streszczenie
Transkrypt
streszczenie
ROZPRAWA DOKTORSKA MGR. INŻ. DARIUSZA OSTASZEWSKIEGO „MODYFIKACJE WARSTWY PALNEJ PROCHÓW NITROCELULOZOWYCH”. Promotor: prof. dr hab. Andrzej Książczak STRESZCZENIE Obecnie w Polsce produkuje się materiały miotające w oparciu o technologie opracowane w okresie międzywojennym. Celem niniejszej pracy było opracowanie podstaw technologii modyfikacji warstwy palnej prochów nitrocelulozowych. Jedynym krajowym producentem prochów nitrocelulozowych jest Zakład Produkcji Specjalnej (ZPS) w Pionkach. Właściwości produkowanych materiałów miotających nie spełniają stawianych obecnie wymogów dla nowoczesnej amunicji. Produkowane prochy jednobazowe, ze względu na niejednorodność warstwy palnej, wykazują odchylenia od prawa geometrycznego spalania. Dla ustalonej geometrii ziarna, poprawę parametrów balistycznych prochów można uzyskać, poprzez wprowadzenie do struktury warstwy palnej flegmatyzatorów, substancji spowalniających szybkość generowania gazów w początkowym etapie cyklu balistycznego. W pierwszej części rozprawy scharakteryzowano strukturę warstwy palnej wyselekcjonowanych prochów nitrocelulozowych: prochu jednokanalikowego – Grusza oraz dwóch prochów siedmiokanalikowych – Olcha. Analiza struktury warstwy palnej przy użyciu SEM wskazuje, że powierzchnia ziarna oraz wewnętrznej części warstwy palnej jest bardzo niejednorodna. Kształty i rozmiary porów są zróżnicowane. Średnia oszacowana szerokość porów wynosi około 20 nm. Pory o większych rozmiarach powstają prawdopodobnie w wyniku łączenia się porów podstawowych. Pomiary powierzchni właściwej prochów Olcha metodą sorpcji azotu wykonane dla całych ziaren oraz ich przełamów, potwierdzają istnienie dominujących porów o rozmiarze około 20 i 60 nm. Prochy bazowe, ze względu na różną geometrię ziarna i porowatość warstwy palnej były charakteryzowane w aspekcie kinetycznym. Szybkość rozkładu części zewnętrznej jest większa niż części wewnętrznej warstwy palnej. Stosunek stałej szybkości wyznaczonej w początkowym i końcowym etapie rozkładu ziarna oznaczono ε. Dużej niejednorodności warstwy palnej odpowiada duża wartość parametru ε. Proch jednokanalikowy charakteryzuje się mniejszą niejednorodnością warstwy palnej (ε = 1,38), w porównaniu z prochami siedmiokanalikowym (ε = 2,85÷3,03). W drugiej części rozprawy przedstawiono opis procesów modyfikacji warstwy palnej prochów bazowych. Procesy w skali laboratoryjnej prowadzono w reaktorze 5 dm3 i wyparce 1 dm3. Procesy w skali wielkolaboratoryjnej prowadzono w reaktorze 25 dm3 i wyparce 20 dm3 w ZPS w Pionkach. Jako rozpuszczalniki procesowe wykorzystano wodę oraz alkohol etylowy. Zbadano również możliwość wprowadzania modyfikatorów do warstwy palnej bez użycia rozpuszczalników. Do osadzania modyfikatorów na powierzchni ziaren wykorzystano zmianę ich rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym – modyfikator + etanol + woda. W charakterze flegmatyzatorów zastosowano: N,N’-dietylo-N,N’-difenylomocznik, 2,4-dinitrotoluen, ftalan dibutylu, ftalan dioktylu, oligoestrole: polios 420, 220 T i 250 oraz poliester P5 syntezowany w Zakładzie Materiałów Wysokoenergetycznych Politechniki Warszawskiej (ZMW PW). Spadek ciepła spalania regulowano dodatkiem składnika wysokoenergetycznego – nitrogliceryny. W dalszej części pracy przedstawiono wyniki badań właściwości prochów modyfikowanych. Analizę ilościową składników małocząsteczkowych przeprowadzono z zastosowaniem chromatografii gazowej, a analizę ilościową oligoestroli z zastosowaniem analizy wagowej. W pracy przedstawiono technikę badania głębokości wnikania modyfikatorów do warstwy palnej z użyciem mikroskopu optycznego. Badania wykonywano w świetle odbitym i przechodzącym, w oparciu o głębokość wnikania indykatora – 2-nitrodifenyloaminy. Obydwie techniki badania pozwalają w równym stopniu na ocenę głębokości wnikania modyfikatorów do struktury warstwy palnej. Wykazano, że głębokość wnikania flegmatyzatorów zależy od rodzaju zastosowanego rozpuszczalnika procesowego, temperatury i czasu kondycjonowania. W oparciu o badania DSC wyznaczono kinetykę rozkładu prochów modyfikowanych. Zarówno wprowadzanie składników małocząsteczkowych, jak i oligoestroli z użyciem wody oraz etanolu, powoduje zniszczenie struktury porowatej i spadek niejednorodności warstwy palnej. Parametr ε dąży do jedności wraz ze wzrostem zawartości modyfikatorów. Parametr ε zmieniał się dla prochów modyfikowanych Grusza od 1,58 do 1,02, a dla prochów modyfikowanych Olcha od 2,46 do 1,00. Wykazano, że zmieniając strukturę i stopień wypełnienia porów można regulować parametry balistyczne prochów modyfikowanych. Efektywna zmiana struktury warstwy palnej oraz poprawa parametrów balistycznych prochów jest związana z ilością, sposobem wprowadzania oraz głębokością, na jaką należy wprowadzać modyfikatory w głąb struktury warstwy palnej. Do badań właściwości balistycznych prochu jednokanalikowego użyto łuski i pocisku do amunicji 7,62x51 mm NATO, a do badań balistycznych prochu siedmiokanalikowego użyto łuski i pocisku do amunicji podkalibrowej 23 mm FAPDS. Dla prochu jednokanalikowego wykonano 37 modyfikacji, dla których ciśnienie maksymalne zmieniało się od 108 MPa do 383 MPa, a szybkość początkowa od 563 m/s do 853 m/s. Dla prochu siedmiokanalikowego wykonano 26 modyfikacji, dla których ciśnienie maksymalne zmieniało się od 256 MPa do 351 MPa, a szybkość początkowa od 820 m/s do 1188 m/s. Otrzymane rezultaty z badań podstawowych pozwolą na formułowanie fizykochemicznych podstaw procesów modyfikacji prochów o różnej geometrii dla różnych typów amunicji.