IMPREGNACJA PROCHU JEDNOBAZOWEGO 12/7 DO AMUNICJI WIELKOKALIBROWEJ

Transkrypt

1 prof. dr hab. Andrzej KSIĄśCZAK mgr Teresa KSIĄśCZAK Zakład Materiałów Wysokoenergetycznych Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny IMPREGNACJA PROCHU JEDNOBAZOWEGO 12/7 DO AMUNICJI WIELKOKALIBROWEJ Kaloryczność prochów jednobazowych jest głównie zdeterminowana właściwościami nitrocelulozy uŝytej do produkcji. Zwiększenie kaloryczności prochu jest moŝliwe poprzez wprowadzenie nitrogliceryny do jednobazowego prochu w procesie impregnacji. W opracowaniu przedstawiono metodę impregnacji prochu 12/7. Do warstw zewnętrznych wewnętrznych kanalików wprowadzono 15 i 20 phr nitrogliceryny zwiększając kaloryczność z 3770 J/g do 4190J/g dla (15phr) i do 4400 J/g dla (20phr). Siła prochu zwiększyła się z 818 odpowiednio do 830 i 880 J/kg. W procesie impregnacji degresywne spalanie prochu jednobazowego zostało zmienione na spalanie progresywne. 1. Wstęp Właściwości materiału miotającego powinny być tak dobrane, aby maksymalne ciśnienie (p m ) i temperatura procesu spalania (T s ) były jak najniŝsze, a prędkość początkowa pocisku jak najwyŝsza dla ustalonej masy prochu. Niskie ciśnienie (p m ) i temperatura gazów (T s ) zwiększają Ŝywotność lufy. Znając wpływ struktury ziarna prochu na intensywność wytwarzania gazów moŝna w sposób świadomy zmieniać proces technologiczny jego wytwarzania i dopasować do z góry załoŝonych parametrów balistyki wewnętrznej. Niestety, brak jest w literaturze informacji pozwalających na utworzenie struktury ziarna prochu spełniającej z góry załoŝone właściwości balistyczne. Brak uogólnionych metod postępowania jest związany z właściwościami głównego składnika prochu, którym jest nitroceluloza (NC). Polimer ten jest wytwarzany w procesie nitracji z naturalnej celulozy otrzymanej z obróbki drewna lub bawełny. Struktura włóknista NC jest zaleŝna od czasu i miejsca wegetacji surowca wyjściowego (celulozy), warunków przetwarzania i sposobu nitracji. Sucha włóknista NC nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania, poniewaŝ jest polimerem sztywnym i łatwo ulega zapaleniu. Dlatego muszą być wykorzystane składniki małocząsteczkowe o właściwościach Ŝelujących i flegmatyzujących umoŝliwiających przetwarzanie i modyfikowanie róŝnych właściwości w materiałach miotających. Korzystną cechą prochu jest wzrost intensywności produkcji gazów wraz ze stopniem przereagowania (spalania) prochu. Taki proces spalania nazywamy progresywnym i im bardziej progresywny jest proch, tym więcej wydziela się gazów w czasie, zwiększa się objętość za pociskiem w efekcie jego przemieszczania w lufie. Efektywność prochu moŝna wyrazić poprzez współczynnik sprawności prochu: 177

2 2 mv0 η = 100% (1) 2ωQ gdzie: m - masa pocisku, V o - prędkość początkowa, ω - masa ładunku prochowego, Q v - ciepło wybuchowego spalania. Efektywność (η) zaleŝy od następujących parametrów charakteryzujących proch nitrocelulozowy: 1) składu prochu, 2) grubości warstwy palnej, 3) progresywności spalania prochu, 4) konstrukcji ładunku. Celem tego opracowania było zbadanie właściwości prochów krajowych oraz moŝliwość ich zmiany poprzez dodatkowe operacje technologiczne polegające na wprowadzeniu składników modyfikujących proces spalania. Badania przeprowadzono dla prochów jednobazowych gruboziarnistych, siedmiokanalikowych o warstwie palnej około 1,2 mm (12/7). v 2. Proces impregnacji Wstępne warunki impregnacji ustalano w skali laboratoryjnej dla masy 50 lub 100 g prochu gruboziarnistego. Otrzymane rezultaty stanowiły podstawę do opracowania warunków procesu w ilościach kilogramowych wykorzystując do tego celu wyparkę i kolby z uŝebrowaniem o pojemności 20 i 50 litrów. Procesy w skali wielkolaboratoryjnej prowadzono w Zakładzie Produkcji Specjalnej w Pionkach z wykorzystaniem niektórych technik pomiarowych laboratorium zakładowego. Wszystkie składniki niezbędne do procesu impregnacji wzięto ze źródeł, z których w przyszłości będą wykorzystane w produkcji przemysłowej. W ten sposób uwzględniono wpływ właściwości specyficznych składników docelowych. Wykonano procesy z uŝyciem róŝnych mas prochu, tzn. 2, 4 i docelowo 6 kg prochów gruboziarnistych potencjalnie wykorzystywanych w amunicji bojowej do amunicji 120 mm. Procesy impregnacji prowadzono przy róŝnych warunkach w celu określenia ich wpływu na jakość powierzchni, kaloryczność i Ŝywość dynamiczną prochu. W tej pracy przedstawione zostały informacje dotyczące zarówno przeprowadzonych procesów, jak i właściwości zmodyfikowanych prochów. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie przebieg procesu impregnacji. Z prawej strony duŝymi literami oznaczono realizowane operacje, które opisano w kolejności przedstawione na schemacie. Operacja A polega na wlaniu mieszaniny nitrogliceryny, 96% etanolu i 2- nitrodifenyloaminy (2-NDPA) do kolby. Maksymalne stęŝenie nitrogliceryny w alkoholu powinno być zawsze niŝsze od 30% wagowych. Przyjmuje się, Ŝe nitrogliceryna w takich stęŝeniach jest odczulona i nie jest zdolna do detonacji. W tym opracowaniu zawartość nitrogliceryny wyraŝono częściach na 100 części prochu. Procesy prowadzono dla 15 i 20 phr nitrogliceryny. Alkohol dodawany był w ilościach niezbędnych do swobodnego mieszania prochu. Do stabilizacji mieszaniny zastosowano 0,2 phr 2-nitrodifenyloaminę. Mieszaninę alkoholu, NG i 2-NDPA homogenizowano w temperaturze łaźni wodnej (25 C) przy 10 obrotach na minutę. Proces homogenizacji trwał około 20 min. Brak zmętnienia i smug na powierzchni kolby uznawano za całkowite rozpuszczenie składników. 178

3 Proces B polegał na wprowadzeniu do roztworu impregnacyjnego maksymalnie 6 kg prochu w przypadku kolby 50 litrowej. Do kolby nie wprowadzano Ŝadnych dodatkowych elementów wymuszających efektywniejsze mieszanie. Proces realizowano w temperaturze 50 C przy 45 obrotach na minutę. Proces utworzenia równowagi fazowej zol-ŝel-proch prowadzono 2 godziny. Etanol 96% NG 2-NDPA Mieszanina impregnacyjna Ustalanie równowagi proch-ŝel Wytrącanie NG na powierzchni ziarna PROCH WODA A B C Utwardzanie warstwy powierzchniowej ziarna D Suszenie prochu E Grafitowanie F Rys. 1. Schemat procesu impregnacji. Proces C polegał na powolnym osadzaniu NG poprzez zmniejszanie rozpuszczalności w roztworze wodno-etanolowym. Prowadzono go wolno, aby utworzony na powierzchni ziarna Ŝel miał siły adhezyjne mniejsze od sił wymuszających ruch translacyjno - obrotowy. Nawet chwilowe sklejenie ziaren powodowało przemieszczanie masy Ŝelowej między ziarnami lub utworzenie sztywnego Ŝelu poza ziarnem, jako efekt spływania z powierzchni ziarna. Wygląd ziaren prochu uŝytego do impregnacji przedstawiono na rysunku

4 Rys. 2. Ziarna prochu 12/7 przed procesem impregnacji. ZaleŜność ilości wprowadzanej wody od czasu przedstawiono na rys Ilość dodawanej wody [ml] Czas [min] Rys. 3. ZaleŜność ilości dozowania wody od czasu w procesie C wytrącania Ŝelu NC+NG dla wsadu zawierającego 6 kg prochu i 20 phr nitrogliceryny. Proces D polegał na usuwaniu etanolu z mieszaniny i warstwy powierzchniowej ziarna prochowego poprzez oddestylowanie azeotropu. Z roztworu wydzielała się nitrogliceryna i następowało usztywnianie Ŝelu. Proces usuwania etanolu prowadzono w taki sposób, aby nie następowało sklejanie ziaren. PoniewaŜ bezpośrednie usuwanie etanolu dla wymienionego wsadu jest procesem 180

5 czasochłonnym realizowano go dwuetapowo. W pierwszym etapie oddzielano proch od roztworu, a następnie zostawiano na noc zalewając wodą destylowaną tak, aby ziarna prochu były pod powierzchnią wody. W drugim etapie warstwa Ŝelowa prochu była usztywniana przez powolną destylację w temperaturze łaźni 50 o C pod ciśnieniem 40/41 milibarów przy 45 obrotach na minutę. Proces prowadzono przez 1 godzinę. Proces suszenia E realizowano dla prochu odsączonego z wody w temperaturze 30 o C pod ciśnieniem 20/21 milibarów przy 10 obrotach na minutę, aŝ do momentu, w którym proch w kolbie swobodnie się przesypywał. Wygląd ziaren wysuszonych przedstawiono na rys. 4. MoŜna zauwaŝyć, Ŝe warstwa zewnętrzna ziarna i wewnętrzna kanalików jest zimpregnowana. Rys. 4. Ziarna prochowe po impregnacji. Proces grafitowania F równieŝ realizowano w dwóch etapach. Na początku pierwszego etapu wprowadzano połowę zaplanowanej porcji grafitu rozsypując równomiernie na powierzchni przy zachowaniu warunków jak w procesie E, a następnie po równym rozprowadzeniu grafitu podnoszono temperaturę łaźni do 40 o C i zwiększano liczbę obrotów kolby do 15 na minutę. Po 20 min. wprowadzano następną porcję grafitu i mieszano przez 25 min w tych samych warunkach. Na rys. 5 przedstawiono widok ziaren prochu po wstępnym grafitowaniu. 181

6 Rys. 5. Ziarno prochowe po modyfikacji i wstępnym grafitowaniu. 3. Adhezja ziaren W procesie impregnacji kluczowym i trudnym jest dobór warunków wprowadzania modyfikatora spalania na powierzchnię ziarna prochu. Najtrudniejszym problemem jest dobór temperatury i czasu osadzania NG na powierzchni ziarna. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie szybkość dyfuzji, ale równieŝ rośnie degradacja masy cząsteczkowej NC stęŝenie produktów rozkładu o właściwościach katalitycznych, co obniŝa stabilność prochu. Zdecydowano, Ŝe procesy będą prowadzone w temperaturach nieprzkraczających 50 o C, a efektywność dyfuzji NG będzie optymalizowana poprzez zmianę czasu trwania procesu. Dobór czasu ustalono w oparciu o obserwacje zachowania się ziarna prochu w trakcie procesu dozowania wody C, co miało na celu zmniejszenie rozpuszczalności NG w fazie ciekłej i osadzanie na powierzchni ziarna oraz dyfuzyjne penetrowanie warstwy powierzchniowej. Oddziaływanie NG na NC, głównego składnika prochu jednobazowego, prowadzi do utworzenia Ŝelu. Podczas dodawania wody do mieszaniny zmniejsza się rozpuszczalność NC i naleŝy przyjąć, Ŝe następuje osadzanie Ŝelu na powierzchni ziarna. Tworzenie Ŝelu powoduje wzrost adhezyjności między ziarnami. Wodę naleŝy dodawać w taki sposób, aby siły adhezyjne były mniejsze od sił nadających ziarnom ruch translacyjny i obrotowy. W przypadku przewagi sił adhezyjnych następuje sklejanie ziaren. Wodę do mieszaniny dodawano takimi porcjami, które powodowały wytrącanie NG i NC w ilościach niepowodujących usztywnienia Ŝelu w taki sposób, aby jego siły adhezyjne były mniejsze od sił wymuszających ruch ziaren prochowych. Zmiany rozpuszczalności silnie zaleŝą od zawartości wody i etanolu. W początkowym etapie dodawano małe ilości wody, poniewaŝ dla tego zakresu zawartości wody i etanolu występują duŝe zmiany rozpuszczalności NG. Jako kryterium szybkości dozowania przyjęto zanik zmętnienia fazy ciekłej, co było interpretowane jako wskaźnik osadzenia NG na ziarnie prochowym. Po zaniku zmętnienia mieszanie wydłuŝano w celu utwardzenia prochu w wyniku migracji alkoholu z warstwy Ŝelowej prochu do roztworu. Końcowe stęŝenie alkoholu powinno być na tyle niskie, aby jego zawartość w warstwie 182

7 powierzchniowej zabezpieczała przed sklejaniem się ziaren prochu w dalszych operacjach. 4. Właściwości otrzymanych prochów Do prochu 12/7 wprowadzono 15, 20 i 25 phr nitrogliceryny. Kaloryczność prochu wyjściowego wynosiła 3772 kj/kg, a w wyniku impregnacji 15 phr kaloryczność dla róŝnych prób związanych ze zmianami procesów C i D wynosiła 4151, 4196 i 4192 kj/kg. ObniŜona pierwsza wartość kaloryczności jest związana z niepełnym wytrąceniem NG ze względu na kłopoty związane z zaawansowaną agregację ziaren prochu. Proces ten przerwano i poddano końcowej obróbce utwardzania warstwy Ŝelowej oraz grafitowaniu. Dla impregnacji 20 phr, dla róŝnych prób związanych ze zróŝnicowanym procesem D, otrzymano wyniki: 4394, 4372, 4401, 4367, i 4355 kj/kg. Na rys. 6 zestawiono krzywe zaleŝności parametru Γ od stopnia spalenia Ψ dla prochu przed impregnacją (linia czerwona), po impregnacji 15 phr (linia niebieska) i po impregnacji 20 phr (linia zielona). Z zestawienia widać, Ŝe prochy po impregnacji mają obniŝoną Ŝywość dynamiczną i dla stopnia spalenia większego od 0.4 są progresywne o zbliŝonym nachyleniu. 0,16 0,12 Γ 0,08 0,04 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Rys. 6. ZaleŜność parametru Γ od stopnia spaleniaψ dla prochu przed impregnacją (linia czerwona), po impregnacji 15 phr (linia niebieska) i dla prochu po impregnacji 20 phr (linia zielona). Ψ W oparciu o pomiary z bomby manometrycznej wyznaczono się prochu (f) i kowlium (α). Dla prochu wyjściowego wymienione parametry wynoszą: f = 818 kj/kg, α = 1.08 dm 3 /kg. Analogiczne parametry dla prochu zawierającego około 15 phr NG wynoszą odpowiednio: f = 830 ± 26 kj/kg i α = 1.07 ± 0.01 dm 3 /kg, a dla prochu zawierającego 20 phr f = 883 ± 14 kj/kg i α = ± dm 3 /kg. 183

8 Do oceny właściwości mechanicznych warstwy zewnętrznej wykorzystano parametry przemiany zeszklenia. PoniŜej temperatury zeszklenia materiał jest kruchy i z łatwością pęka. PowyŜej temperatury zeszklenia jest elastyczny. Na rys. 7 przedstawiono krzywe DSC warstwy zewnętrznej dla dwóch kolejnych pomiarów wykonanych na tej samej próbce. Zarówno w pierwszym pomiarze (krzywa niebieska), jak i w drugiego (krzywa czerwona) występuje skokowa zmiana na krzywych DSC świadcząca o procesie zeszklenia. Dla obu pomiarów temperatura przemiany jest zgodna i wynosi 67 o C. Z tego wynika, Ŝe w zakresie uŝytkowania prochów utworzona warstwa jest wytrzymała mechanicznie. Sygnał DSC 1 pom iar 2 pom iar temperatura [ o C] Rys. 7. Krzywe DSC procesu zeszklenia impregnowanej warstwy zewnętrznej dla dwóch kolejnych pomiarów wykonanych na tej samej próbce 5. Konkluzja Wyprodukowane prochy jednobazowe moŝna poddać impregnacji w celu zwiększenia ich kaloryczności i poprawy właściwości balistycznych. W zaleŝności od potrzeb moŝna zmniejszać Ŝywość dynamiczną prochu pomimo wzrostu siły prochu. Temperatura zeszklenia warstwy zewnętrznej wynosi T g = - 67 C, co oznacza, Ŝe w warunkach uŝytkowania prochów impregnowana warstwa jest elastyczna i nie będzie pękać w niskiej temperaturze. W opracowanej metodzie impregnacji warstwy zewnętrzna i wewnętrzne kanalików są zmodyfikowane na zbliŝoną głębokość około 0.20 mm. Wykonawcy serdecznie dziękują całemu Zespołowi ZPS w Pionkach za opiekę i udzielenie wszelkiej pomocy w trakcie realizacji pracy. Praca została wykonana w ramach umowy nr 81/10113/