книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

Взависимости от условий технологического процесса можно получать угли с различными свойствами, которые проявляются через изменение скорости горения и воспламенительной способности пороха.

Сера выполняет функцию цементатора и горючего. Она связывает все компоненты дымного пороха и обеспечивает повышение его физико-механических свойств. Кроме того, наличие серы в порохе способствует улучшению его воспламенительной способности.

Вдымные пороха, которые используются для изготовления комплектующих элементов к взрывателям, вводится до 2 % различных добавок (шеллак, канифоль, идитол, смола), снижающих скорость горения пороха.

Дымные пороха в зависимости от размеров зерна, геометрической формы и назначения подразделяют на группы, указанные в табл. 12.

					Таблица 12
	Разновидности дымного пороха
	Наименование		Размеры зерна,		Область применения
			мм
	Крупнозернистый		5,0–10,0		Воспламенители к зарядам
	дымный порох				из баллиститного топлива
	(КЗДП)
	Дымный ружейный		1,25–2,0		Для изготовления воспламе-
	порох № 1 (ДРП № 1)				нителей к зарядам ствольно-
	Дымный ружейный		0,75–1,25		го оружия, петард к кап-
	порох № 2 (ДРП № 2)				сюльным втулкам, порохо-
	Дымный ружейный		0,15–0,75		вых замедлителей и усили-
	порох № 3 (ДРП № 3)				телей трубок и взрывателей
	Бессерный		0,75–1,25		Воспламенители к зарядам
					мелких и средних калибров
					морской артиллерии
	Шнуровой		В 1 г от 4 000		Огнепроводный шнур
			до 7 000 зерен

71

Трубочный		Для снаряжения дистанци-
	–	онных частей трубок
		и взрывателей

Свойства дымного пороха. Дымный порох характеризуется высокой сохраняемостью при нормальных условиях эксплуатации, так как компоненты пороха сами имеют высокую химическую стойкость.

Дымный порох является малогигроскопичным веществом, что обусловлено свойствами компонентов:

–древесный уголь обладает плохой смачиваемостью (гидрофобное вещество);

–калиевая селитра и сера имеют также малую гигроскопичность.

Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С и относительной влажности 80 % гигроскопичность дымного пороха составляет 1,22 %.

Цвет пороховых зерен может изменяться от сине-черного до серовато-черного с металлическим блеском. Интенсивно черный цвет указывает на большое содержание в нем влаги.

С увеличением влажности пороха снижается его воспламенительная способность. При содержании влаги более 2 % порох трудно воспламеняется, а при увлажнении до 15 % вообще теряет способность воспламеняться.

Хороший (сухой) порох имеет достаточную механическую прочность, пороховые зерна не разрушаются между пальцами

ине пачкают рук.

Дымный порох имеет сравнительно высокую температуру вспышки Твсп = 300 °С. Однако он легко воспламеняется от луча пламени и искры. Это обуславливает применение дымного пороха как усилителя начального импульса при воспламенении метательных зарядов.

При горении дымного пороха образуется примерно одинаковое количество по массе газообразных (СО2, СО, СН4, Н2S) продуктов и конденсированных частиц (К2SO3, K2S04,

72

K2S, К2S203; KCNS, С, S). Наличие большого количества в продуктах горения конденсированных частиц обеспечивает надежное воспламенение пороховых элементов и зарядов твердого топлива.

По чувствительности к удару и трению дымный порох превосходит многие взрывчатые вещества. При простреле пулей дымный порох воспламеняется. В малых количествах от внешнего теплового импульса порох сгорает. Большое количество пороха при зажжении взрывается.

Скорость горения дымного пороха в сильной степени зависит от плотности зерен (изделий из пороха) и давления окружающей среды. Плотность дымного пороха изменяется в пределах от 1 000 до 1 900 кг/м3, a гравиметрическая плотность от

0,8 до 1,0 кг/л.

При давлениях окружающей среды до 10 МПа и плотности, равной или более 1 700 кг/м3, порох сгорает параллельными слоями по степенному закону u = u1pν.

В зависимости от плотности образца из дымного пороха 1 700 или 1 900 кг/м3 значение показателя степени υ принимает значения 0.45 ... 0,55 или 0.25 ...0,35 соответственно. С увеличением плотности пороха наблюдается уменьшение линейной скорости горения.

Дымный порох имеет невысокие энергетические и баллистические характеристики:

теплота горения – 2 700 кДж/кг; удельный объем газов – 0,28 м3/кг; температура горения – 2 600 К; сила пороха – 280…300 кДж/кг.

Невысокие энергетические и баллистические характеристики исключают возможность использования дымных порохов для метательных зарядов в современных ствольных системах.

Однако дымный порох широко применяется для изготовления воспламенителей, некоторых детонаторов и огнепроводного («бикфордова») шнура. Им широко пользуются охотники,

73

потому что скорость его горения равномерна и почти не повышается с возрастанием давления и температуры. Это свойство пороха исключает возможность разрыва ружейных стволов. Кроме того, он почти не изменяется при хранении и в сухих помещениях может сохранять свои качества долгие годы. Черный порох незаменим в пиротехнических составах и фейерверках. Нередко он идет в ход и в горном деле. В таком случае он по традиции называется не дымным, а минным (минами всегда называли всякого рода подкопы и подземные галереи, в том числе и шахтные). Минный порох очень удобен на карьерах при добыче дорогого декоративного камня. Ведь мрамор, облицовочный гранит, порфир надо не дробить, как руду, – лишь бы побольше, а откалывать крупными глыбами, чтобы их можно было затем распилить на плиты. Именно так, например, добывается лучший в мире украинский лабрадорит, использованный для облицовки мавзолея Ленина. Тут «маломощность» пороха оборачивается его достоинством, а не недостатком. Так что дымный порох еще рано сдавать в музей. Он еще долго будет метать, дробить и светить, уступая, быть может, во многом всем другим взрывчатым веществам, но показывая им пример универсальности и долголетия...

1.4.5. Пиротехнические составы

Вещества и смеси, дающие при горении световые, тепловые, дымовые и звуковые эффекты, называют пиротехническими составами. Пиротехнические составы применяют для снаряжения боеприпасов или изделий народно-хозяйственного назначения, которые объединяют пиротехнические средства общим наименованием.

Пиротехнические составы в зависимости от назначения разделяют на осветительные, сигнальные, трассирующие, зажигательные, маскирующие дымовые, имитационные.

Общие требования предъявляемые к пиротехническим составам:

74

а) заданный пиротехнический эффект (сигнальный, осветительный, зажигательный и т.д.);

б) минимальная чувствительность к механическим воздействиям и безопасность при изготовлении и применении;

в) достаточная физико-химическая стойкость при длительном хранении;

г) устойчивость по отношению к внешним тепловым воздействиям (невоспламеняемость от попадания искры и т. д.);

д) простота технологического процесса изготовления; е) недефицитность исходных материалов и наличие доста-

точной сырьевой базы.

Основные требования к пиротехническим средствам: а) наличие требуемого пиротехнического эффекта;

б) безопасность при обращении с ними и при их хранении; в) нечувствительность к прострелу пулей; г) неизменяемость пиротехнического эффекта при дли-

тельном хранении средств (порядка нескольких лет): д) простота и безопасность изготовления; е) минимальное взрывное действие.

Пиротехнические составы представляют собой механические смеси; они состоят в основном из окислителей и горючих веществ и содержат добавки, сообщающие составам дополнительные специальные свойства: окрашивают пламя, образуют цветной дым, уменьшают чувствительность состава (флегматизаторы), увеличивают механическую прочность запрессованного состава (связующие) и др. Пиротехнические составы в изделиях должны гореть медленно, равномерно и устойчиво; они должны обладать большой механической прочностью, чтобы при хранении или применении не происходило растрескивания, отколов и других повреждений. Поэтому их уплотняют прессованием, реже шнекованием или заливкой. Однако одним уплотнением достаточная прочность не достигается. Увеличение прочности достигается введением в состав связующих веществ, например, искусственных и естественных смол (идитола, баке-

75

лита, поливинилхлорида, каучука и др.), стеарина, парафина и других органических веществ.

Окислители обеспечивают пиротехнические составы активным кислородом, необходимым для горения смеси. В качестве окислителей применяют нитраты, хлораты, перхлораты, окислы и перекиси металлов и некоторые хлоропроизводные.

Из нитратов чаще всего применяют нитраты бария, калия, натрия, стронция. Из хлоратов применяют соль калия, из перхлоратов применяют соли натрия, калия и аммония. Из кислородных соединений металлов применяют те, которые способны сравнительно легко отдавать кислород: перекись бария ВаO2, двуокись марганца MnO2, двуокись свинца РbO2, сурик Рb3O4, окись-закись железа Fе3O4 (окалина) и окись железа Fe2Оз.

Горючее пиротехнических составов обеспечивает необходимое тепловыделение. В отдельных случаях горючее может выполнять функции связующего (цементатора). В качестве горючих в пиротехнике применяют как неорганические, так и органические вещества.

Из неорганических горючих чаще применяют высококалорийные металлы – алюминиий магний, сплавы алюминия с магнием и др.

К органическим горючим относят углеводороды (бензин, керосин, нефть, мазут, бензол, скипидар и др.), углеводы (крахмал, сахар, древесные опилки и др.) и смолы (бакелит, идитол, олифа). Роль горючих часто выполняют также некоторые дымообразователи, например, нафталин и др. Горючее выбирают

сучетом задачи получения наибольшего специального эффекта, требуемого от данного пиротехнического состава.

Например, в зажигательных, осветительных, трассирующих и фотосоставах наилучший эффект достигается при высокой температуре горения. Поэтому в них применяют горючее

сбольшой теплотворной способностью. Наоборот, в дымовых составах не требуется высокая температура, а нередко она даже нежелательна; в них вводят горючее с малой теплотворной спо-

76

собностью, например, углеводы, древесный уголь, и не применяют (или применяют в очень малом количестве) алюминий и магний.

Вещества, окрашивающие пламя. Соединения стронция окрашивают пламя в красный цвет, соединения бария – в зеленый, соединения меди – в синий. Некоторые соли натрия диссоциируют при температуре 1 000 °С и выше, причем происходит атомарное излучение паров натрия, которое используется для получения желтого пламени.

Цветные дымообразователи. Для получения цветных дымов применяют цветные полупродукты и красители, пере-

ходящие при горении	состава	в парообразное состояние
и частично сгорающие.	Реже	применяют неорганические
цветные соединения.
Флегматизаторы – вещества,		уменьшающие чувствитель-

ность пиротехнического состава к механическим воздействиям; как правило, они уменьшают также скорость горения. К флегматизаторам относятся смолы, парафин, масла.

Осветительные составы предназначены для освещения местности в ночное время с целью ведения наблюдения и прицельной стрельбы. В качестве осветительных средств используются факелы и звездки, изготовленные из осветительных составов. От факелов и звездок требуется большая сила света. Излучаемый при их горении свет должен обеспечить кроме достаточной четкости наблюдения еще и правильное различение цветов. Последнее возможно, если излучение горящего осветительного состава по спектральному составу близко к таковому солнечного излучения, к которому привык и приспособлен человеческий глаз.

Так как человеческий глаз наиболее чувствителен к желтозеленой части спектра, то осветительные составы подбирают так, чтобы при их горении излучался преимущественно желтый и зеленый свет. Это достигается применением в качестве окислителя нитрата бария, который сравнительно легко разлагается

77

при повышенной температуре. Образующийся при его разложении оксид бария дает сплошной спектр с преобладанием желтозеленой части.

Соли натрия, распадающиеся при горении с выделением атомов натрия, излучающих желтые лучи, увеличивают силу света осветительных составов, содержащих нитрат бария.

Пример осветительного состава: Ba(NO3)2 – окислитель – 68 %, Al – металлическое горючее – 28 %, идитол – цемента-

тор – 4 %.

Фотоосветительные составы и средства служат для не-

продолжительного (десятые, сотые доли секунды), но очень сильного освещения местности, необходимого для проведения аэрофотосъемки в ночное время. Пример фотоосветительного состава: KMnO4 – окислитель – 43 %, Mg - горючее – 57 %.

Трассирующие составы служат для обозначения пути полета пули или снаряда (образование следа, трассы).

Принципы построения трассирующих составов (особенно составов белой трассы) и их свойства весьма близки к таковым осветительных составов. Это вытекает из требований, предъявляемых кним, во многих отношениях совпадающих с требованиями к осветительным составам. Трассирующиесоставыдолжны:

а) при горении выделять максимальное количество световой энергии;

б) гореть с определенной скоростью; в) иметь большую «прочность и допускать прессование под

большим давлением; этим исключается возможность частичного или полного выгорания состава в канале ствола;

г) безотказно воспламеняться от установленного для них воспламенительного состава;

д) оставлять максимально возможное количество шлака в гнезде нули или снаряда. Это необходимо для минимального изменения веса пули или снаряда, влияющего на правильность траектории. Такое требование предъявляют для тех боеприпасов, в которых масса трассирующего состава значительна по сравнению с общим весом.

78

Состав красного огня: Sr(NO3)2 – 60 %, Mg – 30 %, шеллак – 10 %. Красный цвет пламени обеспечивается наличием в составе стронция.

Состав зеленого огня: Ba(NO3)2 – 60 %, Mg – 20 %, хлорорганическое соединение – 10 %, смола – 10 %. Зеленый цвет пламени обеспечивается наличием в составе бария и хлора.

Состав желтого огня: Ba(NO3)2 – 60 %, Mg – 20 %, Na2C2O4 – 15 %, смола – 5 %. Желтый цвет пламени обеспечивается наличием в составе натрия.

Сигнальные средства служат для подачи сигналов, видимых на расстоянии. Они подразделяются на средства ночного и дневного действия.

Сигнальные средства ночного действия дают цветное пламя. Сигнальные средства снаряжаются изделиями (звездками), изготовленными из сигнальных составов. Основное требование к сигнальным составам в отношении характера излучения пламени отличается от соответствующего требования к осветительным составам; излучение должно быть возможно ближе к монохроматическому.

Для получения красной окраски пламени в составы вводят соединения стронция преимущественно в виде углекислых или щавелевокислых солей. Применению хлората стронция препятствуют его гигроскопичность и большая чувствительность к удару и трению изготовленных на его основе составов. В качестве окислителя применяют КСlO3 или КСlO4. При горении таких составов образуется хлористый стронций, который при высокой температуредиссоциирует пореакции2SrCl2 →2SrCl + Cl2.

Монохлорид стронция излучает красные лучи. Пример состава красного огня: КСlO4 – 60 %; SrС2O4 – 25 %, идитол – 15 %.

Для получения зеленого пламени применяли соединения бария, причем наиболее выгоден хлорат бария, являющийся одновременно и окислителем; недостатком составов с хлоратом бария является большая их чувствительность к механическим

79

воздействиям. Поэтому применяют нитратные составы зеленого огня. Примеры двух нитратных составов зеленого огня:

1) нитрат бария–40 %, магний–28 %, гексахлорбензол–

30%; льняное масло–20 %;

2)нитрат бария–59 %; магний–19 %; поливинилхлорид–

22%.

В составах желтого огня в качестве окислителя применяли нитрат натрия, несмотря на его гигроскопичность. Из других окислителей преимущественно используются соли калия. Для получения желтого пламени в составы вводят негигроскопичные и легко диссоциирующие при высокой температуре натрие-

вые соли: Na2C2О4, NaF и некоторые другие. Присутствие калия не ухудшает заметным образом желтую окраску пламени, так как калий дает в пламени сравнительно слабое фиолетовое излучение, которое почти не отражается на чистоте его цвета.

Пример состава желтого огня: КСlO3 – 60 %, Na2C2О4 –

25 %, идитол – 15 %.

Для сигнализации в дневное время применяют составы дневногодействия, дающиепригоренииокрашенные(цветные) дымы.

Дым представляет собой коллоидную систему, состоящую из взвешенных в воздухе (дисперсионной среде) тонко раздробленных твердых частиц (дисперсной фазы). Если дисперсной фазой является жидкое вещество, то систему называют туманом. Применяют окрашенные дымы пяти цветов: красные, желтые, синие, зеленые и черные.

Для получения цветных дымов – красного, желтого, синего, зеленого пользуются цветными полупродуктами и красителями, которые за счет теплоты реакции частично разлагаются, частично возгоняются, переходя в парообразное состояние.

В качестве окислителей в дымовых составах применяют бертолетову соль, режехлоратнатрия, иногдадобавляютнитраты.

Температура горения составов цветных дымов с органическими красящими веществами должна быть достаточной для испарения дымообразователя и в то же время не слишком высо-

80