СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОДИСПЕРСНОГО СФЕРИЧЕСКОГО ПОРОХА
METHOD OF PRODUCING COARSELY DISPERSED PELLET POWDER

Изобретение относится к области получения сферических порохов (СФП) для стрелкового оружия и малокалиберной артиллерии.
Известны способы получения крупнодисперсных порохов по экструзионной (лаковой и дисперсионной) и водно-дисперсионной технологиям [1-3]. Суть экструзионных технологий заключается в том, что формирование частиц пороховой массы выделено в отдельную стадию экструзии шнуров и их резки, а операция формообразования гранул происходит в объемных аппаратах, где исключены условия вторичного диспергирования. Недостатками экструзионных технологий являются достаточно высокая трудоемкость процессов и опасность чистки оборудования от лаков при ремонте.
При изготовлении СФП путем растворения нитратов целлюлозы (НЦ) или НЦ с нитроглицерином в этилацетате (ЭА) в водной среде, диспергировании порохового лака в присутствии эмульгаторов на сферические частицы отмечается низкий выход целевой фракции гранул с диаметром более 1,5 мм.
Наиболее близким техническим решением является способ получения сферического пороха для стрелкового оружия [4], включающий перемешивание в течение 10-15 минут в водной среде смеси пироксилина с возвратно-технологическими отходами и водной суспензией технического углерода, приготовление порохового лака в ЭА, диспергирование лака на сферические частицы и удаление ЭА при нагревании смеси до 92-94°C, отличающийся тем, что перемешивают в течение 10-15 минут в водной среде смесь пироксилина с возвратно-технологическими отходами или возвратно-технологические отходы и водную суспензию технического углерода, при этом в качестве возвратно-технологических отходов используют пироксилиновые и/или баллиститные пороха в количестве 10-100 мас.%, а приготовление лака в ЭА ведут в течение 60-180 минут.
Недостатком способа является низкий выход фракции пороха с диаметром частиц 1,5 мм и более (10-15%).
Целью изобретения является увеличение выхода фракции пороха с размером гранул более 1,5 мм и снижение полидисперсности.
Данная цель достигается тем, что способ получения крупнодисперсного СФП, включающий приготовление порохового лака при перемешивании нитратцеллюлозных ингредиентов в воде с ЭА, диспергирование лака и удаление растворителя, отличается тем, что приготовление порохового лака осуществляют в 6-10 мас.ч. воды по отношению к нитратцеллюлозным ингредиентам, вводят эмульгатор в количестве 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде, проводят диспергирование лака и удаляют растворитель в количестве 40…50% от общего залитого объема, охлаждают содержимое реактора до 50°C, останавливают процесс, декантируют избыток воды в количестве 3-6 мас.ч., затем проводят формообразование гранул в течение 60-180 мин при температуре 50-69°C в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде и последующее удаление остаточного количества растворителя.
На первом этапе процесса использование воды в количестве 6-10 мас.ч. необходимо не только для получения гранул сферической формы с диаметром 1,5 мм и более, но и позволяет увеличить выход целевой фракции и обеспечить устойчивость водной дисперсии лаковых частиц. Увеличение содержания воды более 10 мас.ч. нецелесообразно, так как необходимый эффект скругления частиц до сферических достигается. Снижение модуля воды менее 6 мас.ч. приводит к частичной коалесценции крупных лаковых частиц и получению формы, отличной от сферической.
Ввод эмульгатора составляет 2,0-4,0 мас.% по отношению к воде. Уменьшение содержания менее 2,0 мас.% снижает устойчивость дисперсии лаковых частиц и вызывает необходимость в повышении интенсивности перемешивания, приводящей к уменьшению размеров лаковых частиц. Увеличение ввода более 4,0 мас.% вызывает повышенное пенообразование в начале процесса удаления растворителя.
После диспергирования удаляют 40-50% растворителя от общего залитого количества. Увеличение степени отгонки нецелесообразно, так как у частиц уже зафиксирована форма, а остаточное количество ЭА в объеме частицы обеспечивает в дальнейшем возможность изменения формы сферических гранул в дисковые. Недостаточная отгонка растворителя приводит к слипанию частиц в момент остановки мешалки.
На втором этапе осуществляется изменение формы частиц от сферической в дискообразную. Для этого объем декантируемой воды после частичного удаления растворителя составляет 3-6 мас.ч., пропорционально исходному объему, чтобы обеспечить остаточное содержание воды в реакторе 3,0-4,0 мас.ч. Это создает условия формообразования гранул в виде дисков. Увеличение объема декантируемой воды более 6 мас.ч. (при вводе 10 мас.ч.) и уменьшение воды менее 3 мас.ч. не позволяет обеспечить требуемую форму гранул, т.е. соотношение диаметр/ толщина горящего свода. В первом - это соотношение превышает 2,5, во втором - менее 1,8, в результате чего пороха имеют низкую насыпную плотность или дегрессивную форму соответственно.
Формообразование гранул проводят в течение 60-180 мин при температуре 50-69°С в присутствии 3-6 мас.% эмульгатора и 4-10 мас.% сернокислого натрия по отношению к воде. Чем больше размер частиц, тем выше ввод сернокислого натрия и эмульгатора и большая длительность процесса. Повторный ввод эмульгатора необходим в связи с тем, что при повышенных температурах он теряет свою активность. Увеличение повторного ввода эмульгатора до 6 мас.% вместо 4,0 мас.% по отношению к воде обусловлено также более высокой концентраций дисперсии в связи с декантацией воды.
Температура процесса в пределах 50-69°C дает возможность варьировать вязкость сферических частиц в зависимости от остаточного содержания ЭА. Верхний температурный предел ограничен температурой кипения азеотропной смеси ЭА - вода, которая составляет 70,6°C. Снижение температуры менее 50°C не обеспечивает условий протекания деформации сферических частиц из-за уменьшения подвижности системы полимер - остаточный растворитель.
Примеры выполнения способа получения крупнозерненного СФП в пределах граничных условий, за их пределами, а также по известному способу приведены в таблице.
Пример 1. В реактор заливается 60 л воды (6 мас.ч.), загружается 10 кг НЦ-ингредиентов (например, пироксилин 1Пл или НЦ с возвратно-технологическими отходами или баллиститная масса). Смесь перемешивается 10 мин. Затем заливается 40 л ЭА и в течение 30-40 мин готовится пороховой лак. После ввода 120 г (2,0 мас.%) эмульгаторов (мездрового клея и КМЦ) ведется диспергирование порохового лака на сферические частицы, а затем температура в реакторе повышается до 74-76°C и ведется отгонка ЭА (40% от общего количества). Температура в реакторе снижается до 50°C, мешалка останавливается, декантируется 3 мас.ч. воды, мешалка включается, вводится 90 г (3 мас.%) мездрового клея и 120 г сульфата натрия (4 мас.% к воде) и проводится перемешивание в течение 60 мин при температуре 50°C. Затем температура постепенно поднимается до 92-96°C, при этой температуре отгоняется ЭА. Выдержка в конце процесса в течение 20-30 мин. Полученный СФП промывается, фракционируется и сушится.
Остальные примеры выполняются аналогично.
1
Из данных таблицы видно, что при изготовлении пороха в пределах заявленных параметров (примеры 1, 2, 3) выход целевой фракции увеличивается до 55-65%. Декантация меньшего количества воды, т.е. оставшийся модуль 5,0-7,0 мас.ч. по отношению к НЦ-ингредиентам, приводит к отсутствию деформации частиц (D/2e=1,0-1,1), что снижает кажущуюся и насыпную плотности пороха (примеры 4, 5). Изготовление пороха по штатным режимам приводит к низкому выходу целевой фракции.
Таблица
Режимы изготовления и характеристики пороха, изготовленного по разработанному и известному способам
Наименование показателя
По разработанному способу
За пределами граничных условий
По известному способу
Пр.1
Пр.2
Пр.3
Пр.4
Пр.5
1
2
3
4
5
6
7
Масса НЦ, кг
10
10
10
10
10
10
Количество воды, л (мас.ч.)
60 (6,0)
80 (8,0)
100 (10,0)
80 (8,0)
120 (12,0)
40 (4,0)
Перемешивание компонентов, мин.
10
10
10
10
10
10
Ввод ЭА, л
40
42
45
40
50
40
Ввод сернокислого натрия, г (%)
-
-
-
-
-
100 (1,0)
Отгонка растворителя при температуре, °C
74-76
74-76
74-76
74-76
74-76
75-94
Объем отогнанного ЭА, % от залитого
40
45
50
40
50
100
Снижение температуры до, °C
50
50
50
45
50
-
Остановка мешалки и декантация воды, мас.ч.
30 (3,0)
50 (5,0)
60 (7,0)
20 (2,0)
70 (7,0)
-
Включение мешалки и ввод мездрового клея, г (мас.%)
120 (4,0)
150 (5,0)
180 (6,0)
180 (3,0)
250 (5,0)
-
Ввод сульфата натрия, г (%)
120 (4)
210 (7)
300(10)
180 (2)
500 (10)
-
Подъем температуры до, °C
50
65
69
65
-
-
Перемешивание, мин.
60
25
180
40
200
-
Отгонка растворителя, °C
74-96
74-96
74-96
74-96
74-96
-
Фракция, мм
1,5-1,8
1,8-2,0
2,0-3,0
1,8-2,0
2,0-3,0
1,5-1,8
Выход, %
60-65
55-60
55-60
20-30 (частичное образование слипков)
20-30 (несоответствие формы)
10-15
Физико-химические характеристики пороха:
- плотность кажущаяся, г/см<sup>3</sup>
1,64
1,63
1,62
1,38
1,56
1,47
- насыпная плотность, г/см<sup>3</sup>
1,02
0,99
0,98
0,56
0,86
0,65
- соотношение D/2e<sub>1</sub>
1,8
2,2
2,5
1,0-1,1
1,0-1,1
1,5
Примечания: 1. В качестве стабилизатора химической стойкости вводится дифениламин 0,5 мас.% по отношению к НЦ, сверх 100 мас.%
2. D - диаметр зерна, 2e<sub>1</sub> - толщина горящего свода
ЛИТЕРАТУРА
1. Dietman Muller. Изготовление пороха методом экструдирования. Fh G-Berichter. - 1984. - №3-4. - Р.14-17.
7
2. Патент 2256636 (Россия). МПК C06B 21/00, 25/24, C06D 5/06. Способ получения сферического пороха. - Заявка №2003134274 от 26.11.2006.
3. Патент №4285743 (США). Кл. 149/2. МКИ C06B 45/00. Гранулированный порох и метод его приготовления. - РЖХим. - 1982. - 11Н 235П.
7
4. Патент 2226184 (Россия). МПК C06B 21/00, 25/18. Способ получения сферического пороха для стрелкового оружия / Н.М.Ляпин, А.А.Староверов, В.Ф.Сопин и др. - Заявка №2002108855 от 05.04.2002.