Влияние размеров пороховых элементов, изготавливаемых на основе труднолетучего удаляемого пластификатора на величину их пористости

В. И. Коновалов, Н. М. Ляпин, А. С. Арутюнян,

Е. Ф. Коробкова, Г. В. Ахметова, Ю. М. Михайлов

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ПОРОХОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ НА ОСНОВЕ ТРУДНОЛЕТУЧЕГО УДАЛЯЕМОГО ПЛАСТИФИКАТОРА НА ВЕЛИЧИНУ ИХ ПОРИСТОСТИ

Ключевые слова: размер элементов, скорость экстракции, пористость.

В работе рассмотрено влияние размеров пороховых элементов, при изготовлении их на основе труднолетучего удаляемого растворителя, на пористость готовых порохов. Показано, что увеличение размеров пороховых элементов приводит к снижению уровня усадочных процессов и, соответственно, к возрастанию пористости. Определяющий вклад в характер экспериментальных зависимостей вносит фаза экстрагирования растворителя. Возрастание общей пористости, судя по скорости насыщения пороховых элементов инертной жидкостью, связано с увеличением макропоровой составляющей.

Keywords: size of elements, speed of extraction, porosity.

Agency of sizes ofpowder elements is In-process observed, at their manufacturing on the basis of deleted dissolvent, on porosity of ready blasting powders. It is shown, that the increase in sizes of powder elements result ins to decrease of a level of shrinkage processes and, accordingly, to increment of porosity. Defining contribution to character of experimental dependences is brought in with a phase of infusion of dissolvent. Increment of the general porosity, by speed of saturation of powder elements an inert liquid, is connected with increase макропоровой a component.

Влияние размеров цилиндрических пороховых элементов на процесс усадки, главным образом их наружного диаметра, связано с градиентами концентраций растворителя по сечению порохового элемента при его жидкофазном удалении экстракцией. Градиенты, в свою очередь, определяют уровень объемно - напряженных состояний в пороховых элементах. Высокие значения градиентов и уровня объемно - напряженного состояния приводят к неравномерной и малой усадке размеров пороховых элементов относительно объема удаляемой жидкой фазы, а от этого зависит величина остаточной пористости порохов.

Пороховая масса в исследованиях готовилась на основе этилкарбитола и смесевого пироксилина, а пороховые шнуры получены путем прессования ее через фильеры с различным диаметром. Режим удаления растворителя из них был принят интенсивным, с целью реализации широкого интервала пористости пороховых элементов Температура начала экстракции составляла 600С, а начальная концентрация этилкарбитола в экстрагенте -воде 60 % масс.

Как общая усадка диаметра пороховых элементов, так и усадка по стадиям удаления жидкой фазы, в зависимости от их первоначальных размеров, изменяющихся в интервале 0,8 .. .4,8 мм, представлена на рисунке 1.

Увеличение размеров пороховых шнуров приводит к снижению уровня усадочных процессов.

Наибольший вклад в характер данной зависимости, как следует из экспериментальных данных пофазного рассмотрения влияния данного фактора, вносит процесс экстрагирования растворителя. Если для величины общей усадки интервал ее изменения составляет около 5 %, то на фазе экстракции растворителя усадка в зависимости от начальных размеров пороховых элементов изменяется от 12 до 21 %. В процессе сушки характер зависимости носит обратный характер. Усадка при сушке пороховых элементов, полученных в условиях данных исследований, возрастает с увеличением размеров. Это связано, на наш взгляд, с уровнем их влажности, поскольку уменьшение усадки на фазе экстракции соответственно приводит к большему влагосодержанию пороховых элементов перед сушкой. Однако уровень усадочных процессов на фазе сушке не позволяет качественно изменить характер зависимости, заданный стадией экстракции. В целом, конденсационная структура, формирующаяся в пороховых элементах с уменьшением их первоначальных размеров, носит более равномерный характер, а усадка протекает глубже.

Усадочные процессы при удалении жидкой фазы из пластифицированных пороховых элементов определяющим образом влияют на их конечную плотность. На рисунке 2 представлена зависимость величины кажущейся плотности пороховых элементов от их размеров, достигаемых после удаления растворителя и сушки. Общий вид зависимости закономерно соответствует изменению общей усадки, при этом интервал снижения плотности составляет около 0,2 кг/дм3 . Следует отметить, что и при удалении растворителя в условиях, соответствующих формированию плотных структур порохов, наблюдается тенденция снижения плотности с увеличением их размеров. Однако интервал уменьшения плотности в данном случае значительно ниже и составляет 0,02...0,05 кг/дм3. Значения кажущейся плотности позволяют оценить интервал изменения пористости порохов. Расчет величины пористости готовых пороховых элементов на основе соотношения Пост. =(1- ркаж / рист.) 100 % показывает, что ее значения изменяются в интервале 17...27 %.

В практическом плане представляет интерес процесс формирования остаточной пористости за счет технологических факторов и без использования удаляемых водной экстракцией мелкокристаллических порообразователей в порохах с размерами элементов по наружному диаметру до 1 мм. Представленные результаты показывают, что наибольший

у,%

26

24

22

20

ІН

16

14

12

10

Я

Й

4

0 1 2 3 4 5

Дмаметр Филы?ры. мм

Рис. 1 - Влияние величины начального диаметра пороховых шнуров на величину их усадки после интенсивного удаления растворителя и сушки: 1 - общая усадка диаметра; 2 - усадка после удаления ЭК; 3 - усадка после удаления воды сушкой

Рис. 2 - Влияние размеров пороховых элементов на плотность готовых порохов при интенсивном режиме удаления растворителя

уровень пористости таких пороховых элементов, достигаемый за счет интенсификации

процесса экстрагирования растворителя, может составить до 20 %.

Для качественной оценки порового пространства готовых пороховых элементов и его трансформации с ростом размеров пороховых элементов была исследована кинетика их капиллярного насыщения бензином, показавшая, что насыщение пороховых элементов происходит до 3...4 % пористости, и это связано с уровнем тупиковых и закрытых пор. Увеличение размеров пороховых закономерно увеличивает общее время насыщения, поскольку удельная наружная поверхность уменьшается, а путь диффузанта увеличивается. Качественные изменения наблюдаются для кинетической кривой насыщения бензином пороховых элементов с наружным диаметром более 3 мм. В данном случае, несмотря на увеличение размеров, процесс насыщения значительно интенсифицируется. Причиной этого, по визуальной микроскопической оценке состояния наружной поверхности, является появление разрывов сплошности, т. е. при данных размерах образование конденсационной структуры в пороховых элементах сопряжено с уровнем объемнонапряженного состояния выше предела прочности вновь образующихся структур.

Анализ скорости насыщения, отнесенной к единице поверхности пороховых элементов, в зависимости от свободного объема позволяет оценить на качественном уровне характер его возрастания с увеличением геометрических размеров пороховых элементов. Данные зависимости приведены на рисунке 3.

Процесс насыщения по скорости можно разделить на две области. Начальный период насыщения пороховых элементов до свободного объема 12.13 % протекает с высокой скоростью при интенсивном ее снижении. Далее следует период относительно низкой скорости насыщения от вышеназванного уровня до 3. 4 % и при практически пропорциональном ее падении.

Увеличение общей пористости с ростом геометрических размеров пороховых элементов, судя по зависимостям скорости насыщения, связано с возрастанием объема, соответствующего насыщению с высокой скоростью. Исходя из гетерофазной модели макро-

/

ч

і

у

!'' /

4 ;

/

ДЗцІНіЛЧШіІІи

Рис. 3 - Зависимость скорости (и) пропитки порохов бензином от величины остаточного свободного объема для элементов с диаметром: 1 - 3,73 мм; 2 - 2,37 мм; 3 -1,43 мм; 4 - 0,8 мм

структуры пороховых элементов, можно предположить, что возрастание пористости происходит за счет свободного объема между анизометрическими частицами наполнителя, роль которых в структуре пороховых элементов выполняет пироксилин №1.

Высокий уровень скорости капиллярной пропитки для образца с размерами пороховых элементов по диаметру более 3 мм, как упоминалось выше, вызван разрывами их сплошности, и рассматривать ее в плане оценки порового пространства, на наш взгляд, не имеет смысла. Подобную структуру пороховых элементов можно классифицировать как дефектную.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что снижение плотности порохов с возрастанием их размеров обусловлено увеличением макропоровой составляющей в общем распределении пор пороховых элементов по размерам.

Для мелкозерненых порохов возможны более интенсивные режимы удаления растворителя, однако для крупных марок порохов необходимость мягкого перехода из пластифицированного состояния в конденсационное с целью получения качественного уровня порохов по плотности является необходимым условием, особенно на начальных этапах удаления растворителя. В противном случае это может привести не только к формированию пористой структуры, но и появлению дефектности пороховых элементов в виде разрывов их сплошности.

© В. И. Коновалов - канд. техн. наук, гл. спец. ФКП «ГосНИИХП»; Н. М. Ляпин - д-р техн. наук, зам. нач. ТЦ ФКП «ГосНИИХП»; А. С. Арутюнян - канд. техн. наук, нач. ТЦ ФКП «ГосНИИХП», Е. Ф. Коробкова - д-р техн. наук, нач. лаб. ФКП «ГосНИИХП»; Г. В. Ахметова - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ, инженер-технолог I кат. ФКП «ГосНИИХП»; Ю. М. Михайлов - член-корр. РАН, gniihp@bancorp.ru.