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.