Разработка пластичных взрывчатых составов на основе порошкообразного эластомера

УДК 662.2:662.76

А. С. Сальников, Р. Ш. Гарифуллин, В. Я. Базотов, Н. И.Торуткина, А. А. Мокеев

РАЗРАБОТКА ПЛАСТИЧНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ

ПОРОШКООБРАЗНОГО ЭЛАСТОМЕРА

Ключевые слова: энергонасыщенный материал, пластичный взрывчатый состав, упрочнение металла взрывом,

микроструктура, критический диаметр.

В работе представлен новый пластичный взрывчатый состав для упрочнения металлов взрывом. Отличительной особенностью представленного состава является использование в качестве связующего эластомера в виде порошка с размерами частиц менее 0,5 мм, что позволяет получать пластичные взрывчатые составы по перспективной низкозатратной технологии, а расчётные и экспериментальные исследования, например, критический диаметр, менее 1,2 мм и скорость детонации 7 000 м/с, позволяют рекомендовать данный состав для упрочнения металлов взрывом..

Keywords: high power material, a plastic explosive composition, the hardening of the metal by the explosion, microstructure, critical

diameter.

The paper presents a new plastic explosive composition to harden metals by the explosion. A distinctive feature of the composition is the use as a binder elastomer in powder form with particle sizes less than 0.5 mm, which allows to obtain plastic explosive compositions of the promising low-cost technologies, and computational and experimental studies, for example, a critical diameter less than 1.2 mm and a detonation velocity of 7000 m/s, allow us to recommend the formulation for the hardening of metals by the explosion.

Введение

Промышленные взрывчатые вещества (ВВ) применяются в различных отраслях народного хозяйства. Основным потребителем

промышленных ВВ является горнодобывающая промышленность, в которой в основном используются взрывчатые составы на основе аммиачной селитры [1-3]. Значительное количество промышленных ВВ потребляется внефте- и газодобывающей промышленностях, причем здесь используются энергонасыщенные материалы, функционирующие как в режиме [4-11], так и в режиме детонации [13-15]. Отрасль, связанная с обработкой материалов является особой, поскольку в ней к применяемым промышленным взрывчатым составам предъявляются специальные требования по взрывчатым характеристикам. Например, при получении основы трековых мембран [16,17] или полимерных композиций с волластанитовым наполнителем [18,19] взрывным методом существенную роль играет ограничение по скорости детонации и массе заряда, необходимое для обеспечения целостности матрицы. В металлообрабатывающей промышленности для взрывной штамповки и упрочнения металлов взрывом применяются пластичные взрывчатые составы (ПВС). Повышение требований по прочностным характеристикам к металлическим изделиям делает актуальной задачей разработку новых, эффективных ПВС для упрочнения металлов взрывом.Кроме высоких детонационных характеристик - скорости детонации - на уровне 7000-7900 м/с, давления на фронте ударной волны -более 20 ГПа, ПВС должны обладать физико-механическими характеристиками - высокой плотностью, усадкой не менее 6 %. Также важным требованием является малые значения критической

толщины слоя, т.к. малая толщина заряда позволяет снизить его фугасное действие.

На сегодняшний день для этих целей разработано значительное количество ПВС, однако одним из основных недостатков применяемых ПВС является сложная технология их изготовления, значительные энергозатраты и время технологического цикла, связанная подготовкой связующего. ПВС изготавливают по двум технологиям: механического и водно-суспензионного смешения. Основным недостатком первой является опасность и сложность технологического процесса, второй - значительный расход легколетучего растворителя и связанные с его использованием трудоёмкость и длительность технологического цикла. Применение эластомеров с размером частиц менее 0,5 мм в ПВС позволяет исключить применение растворителя и упростить технологию изготовления таких составов.

В связи с этим целью данной работы являлась разработка нового, эффективного ПВС и технологии его получения.

Исследовательская часть

На основе результатов выбора природы пластификатора и математического планирования эксперимента с использованием симплекс-решетчатых планов Шеффе для практического применения рекомендована рецептура, содержащая %мас.: RDX - 82, порошкообразный каучук, дибутилфталат - 12 [20].Расчетным путем по методике, описанной в работе [21], определили основные характеристики разрабатываемого ПВС. Результаты представлены в табл. 1.

Результаты расчетов подтверждают возможность применения разработанного состава в технологиях штамповки и упрочнения металлов. На следующем

этапе изучены критерии химической совместимости компонентов.

Таблица 1-Расчетные характеристики ПВС

ксх, % 82

ДБФ, % 12

Порошкообразный каучук, % 6

Плотность, г/см3 1,5816

Скорость детонации, м/с 7748,7

Давление на фронте ударной волны, ГПа 23

Скорость продуктов детонации, м/с 1862,7

Плотность продуктов детонации, г/см3 2,08

Скорость звука в продуктах детонации, м/с 5886

Теплота взрыва, кДж/кг 4421

Объем газообразных продуктов взрыва, л/кг 881

Совместимость компонентов и химическую стойкость определяли методами дифференциально-сканирующей калориметрии и термоволюмометрии соответственно. Результаты исследований показали, что компоненты совместимы, состав имеет химическую стойкость 25 мм.рт.ст. при термостатировании в течение 6 часов.

Приготовление состава проводили методом механического смешения в обогреваемой ступке. С целью повышения безопасности процесса изготовления, RDX предварительно обрабатывался всей расчетной навеской пластификатора, затем в нее вводили каучук в виде порошка с размерами частиц менее 0,5 мм для равномерного распределения компонентов проводили вальцевание состава при температуре 80°С. Для придания формы состав перерабатывали методом прессования, которое осуществляли с использованием пресс-инструмента, имеющего внутренний диаметр матрицы 15 мм при удельном давлении прессования 1500 кгс/см2. После запрессовки снимались шлифы с полученных образцов и изучались равномерность распределения компонентов состава и его микроструктура методом оптической микроскопии (рис. 1). Из рисунка видно, что кристаллический наполнитель RDX равномерно распределен в полимерной матрице, расстояние между частицами не превышает 60 мкм.

Усадка ПВС, замеренная на консистометре Хеплера, составила 8 %.

Определение скорости детонации проводили методом электроконтактных датчиков с использованием современного измерительного комплекса, описанного в работе [22]. При практической плотности 1,50 скорость детонации составила 6772 м/с, а при 1,54 г/см3- 7214 м/с. Расхождение с расчетными данными при пересчете скорости детонации на плотности 1,50 г/см3 и 1,54 г/см3составляет не более 2 %.

Определение критической толщины слоя проводили методом плоских зарядов. Размеры плоского заряда подбирали с таким расчетом, чтобы её ширина Ь составляла не менее трёх толщин Добр, а длина 1 каждой ступени пластины не менее десяти

толщин (рис. 2). Критическая толщина слоя составила 1,2 мм.

I

141 I 3*

Рис. 1 - Микроструктура пластичного взрывчатого состава

1 -плоский заряд ПВС, 2 - промежуточный заряд, 3 -дополнительный заряд, 4 - ЭД-8, 5 - пластина-свидетель, 6 - основание

Рис. 2 - Схема эксперимента по определению критической толщины детонации

Результаты исследований по определению чувствительность к удару и трению, критического диаметра и скорости детонации предлагаемого состава ПВС в сравнении со штатным ПВВ-5а представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики

Характеристика Предлагаемый ПВС Состав ПВВ-5а

Скорость детонации, м/с 7748 7400

Плотность (теор.), г/см3 1,58 1,40

Чувствительность к удару, НП, мм 510 500

Чувствительность к трению, кгс/см2 4235 4200

Критическая толщина де- 1,2 2,0

тонации, мм

Из данных приведенных в табл. 2 видно, что скорость детонации предлагаемого состава ПВВ на 348м/с выше штатного, критическая толщина слоя составляет 1,2 мм, что более чем в 1,5 раза меньше,

по остальным характеристикам составы отличаются незначительно.

Заключение

Таким образом, в данной работе предложен пластичный взрывчатый состав промышленного назначения на основе порошкообразного эластомера, приготовление которого связано с меньшими энергозатратами и временем технологического цикла. Показано, что по основным взрывчато-энергетические характеристикам он не уступает штатному составу ПВВ-5а и может быть рекомендован в качестве альтернативного энергонасыщенного материала в технологии штамповки и упрочнения металлических изделий взрывом.

Литература

1.Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И. Романов,Промышленные взрывчатые вещества. Недра, Москва, 1988.360 с.

2. В.Н. Александров, И.Ф. Садыков, В.Я. Базотов, А.К. Вишняков, Д.В.Бегашев // Взрывное дело, 101-58, 8091 (2009).

3. В.Н. Александров, Н.Б. Иванов, И.Ю. Суркова, Т.П. Евсеева, В.Я. Базотов // Взрывное дело, 107-64, 154-167 (2012).

4. А.А. Мокеев, А.П. Евдокимов, А.С. Сальников, Р.Ш. Гарифуллин, А.А. Марсов, М.Р. Файзуллина // Вестник технол. ун-та, 18, 4, 208-210 (2015).

5. Р.Ш. Гарифуллин, А.С. Сальников, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, И.Д. Ахмадиев, // Вестник Казан. технол. унта. 18, 21, 72-73 (2015).

6. А.А.Косарев, А.А.Мокеев, Д.К. Гильмутдинов, О.С.Шаклеина // Вестник техно. ун-та, 18, 17, 77-79 (2015).

7. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я.БазотовА.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казан. технол. унта. 17, 18, 109-110(2014).

8. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я.БазотовА.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казан. технол. унта. 17, 18, 180-182(2014).

9. Садыков И.Ф. Способ обработки призабойной зоны пласта жидким горюче-окислительным составом / И.Ф. Садыков, О.А.Брюханова, А.А. Марсов, Р.М. Миннуллин, А.А. Мокеев// Патент РФ на изобретение №2459946 от 25.06.2009.

10.Р.Ш. Гарифуллин, В.М.Борисов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, № 107-64, 60-68 (2012).

11. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, 106-63, 252-258 (2011).

12. А.А. Мокеев, А.С. Солдатова, Л.Х. Бадретдинова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов // Взрывное дело, №107-64, 49-59 (2012).

13. В.Я.Базотов, А.А.Мокеев, А.В.Станкевич, Т.П.Евсеева, А.П. Евдокимов //Взрывное дело,№114-71, 242-251 (2015).

14. Пат. RU 2391620 C2, 20.04.2009.

15. Пат. RU 2250359 C2, 20.04.2005.

16.Figovsky O. Production of polymer nanomembranes by super deep penetration method / FigovskyO, Gotlib E, Pashin D, Mokeev A. // Chemistry and Chemical Technology. 2012. Т. 6. № 4. С. 393-396.

17. Figovsky, O.L. Super deep penetration - new method of nanoreinforced composites producing based on polymer matrixes / O.L. Figovsky, E.M. Gotlib, E.C. Ilicheva, A.A. Mokeev // Инженерный вестник Дона.-Ростов-на-Дону, 2014, т.31, №4-1, С.133-137.

18. Вольфсон С.И. Влияние способа внедрения нанонаполнителя на свойства полимерных композиций / Вольфсон С.И., Готлиб Е.М., Наумов С.В., Мокеев А.А., Фиговский О.Л. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2011. № 14. С. 186-189.

19. Ильичева Е.С. Влияние способа введения модифицированного волластонита на структуру резин на основе СКИ-3 / Ильичева Е.С., Готлиб Е.М., Фиговский О.Л., Мокеев А.А., Наумов С.В. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2011. № 15. С. 141-145.

20.Р.Ш. Гарифуллин. Разработка пластичных ВВ на основе порошкообразного эластомера / Гарифуллин Р.Ш., Сальников А.С., Мадякин Ф.П. // Современные проблемы технической химии: материалы докл. Всероссийской науч.-техн. и метод. конф. - Казань, выпуск, 2009. -С.114-117.

21.Р.Ш. Гарифуллин.Применение порошкообразных эластомеров в пластичных и эластичных ВВ / Гарифуллин Р.Ш., Мадякин Ф.П.,

Сальников А.С.,Савагин В.Н.,Борисов В.М. // Вестник КГТУ им. Кирова / Казан. гос. технол. ун-т. - Казань, выпуск №9, 2010. - С. 276-281.

22. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, С.В. Платонов, А.П. Евдокимов, Н.И. Торуткина // Взрывное дело, № 113-70, 183-190 (2015).

© А. С. Сальников - ассистент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, lucifer21@yandex.ru; Р. Ш. Гарифуллин - доцент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, rus-garifullin@yandex.ru; В. Я. Базотов - д-р техн. наук, заведующий кафедрой технологии твердых химических веществ КНИТУ, профессор, bvja@kstu.ru; Н. А. Торуткина - аспирант кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, natalya.torutkina@bk.ru; А. А. Мокеев - доцент кафедры технологии твердых химических веществ КНИТУ, alexander.mokeev@mail.ru.

© A. S. Salnikov - assistantof the Department technology of solid chemical substances KNRTU, lucifer21@yandex.ru; R. Sh. Gari-fullin - associate Professor of the Department of technology of solid chemical substances KNRTU, rus-garifullin@yandex.ru; V. J. Bazotov - doctor tech. Sciences, head of Department of technology of solid chemical substances KNRTU, full Professor, bvja@kstu.ru; N. A. Torutkina - aspirant of the Department of technology of solid chemical substances KNRTU, natalya.torutkina@bk.ru; A. A. Mokeev - associate Professor of the Department of technology of solid chemical substances KNRTU, ttxb@kstu.ru.