ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОХОВ И РТТ

Структурно-механической основой порохов и РТТ являются высокомолекулярные соединения: нитраты целлюлозы, каучуки, смолы. Именно они определяют физико-механические свойства порохов и РТТ. И менно эти компоненты как высокомолекулярные вещества придают порохам и РТТ свойства пластмасс. Можно сказать, что НЦ -пороха и БРТТ — взрывчатые пластмассы, а СРТТ — высокона-полненные взрывчатые пластмассы.

Физико-механические свойства порохов и РТТ как пластмасс связаны с их фазовым и физическим состоянием. Пироксилиновые пороха по своему фазовому состоянию близки к кристаллическим веществам. Баллиститные пороха и РТТ баллиститного типа — к аморфному состоянию, СРТТ практически всегда находятся в аморфном состоянии. В зависимости от строения полимерной основы и температуры пороха и РТТ могут находиться в любом из трех физических состояний: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Особенности физического состояния порохов и РТТ и его практическое проявление

Вследствие жесткости полярных макромолекул НЦ и высокой степени их полимеризации, наличия поперечных межмолекулярных связей они практически не обладают термопластичностью и текучестью. Отсутствие термопластических свойств и связанное с волокнистостью (макроструктурой) наличие большого количества макро-пор (40—50% объема волокна) приводят к тому, что простым прессованием из НЦ нельзя получить пороховые элементы и твердотопливные шашки. Поэтому НЦ подвергаются пластификации, что обеспечивает:

• а) повышение высокоэластических и вязкотекучих свойств материала за счет блокады жестких поперечных связей и придания макромолекулам НЦ подвижности, т.е. пластичности;
• б) уплотнение НЦ за счет ликвидации макропустот;
• в) способность масс формоваться в пороховые элементы и твердотопливные шашки продавливанием пластифицированной массы через матрицы.

Рассмотрим особенности пластификации в производстве НЦ-порохов и РТТ.

Различают пластификацию внутреннюю и внешнюю. Внутренняя пластификация заключается в увеличении гибкости макромолекул, что достигается путем замены одних полярных групп и звеньев цепных молекул другими. Например, при этерификации (эфирообразо-вании) целлюлозы высокополярные гидроксильные группы ОН, обеспечивающие жесткую межмолекулярную связь в целлюлозе, заменяются на менее полярные кислотные радикалы -ON0₂. Внешняя пластификация осуществляется путем введения в массу полимера специальных низкомолекулярных веществ, называемых пластификаторами. Сущность внешней пластификации состоит в том, что молекулы пластификатора (или растворителя-пластификатора) взаимодействуют с полярными группами полимера, блокируют их и уменьшают тем самым энергию взаимодействия между ними. Это ведет к увеличению подвижности макромолекул, их гибкости и смещению температуры стеклования Т и температуры текучести Т_у в область более высоких их значений (рис. 2.18). Рассмотрим термопластические свойства НЦ-порохов и РТТ.

В производстве НЦ-порохов и РТТ имеет место, главным образом, внешняя пластификация. В качестве пластификаторов применяются легколетучий растворитель— спиртоэфирная смесь, труднолетучие — НГЛ, ДНДЭГ, а также нелетучие — ДБФ, ДНТ и др. В связи с этим имеются два основных вида порохов: пироксилиновые (ПП), изготовленные на легколетучем растворителе, и баллиститные (БП), изготовленные на труднолетучих и нелетучих растворителях.

В производстве ПП пороховая масса остается пластичной до удаления растворителя-пластификатора. При удалении растворителя происходит уплотнение пороховой массы, упрочнение пороховых элементов за счет восстанавливающегося взаимодействия полярных групп высокоориентированных в процессе прессования пороха макромолекул НЦ.

е,%

Рис. 2.18. Смещение термомеханических кривых при пластификации

полимеров:

• 1 - чистый полимер; 2,3 - пластифицированный полимер;
• 4 - раствор полимера в пластификаторе

Таким образом, пироксилиновые пороха представляют собой в окончательном виде непластифицированную уплотненную нитроцеллюлозу с большим числом поперечных межмолекулярных связей и высокой степенью ориентации молекул. Пироксилиновые пороха нс обладают термопластическими свойствами. Они могут находиться только в одном, стеклообразном состоянии. Это ярко выраженные термореактивные пластмассы, являющиеся анизотропными системами.

В отличие от пироксилиновых производство баллиститных поро-хов и РТТ осуществляется без удаления пластификатора, и они в зависимости от температуры могут находиться во всех физических состояниях, присущих пластмассам (стеклообразном, высокоэластическом, вязкотекучем). В зависимости от метода изготовления, главным образом от метода формования пороховых элементов, молекулы НЦ в баллиститных порохах могут быть ориентированы в разной степени. Наибольшая ориентация достигается при изготовлении порохов по гидропрессовой технологии (р > 20 МПа в производстве ПП,/;_пр = 30—45 МПа в производстве БП). По шнековой технологии ориентация макромолекул НЦ меньше, и она зависит от размеров раструба и давления, которое колеблется в пределахр = 20—25 МПа в производстве порохов и р = 15—20 МПа в производстве РТТ баллиститного типа. Пороха и РТТ баллисгитного типа, таким образом, представляют собой уплотненную пластифицированную нитроцеллюлозу с ослабленными межмолекулярными связями и разной степенью ориентации макромолекул. Они являются ярко выраженными термопластичными пластмассами со слабо проявляющейся анизотропией.

Для практики чрезвычайно важно знание температурных интервалов, в которых пороха и РТТ находятся в том или ином физическом состоянии. В условиях хранения и использования, при температурах окружающей среды ±40°С для обеспечения необходимой механической прочности пороха и РТТ находятся в стеклообразном состоянии; в условиях производства пороховая или топливная масса должна быть достаточно пластичной. Пироксилиновые пороха, как было отмечено выше, не обладают термопластичностью и могут находиться только в стеклообразном состоянии. Этим определяется их высокая механическая прочность при любой температуре хранения, перевозок и применения.

Баллиститные пороха и РТТ, являясь термопластичными системами, при разных температурах находятся в разных физических состояниях, и поэтому их физико-механические свойства зависят от температуры. Для определения термомеханических констант физического состояния применяются те или иные экспериментальные методы. Метод изучения пластических свойств термопластов по опытным кривым е-Тдля порохов и РТТ был впервые использован в Казанском химико-технологическом институте в 1967 г. Для непрерывной записи кривых г-Т применялся специальный прибор термодеформограф, разработанный в Казанском филиале РАН Б.Я. Тейтельбаумом. Схема прибора показана на рис. 2.19.

3

Рис. 2.19. Схема термодеформографа Тейтельбаума:

• 7 - образец ВВ; 2 - пуансон; 3 - груз; 4 - коромысло;
• 5 - термоблок; 6 - сосуд Дьюара с жидким азотом

Термопара к потенциометру

К потенциометру

Прибор состоит из грузомеханического узла, термоблока и потенциометра. Под грузом 3 пуансон 2 вдавливается в образец /, при этом коромысло 4 поворачивается. Поворот коромысла соответственно деформации образца под действием пуансона передается на потенциометр. На этот же потенциометр подаются показания термопары, встроенной в образец.

Таким образом, осуществляется автоматическая запись кривой деформация—температура. Получаемые на приборе кривые г-Тимеют вид, показанный на рис. 2.13 (параграф 2.3.2). Там же дан соответствующий термомеханический анализ.