortalama 25 ºC'ta 10, 20 ve 30 yıllık depolanma sürelerindeki bozunma oranlarına hızlandırılmış yaşlandırma sıcaklığı olarak seçilen 50 ºC'ta sırasıyla 8, 16 ve 24 günde ulaşılacağı hesaplanmıştır.  Belirlenen koşullarda gerçekleştirilen hızlandırılmış yaşlandırma çalışmaları sonucunda, yaşlandırılmış BPN 1 numunelerinin kalorifik değerlerinde önemli bir değişim olmadığı görülmüş ve pirotekniğin sızdırmaz koşullarda (nem ve oksijen etkisi olmadan) 25 ºC'ta en az 30 yıl depolama ömrünün olduğu saptanmıştır.


Anahtar Kelimeler: BPN Pirotekniği, Bor Potasyum Nitrat, Bağlayıcı, Bozunma Kinetiği, Hızlandırılmış Yaşlandırma, Ömür Belirleme

Abstract:
Boron Potassium Nitrate (BPN) pyrotechnic, composed of boron, potassium nitrate and binder, is widely used in military applications as retractable actuators, rocket motor igniters and gas generators. After years of storage, boron and potassium nitrate in the composition can react, and composition can degrade resulting in performance loss. As a result, it is essential that the service life in which the performance of the composition will not decrease should be determined. 

In this thesis study, determination of the service life of BPN pyrotechnic is aimed. In this context, firstly different BPN compositions with and without binder, and different boron/potassium nitrate ratios were prepared. Effect of the composition formulation on the pyrotechnic performance (calorific output) and aging kinetic is studied. As the performance result of the compositions compared, it is seen that the existence of binder in the composition has no effect on BPN performance. Moreover fuel (boron) rich BPN compositions showed higher performance than the compositions with relatively lower boron ratio. Furthermore, by using DSC/DTA analysis and ASTM E698-11 Standard (Flynn/Wall/Ozawa Method), decomposition (aging) kinetics which assumed as first order of the all BPN pyrotechnics were determined with respect to temperature, and decomposition ratio of the compositions were calculated and compared for 25 ºC – 10 years storage condition. Results showed that the decomposition ratios of the all the BPN pyrotechnics were negligible regardless of the existence of binder and boron/potassium nitrate ratio of the formulation. 

In the next stage of the thesis, accelerated aging study was performed on the BPN 1 composition which is used in military systems and change in the calorific output was investigated as a performance indicator; and service life was determined. For this purpose, unaged BPN 1 composition's kinetic equation was determined with respect to temperature. With this equation, it is determined that to achieve the decomposition ratios at 25 ºC for 10, 20 and 30 years; accelerated aging at 50 ºC for 8, 16 and 24 days were required. After the aging studies at these conditions, it was seen that there is negligible change in the calorific outputs of the composition and it is concluded that within hermetic conditions (with no oxygen and moisture effect) BPN 1 has a service life of minimum 30 years at 25 ºC. 


Keywords: BPN Pyrotechnic, Boron Potassium Nitrate, Binder, Decomposition Kinetics, Accelerated Aging, Lifetime Prediction