Влияние простых эфиров целлюлозы на скорость горения пиротехнических составов

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 662.1

Д. Р. Ерова, А. М. Коробков

ВЛИЯНИЕ ПРОСТЫХ ЭФИРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Ключевые слова: простые эфиры целлюлозы, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлоза, пиротехнический состав, скорость горения.

Представлены результаты экспериментального исследования скорости горения пиротехнических составов, содержащих простые эфиры целлюлозы - натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы и гидроксиэтилцеллюлозу различных марок.

Исследована зависимость скорости горения этих составов от природы и содержания простых эфиров целлюлозы. Показано, что степень влияния содержания простых эфиров целлюлозы определяется количеством металлического горючего в составе, а также природой эфиров целлюлозы.

Key words: simple ethers of cellulose, sodium salt of carboxymethylcellulose, hydroxyethyl cellulose, pyrotechnic compound, rate of combustion.

The article presents results of experimental research of the rate of combustion of pyrotechnic compounds which contain simple ethers of cellulose - sodium salt of carboxymethylcellulose and hydroxyethyl cellulose of different marks.

The influence of these compounds ’ rate of combustion of nature and contents of simple ethers of cellulose was studied. It was established that degree of influence of contents of simple ethers of cellulose is determined by the quantity of metallic fuel in the compound as well as by nature of ethers of cellulose.

В настоящее время в производстве пиротехнических составов и изделий на их основе применяются нитраты целлюлозы. Разработаны фейерверочные, сигнальные и другого назначения составы. В основном, интерес к разработке составов на основе нитратов целлюлозы обусловлен необходимостью утилизации порохов и баллиститных топлив. Разработка же составов на свежеприготовленных нитратах целлюлозы проблематична из-за высокой их стоимости, неблагоприятных эксплуатационных и технологических характеристик и свойств. Поэтому в целях развития пиротехники ведется поиск новых, доступных компонентов, имеющих широкую сырьевую базу [1].

В работе ставилась задача оценки возможности применения простых эфиров целлюлозы в качестве компонентов пиротехнических составов. Производство простых эфиров целлюлозы в нашей стране хорошо освоено, с каждым годом значительно расширяется, осваивается производство новых марок эфиров целлюлозы. Эти компоненты заслуживают внимания не только из-за наличия широкой сырьевой базы, относительной дешевизны, но и потому, что они позволяют в зависимости от их состава, способа получения в больших пределах регулировать скорость горения пиротехнических систем [2]. Интерес к ним обуславливается такими их свойствами, как:

- физико-химической стабильностью;

- термостойкостью;

- высокой пластичностью;

- совместимостью с большинством пластификаторов, смол и масел, способностью растворяться в большом количестве растворителей;

- механической прочностью.

Важнейшая характеристика пиротехнических составов - это скорость горения. Поэтому целью работы было оценить влияние природы и содержания простых эфиров целлюлозы на

скорость горения составов. В качестве объекта исследования были выбраны составы, содержащие один из наиболее распространенных простых эфиров целлюлозы - натриеваю соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) различных марок - КМЦ-7Н, КМЦ-9С, КМЦ-9В, а также водорастворимую гидроксиэтилцеллюлозу различных марок - Сульфацелл.

Натрий-карбоксиметилцеллюлоза техническая представляет собой белый или желтовато-белый мелкозернистый или волокнистый материал с насыпной плотностью 400-800 кг/м и истинной плотностью 1590 кг/м, хорошо растворяющийся в воде при любой температуре. КМЦ является весьма гигроскопичным веществом. При комнатной температуре в обычных условиях КМЦ содержит около 11,5% влаги. КМЦ различных марок отличается степенью полимеризации. Наиболее важным свойством КМЦ является ее способность образовывать высоковязкие прозрачные водные растворы. Этим объясняются области ее применения: строительная промышленность (в качестве клеящего материала), керамическая промышленность (в качестве суспендирующего и связывающего агента).

Гидроксиэтилцеллюлоза «Сульфацелл» представляет собой белый или желтоватобелый продукт, получаемый реакцией этерификации целлюлозы. Продукт легко растворяется в горячей или холодной воде с образованием растворов различной вязкости. Сульфацелл производится нескольких марок, которые отличаются вязкостными характеристиками и содержанием основного вещества в готовом продукте. Сульфацелл применяется в качестве защитного реагента буровых растворов, реагента для ограничения водопритоков и повышения нефтеотдачи пластов при нефтедобыче, загустителя печатных красок и водоэмульсионных пигментов, а также в качестве компонента в производстве шпатлевок и товаров бытовой химии.

Возможность использования КМЦ и Сульфацелла как горючесвязующих компонентов пиротехнических составов ранее не рассматривалась.

Для определения зависимости скорости горения от природы простых эфиров целлюлозы изготавливались составы, содержащие в качестве горючего - порошок магния МПФ-3, в качестве окислителя - нитрат калия KNO3. Содержание металлического горючего в составах изменялось за счет изменения содержания окислителя. Содержание простых эфиров целлюлозы оставалось неизменным и составляло 10%. Для сравнения также были изготовлены составы, содержащие традиционные связующие компоненты - идитол и декстрин. Образцы изготавливались методом глухого прессования без оболочки в сборке диаметром 15 мм. Давление прессования - 100 МПа. Образцы испытывались в камере сжигания при атмосферных условиях. Время горения замерялось с помощью осциллографа марки Н-017. По полученным данным рассчитывалась скорость горения.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1. Из представленных в табл. 1 данных следует, что влияние природы простых эфиров целлюлозы на скорость горения определяется не только их химическим составом, но и содержанием металлического горючего в составе. Так, при малом содержании металла (10%), скорость горения колеблется в пределах от 1,08 до 1,69 мм/с. Это позволяет рассматривать возможность применения данных эфиров в качестве горючесвязующего компонента фейерверочных составов, составов сигнальных огней [3].

С повышением содержания металлического горючего до 50% скорость горения возрастает до 10,35 - 19,55 мм/с, что в два с половиной раза выше скорости горения составов, содержащих идитол. Это может рассматриваться как возможность применения этих составов в качестве твердых пиротехнических топлив (для ПВРД и ГРД), к которым предъявляются требования по максимальной скорости горения.

В дальнейшем проводились исследования по зависимости скорости горения составов от содержания горючесвязующего, которое варьировалось от 5 до 20% за счет изменения содержания окислителя. Содержание металлического горючего оставалось неизменным. На рисунках 1 и 2 представлены результаты эксперимента для составов, содержащих в качестве горючесвязующего КМЦ-9С и Сульфацелл-1 марки 150, при содержании металлического горючего 20 и 40%. Результаты эксперимента представлены на рисунках 1 и 2.

Таблица 1 - Зависимость скорости горения пиротехнических составов от природы горючесвязующего

Горючесвязующее Скорость горения составов (мм/с) с различным содержанием металла, %

10 15 20 30 40 50

1 КМЦ-9В 1,08 1,18 3,35 6,89 10,79 14,42

2 КМЦ-9С 1,20 2,31 4,23 7,50 12,06 15,89

3 КМЦ-7Н 1,19 2,45 3,63 6,31 12,22 17,08

4 Сульфацелл-2 марки 25 1,61 2,03 2,94 5,09 8,76 12,94

5 Сульфацелл-2 марки 400 - - 2,51 4,38 7,55 10,35

6 Сульфацелл-2 марки 2000 1,34 1,63 2,18 5,25 9,00 14,30

7 Сульфацелл-1 марки 150 1,69 1,71 2,59 7,45 13,80 19,55

8 Сульфацелл-1 марки 1300 1,19 1,89 2,25 4,95 11,74 13,67

9 Идитол 6,48 7,42 7,67 8,63 8,75 7,38

10 Декстрин 1,60 2,31 3,39 5,05 7,00 6,87

6,2

2 -I---------------,---------------,----------------,--------------г-

0 5 10 15 20

Содержание эфиров целлюлозы,0 о

КМЦ-9С Супьфацеллп 1

при 20% М§ при 20% Мё

Рис. 1 - Влияние содержания простых эфиров целлюлозы на скорость горения составов при содержании магния 20%

Рис. 2 - Влияние содержания простых эфиров целлюлозы на скорость горения составов при содержании магния 40%

Экспериментально установлено, что увеличение содержания простых эфиров целлюлозы в пиротехнических составах имеет неоднозначное значение для составов с различным содержанием горючего. Так, при содержании магния в количестве 20%, скорость горения для составов с КМЦ-9С увеличивается 2,82 до 5,97 мм/с, а для составов с Сульфацелл-1 марки 150 скорость остается почти неизменной. При содержании 40% металла скорость горения снижается. Полученные результаты показывают, что при малом содержании металлического горючего, горючесвязующее играет роль дополнительного источника тепла. При высоком содержании металла вклад горючесвязующего в тепловой баланс процесса горения незначителен, по сравнению с вкладом металлического горючего, то есть горючесвязующее «разбавляет» систему.

Полученные результаты были подтверждены результатами термодинамического расчета. Как известно, скорость горения зависит от теплового эффекта реакций в К-фазе. Для составов с 40% металла теплота сгорания снижается от 4875 кДж/кг (при содержании 1% КМЦ-9С) до 3466 кДж/кг (при содержании 20% КМЦ-9С). Для составов с 20% магния теплота реакции, наоборот, возрастает от 1982 кДж/кг (при содержании 1% КМЦ-9С) до 3684 кДж/кг (при содержании 20% КМЦ-9С). То есть при малом количестве горючего содержание КМЦ увеличивает приход тепла в реакционную зону К-фазы. В этом случае КМЦ из вспомогательного горючего переходит в основное.

Таким образом, результаты эксперимента показали, что простые эфиры целлюлозы представляют несомненный интерес с точки зрения возможности их применения как горючесвязующего компонента в пиротехнических составах. Настоящие исследования являются предварительными. На основании полученных данных целесообразно более детально исследовать влияние как природы эфиров целлюлозы, так и дисперсности, формы частиц, технологию введения эфиров в состав и т.д.

Литература

1. Шипина, О.Т. ИК-спектроскопические исследования целлюлозы из травянистых растений / О.Т. Шипина, М.Р. Гараева, А.А. Александров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №6. - С. 148-152.

2. Ушаков, С. Н. Эфиры целлюлозы и пластические массы на их основе / С.Н. Ушаков. - М.: Машиностроение, 1941. - 504с.

3. Мадякин, Ф. П. Сигнальные и фейерверочные составы и изделия на их основе: учеб.пособие / Ф.П. Мадякин, Н.А. Тихонова, О.Ф. Тютюнник. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2005. -148 с.

© Д. Р. Ерова - асс. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, асп. каф. педагогики и методики высшего профессионального образования КГТУ, d.erova@mail.ru, А. М. Коробков - д-р тех. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ.