2. Физико-химические процессы, протекающие на фазах приготовления пороховой массы и прессования.

Фаза приготовления баллиститной массы является очень важным началом формирования свойств пороха.

Целью этой фазы является равномерное распределение всех компонентов пороховой массы друг в дуге, получение однородной и устойчивой системы, обладающей одинаковыми свойствами.

Разнообразие свойств пороховой массы связано с несовершенством технологического процесса на фазе приготовления пороховой массы. Для улучшения качества ее необходимо знать, какие физико-химические процессы протекают на этой фазе.

Во время смешения компонентов пороховой массы в водной среде происходят следующие процессы:

- сорбция нитратами целлюлозы растворителей из водной эмульсии,

- диффузия растворителей в капилляры волокна и вытеснение из них воды,

- частичное набухание нитратов целлюлозы в растворителях.

При погружении нитратов целлюлозы в воду происходит смачивание ее водой; вода вытесняет воздух из капилляров и заполняет их, в результате перемешивания при избытке воды образуется суспензии нитроцеллюлозы в воде.

При вводе в смеситель с водной суспензией НЦ растворителей сначала происходит частичное растворение их в воде и они из каплеобразного состояния переходят в молекулярное состояние.

В результате того, что растворитель имеет большее сродство к НЦ, чем вода, он вытесняет воду из НЦ и сам связывается с ней.

Процесс можно представить из 5 стадий:

1. смачивание растворителем НЦ и растекания его на поверхности,

2. проникновение растворителя в глубь НЦ,

3. диффузия растворителя в воду и образование с ней молекулярного раствора,

4. диффузия растворителя с водой в капилляры и сорбирование его НЦ,

5. проникновение макромолекул НЦ в капли растворителя, находящихся на поверхности НЦ, и образование раствора.

Таким образом, процесс смешения растворителя с суспензией НЦ является весьма сложным, обратимым и имеет преимущественно энтропийный характер.

Важной стадией процесса смешения является 1 стадия – смачивание НЦ растворителями. Она обуславливает прочное удержание растворителей и других компонентов пороха на поверхности волокон НЦ в результате появления сил сцепления. По Рибиндеру, смачивающее действие капли зависит от системы сил поверхностного натяжения, действующих по периметрам на границах сред. Степень смачивания НЦ можно характеризовать углом смачивания α и его косинусом. Причем, с увеличением косинуса смачивающее действие возрастает.

На рисунке приведена капля растворителя на поверхности НЦ с нанесенными на ней векторами сил поверхностного натяжения:

σ_1,2 - сила поверхностного натяжения на границе « растворитель – воздух», σ_2,3 - сила поверхностного натяжения на границе «НЦ – воздух», σ_1,3 - сила поверхностного натяжения на границе « растворитель – НЦ». Ψ – сила, трения возникающая на границе между каплей растворителя и поверхностью нитроцеллюлозы.

Равнодействующая всех сил будет определять действие капли растворителя на поверхность НЦ.

В момент равновесия сил сума проекций всех сил на поверхность НЦ будет равна нулю.

(1)

(2)

Елси α больше 90 градусов, cosα меньше 0, σ_1,3 больше σ_2,3 , то система лиофобна. Если α меньше 90 градусов, cosα больше 0, σ_1,3 меньше σ_2,3 , то система мофильна.

Из формулы 2 следует, что косинус α, а значит и смачиваемость можно увеличить, уменьшая σ_1,3 при постоянных σ_1,2 и σ_2,3 и незначительной величине ψ в начале процесса, когда еще не развилась стадия смешения.

ПАВ снижают поверхностное натяжение и способствует быстрому смачиванию, увеличивают расклинивающий эффект между макромолекулами и тем самым ускоряют набухание; кроме этого, они стабилизируют эмульсии.

Особое значение ПАВ имеют для тех компонентов пороха, которые плохо смачивают НЦ или сами не смачиваются ни растворителем, ни водой.

Наиболее быстропротекающими и важными стадиями процесса смешения является 3 и 4 стадии, течение которых подчиняется закону диффузии. Переход растворителя из каплеобразного состояния в молекулярное и затем сорбция НЦ молекул растворителя из водного раствора составляет основную сущность процесса смешения НЦ с растворителем в водной среде. При условии, если считать частицы шарообразными и не учитывать химического взаимодействия между ними модно при оценке перемещения частиц пользоваться уравнением Эйнштейна – Смолуховского:

, где

Δ_ср – средние смещение частицы, D – коэффициент диффузии.

, где τ – время движения частицы.

Если подставить значение D в формулу, то получим:

.

Из уравнения видно, что среднее смещение частиц прямо пропорционально температуре и времени и обратно пропорционально вязкости среды и радиусу частиц.

Фаза прессования

Для перемещения материла вдоль оси шнека, терние о поверхность шнек винта должно быть сравнительно малым, а о стенки втулки – наоборот, большим. Если это требование не выполняется, то происходит вращение материала вместе со шнек-винтом без осевого перемещения массы. Для переработки пороховой массы в шнек-прессах важное значение имеет температура массы в зоне прессования.

Если представить нагнетаемою пороховую массу в виде твердого тела, движущегося в направлениях, параллельных оси шнека, то объем нагнетаемой массы, переместившийся за один оборот шнека, будет максимальным и равным объему винтовой полости шнека на длине одного шага винтовой линии:

, где

D – диаметр винта шнека, м;

Н – шаг винтовой линии шнека,м;

В – объем, занимаемый валом шнека и его лопастями по длине, м³.

Величину Qmax называют максимальной объемной подачей шнека или максимальной производительностью шнек-пресса. Коэффициент полезного действия шнек-пресса

На коэффициент полезного действия шнек-пресса большое влияние оказывают реологические свойства топливной массы и ее пластичность. Работами по исследованию процессов течения установлено, что по реологическим свойствам пороховая масса может быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Их основной особенностью является отсутствие пропорциональности между напряжением и скоростью сдвига.

Для неньютоновских систем справедливо степенное выражение:

, где

dV/dy – скорость сдвига,

τ – напряжение,

k,n – константы, зависящие от свойств материала и температуры.

Понятие о коэффициенте пластичности пороховой массы:

, где

D – коэффициент пластичности, равнозначный давлению прессования через отверстие в 1 см при скорости прессования 1*10^-3 м³/с,

R – радиус втулки.

Величиной, характеризующей внешнее терние пороховой массы при температурах их переработки, является значение силы трения, приходящиеся на единицу поверхности.

Внешние терние обусловлено сопротивлением при относительном перемещении 2 соприкасающихся тел в плоскости их касания. Сила сопротивления, направленная противоположено сдвигающему усилию, называется силой трения.

Величину внешнего трения можно снизить вводом технологических добавок. Внутренние трение определяется как усилие, необходимое для сдвига одного слоя материала относительно другого. Величина внутреннего трения уменьшается с повышение температуры.

Давление, возникающее в прессовой камере перед матрицей или формующей втулкой, противодействует нагнетанию массы и стремиться выдавить ее обратно по винтовой полости шнек-винта.

КПД шнек-пресса тем больше, чем больше вязкость, т.е. чем больше силы сцепления между частицами пороховой массы. Однако увеличение вязкости массы неизбежно приводит к повышению давления прессования, что усиливает торможение и приводит к снижению КПД. С повышением скорости шнекования резко возрастает сопротивление в формующем инструменте, вследствие чего КПД шнека может заметно синзится.