Pobierz Topliwe mieszaniny wybuchowe z trinitrotoluenem i dinitroanizolem - porównanie i więcej Publikacje w PDF z Chimica tylko na Docsity!
Biuletyn WAt Vol. lXi, nr 4, 2012
Topliwe mieszaniny wybuchowe z trinitrotoluenem
i dinitroanizolem — porównanie właściwości
StaniSław Cudziło, waldemar a. trzCińSki, Sławomir dyjak, marCin nita
wojskowa akademia techniczna, wydział nowych technologii i Chemii, 00- 908 warszawa, ul. S. kaliskiego 2, [email protected], [email protected]
Streszczenie. Porównano wrażliwość na bodźce mechaniczne i termiczne oraz wyznaczono niektóre parametry detonacyjne 2,4-dinitroanizolu (dnan) i 2,4,6-trinitrotoluenu (tnt). Przygotowano kom- pozycje zawierające dnan lub tnt w roli składników topliwych oraz 3-nitro-1,2,4-triazol-5-on (nto) i heksogen (rdX). Przeprowadzono porównawczą analizę właściwości użytkowych tych kompozycji. Słowa kluczowe: kompozycje topliwe, tnt, dnan, wrażliwość, parametry detonacyjne
1. Wstęp
topliwe kruszące materiały wybuchowe (mw) są powszechnie używane w amunicji o dużych kalibrach ze względu na nieskomplikowany proces elabo- racji i jednocześnie możliwość łatwego ich odzyskania z amunicji wycofywanej z uzbrojenia. Ponadto materiały tego typu są względnie tanie i charakteryzują się dobrymi parametrami detonacyjnymi. Składnikami topliwymi w stosowanych obecnie kompozycjach jest 2,4,6-trinitrotoluen (tnt, trotyl) lub 2,4-dinitroanizol (dnan) [1]. trotyl jest używany np. w mieszaninach oznaczanych symbolami XF® oraz XP®, które opracowano w ostatnich latach we Francji. materiały te mogą zawierać 3 - nitro-1,2,4-triazol-5-on (nto), heksogen (rdX) lub oktogen (HmX) w celu poprawy parametrów detonacyjnych. Ponadto dodawany jest sproszkowany glin, jeżeli konieczne jest zwiększenie efektu burzącego wybuchu. kompozycja XF® (zawierająca ok. 31% tnt, 48% nto, 7,5% wosku i 13,5% al) jest już produkowana
(^282) S. Cudziło, W.A. Trzciński, S. Dyjak, M. Nita
na masową skalę i używana między innymi w 155 mm pociskach artyleryjskich lu211 będących na uzbrojeniu armii francuskiej. amunicja ta uzyskała nato-wską sygnaturę niewrażliwości [2-5]. w Stanach zjednoczonych opracowano i wprowadzono do użytku grupę to- pliwych materiałów wybuchowych z dnan. w ich składach występują ponadto nto, nitroguanidyna (nQ), chloran(Vii) amonu (aP), rdX lub HmX i proszek glinowy w różnych zestawieniach i zawartościach. Przykładem takiej kompozycji, złożonej z dnan, nto i nQ, jest imX-101. została ona wytypowana jako ma- łowrażliwy zamiennik tnt w produkowanych obecnie pociskach artyleryjskich kalibru 105, 120 i 155 mm. z kolei kompozycja imX-104 zawiera dnan, nto i rdX i jest proponowana w miejsce mieszanin tnt/rdX używanych powszechnie w amunicji moździerzowej. jej aluminizowana wersja, oSX-12, charakteryzuje się zwiększonym działaniem podmuchowym. wielokrotnie potwierdzono, że topliwe materiały wybuchowe na bazie dnan łagodzą reakcje amunicji na przypadkowe bodźce inicjujące we wszystkich typach testów sprawdzających poziom jej nie- wrażliwości [6-12]. dnan jest więc mniej wrażliwym zamiennikiem tnt. Ponadto rozpuszczal- ność rdX w ciekłym dnan jest kilkukrotnie większa niż w trotylu. to sprawia, że lepkość zawiesin krystalicznego rdX w dnan jest mniejsza niż w przypadku odpowiednich zawiesin w stopionym tnt. w rezultacie łatwiej jest uzyskać lejne kompozycje z dnan, nawet wtedy gdy udział składników nietopliwych jest sto- sunkowo duży. z drugiej strony dnan ma mniejszą gęstość, gorszy bilans tlenowy i niższe parametry detonacyjne od trotylu. jest też mniej dostępny i droższy [13]. w ramach niniejszej pracy dokonano wieloparametrycznego porównania właściwości tnt i dnan, istotnych z punktu widzenia zastosowania ich jako topliwych składników materiałów wybuchowych. wykonano także porównawcze badania kompozycji zawierających 40% dnan lub tnt, 20% rdX i 40% nto.
2. Charakterystyka DNAN i TNT
2.1. Metodyka badań
wszystkie analizy termiczne wykonano na aparacie labSys-tG/dta-dSC firmy Setaram. Próbki o masie ok. 5 mg umieszczano w otwartym aluminio- wym naczyńku i ogrzewano z szybkością 5°C/min. atmosferę pieca stanowił azot przepływający z natężeniem 50 ml/min. wrażliwość na tarcie zbadano za pomocą aparatu tarciowego Petersa. Pomiar został przeprowadzony zgodnie z polską nor- mą Pn-en 13631-3 (2004). wrażliwość na uderzenie wyznaczono, stosując kafar kasta. używano odważnika o masie 5 kg, a pomiar wykonano według procedury zalecanej w normie Pn-en 13631-4 (2004).
(^284) S. Cudziło, W.A. Trzciński, S. Dyjak, M. Nita
Podczas testów, których celem było wyznaczenie zdolności miotających oraz ci- śnienia detonacji, mierzono także prędkość detonacji. do tego celu wykorzystywano elektroniczny miernik czasu, którego włączenie i wyłączenie następowało w chwili przerwania przez falę detonacyjną czujników wykonanych z drutu miedzianego o grubości 50 μm. długości baz pomiarowych wynosiły od ok. 50 do 100 mm. względny błąd pomiaru prędkości detonacji nie przekraczał 2%.
2.2. Analiza termiczna
wyniki analizy termicznej metodami termograwimetrii (tG) i różnicowej analizy termicznej (dta) próbek dnan i tnt przedstawiono na rysunku 2. Podczas ogrzewania w otwartych naczyńkach z szybkością 5°C/min, tnt topi się w temperaturze ok. 82°C, a dnan w ok. 96°C. w warunkach pomiaru obydwa związki nie ulegają rozkładowi, lecz całkowicie odparowują przed osiągnięciem 270°C.
rys. 2. termogramy tG/dta dnan i tnt
termogramy tG/dta równowagowych mieszanin dnan lub tnt z nto, FoX-7, rdX i HmX przedstawiano na rysunkach 3 i 4. każdy z wymienionych dodatków obniża temperaturę topnienia dnan, a najbardziej rdX, ponieważ stosunkowo dobrze rozpuszcza się w stopionym dnan [13, 15]. dnan ma istotny wpływ na przebieg termicznego rozkładu rdX i HmX. na krzywej dta mieszaniny dnan/rdX nie występuje endotermiczny pik związany z topnieniem heksogenu, gdyż proces dekompozycji rozpoczyna się już w około 180°C. rozkład
Topliwe mieszaniny wybuchowe z trinitrotoluenem i dinitroanizolem...^285
mieszanin zawierających HmX i dnan rozpoczyna się w temperaturze ok. 225°C, czyli o niemal 50°C niższej niż w przypadku czystego oktogenu.
rys. 3. termogramy tG/dta mieszanin dnan z nto, FoX-7, rdX i HmX
rys. 4. termogramy tG/dta mieszanin tnt z nto, FoX-7, rdX i HmX
mieszania dnan/FoX-7 ulega rozkładowi w dwóch etapach, podobnie jak czysty FoX-7 [16]. Szybkość rozkładu prowadząca do akumulowania ciepła w próbce jest osiągana powyżej 200°C. mieszanina dnan/nto rozkłada się z największą
Topliwe mieszaniny wybuchowe z trinitrotoluenem i dinitroanizolem...^287
objętości produktów wybuchu przedstawiono na rysunku 5. umieszczono na nim także prędkości ścianki rury przy trzech różnych wartościach objętości względnej, obliczone za pomocą kodu CHeetaH. w obliczeniach wykorzystywano równanie stanu Bkw z zestawem parametrów BkwC [19]. zarówno obliczone jak i eksperymentalne prędkości otoczki napędzanej pro- duktami detonacji trotylu są większe niż w przypadku dnan. różnica wartości maksymalnych wynosi ok. 250 m/s. energia Gurneya tnt i dnan w końcowych etapach procesu napędzania otoczki osiąga odpowiednio ok. 2800 i 2060 j/g, a zatem zdolność miotająca dnan jest o ok. 25% mniejsza od tnt.
3. Charakterystyka mieszanin DNAN/RDX/NTO
i TNT/RDX/NTO
3.1. Otrzymywanie mieszanin
do badań porównawczych wytypowano topliwe mieszaniny zawierające 40% dnan lub tnt, 20% rdX i 40% nto. wytwarzano je, wprowadzając (przy ciągłym mieszaniu) krystaliczny nto i rdX do stopionego tnt lub dnan. wszystkie składniki były wcześniej ogrzane do ok. 95°C. używano handlowego rdX (w stanie dostawy), natomiast nto poddawano rekrystalizacji, której celem było uzyskanie jak największej ilości sferoidalnych cząstek o średnicach z przedziału 125-160 μm i 250-300 μm. zdjęcia tych frakcji cząstek nto przedstawiono na rysunku 6.
rys. 6. zdjęcia krystalitów nto używanych do przygotowania badanych mw
do sporządzania badanych kompozycji używano mieszaniny cząstek nto o wymiarach z przedziałów 125-160 i 250-300 μm, w stosunku masowym 50/50. uzyskiwano wówczas zawiesiny o lepkości gwarantującej lejność w temperaturze odlewania i jednocześnie uniemożliwiającej szybką sedymentację kryształów rdX i nto.
(^288) S. Cudziło, W.A. Trzciński, S. Dyjak, M. Nita
3.2. Analiza termiczna
właściwości termiczne obydwu porównywanych kompozycji są prawie takie same (rys. 7). dnan i tnt w obecności rdX i nto topią się tuż powyżej 80°C i ulegają rozkładowi połączonemu z akumulowaniem ciepła w próbce po przekro- czeniu 180°C, a zatem zachowany jest margines bezpieczeństwa wymagany przy pracy ze stopionymi materiałami wybuchowymi, tzn. przynajmniej 100°C różnicy pomiędzy temperaturą topnienia i temperaturą krytyczną.
rys. 7. termogramy tG/dta mieszanin dnan/rdX/nto i tnt/rdX/nto
termiczny rozkład mieszanin dnan/rdX/nto i tnt/rdX/nto przebiega niemal identycznie. w obydwu przypadkach jest to proces dwuetapowy, przy czym ubytek masy w pierwszym etapie wynosi ok. 60%. może to oznaczać, że w warun- kach pomiaru najpierw rozkłada się dnan lub tnt i rdX (składniki te stanowią 60% mieszaniny), a następnie nto.
3.3. Parametry detonacyjne mieszanin TNT/RDX/NTO i DNAN/RDX/NTO
wrażliwość na uderzenie kompozycji dnan/rdX/nto i tnt/rdX/nto wynosi odpowiednio 25 i 14 j. w porównawczych badaniach stwierdzono, że wrażliwość czystego nto jest równa 15 j. ładunki potrzebne do wykonania testu cylindrycznego przygotowano metodą odlewania. Stopione kompozycje wlewano bezpośrednio do ogrzanych miedzianych
(^290) S. Cudziło, W.A. Trzciński, S. Dyjak, M. Nita
tabela 1 Ciśnienie i prędkość detonacji badanych kompozycji wybuchowych
materiał wybuchowy Gęstość[g/cm (^3) ]
wynik pomiaru D [m/s]
wartość obliczona D [m/s]
h [mm]
p (^) CJ [GPa]
wartość obliczona pCJ [GPa] tnt/rdX/nto 1,66 7500±100 7453 7,00 23,1 22, dnan/rdX/nto 1,64 7200±200 7143 6,64 22,0 19, odlewany tnt 1,60 6700±200 6705 5,65 18,9 17,
4. Wnioski
zarówno tnt jak i dnan obniżają temperaturę rozkładu rdX, ale szybki rozkład skutkujący akumulacją ciepła w próbce zachodzi dopiero powyżej 180°C, czyli w temperaturze wyższej o ok. 100°C od temperatury topnienia kompozycji. analizy termiczne wskazują także na potencjalną niezgodność kontaktową hekso- genu z tnt i dnan, jednak szybki rozkład tych mieszanin rozpoczyna się dopiero w ok. 225°C. zarówno tnt jak i dnan są kompatybilne z nto. Prasowane ładunki czystego dnan o średnicy 25 mm i gęstości 1,52 g/cm^3 , umieszczone w rurze miedzianej, detonują z prędkością 5960±50 m/s. zdolność miotająca (energia Gurneya) dnan jest o około 25% niższa niż trotylu zaprasowa- nego do gęstości 1,59 g/cm^3. dnan jest materiałem wybuchowym niewrażliwym na bodźce mechaniczne, natomiast wrażliwość trotylu na uderzenie wynosi ok. 16 j. opracowano proste kompozycje na bazie tnt i dnan zawierające 60% skład- ników nietopiących się. w temperaturze ok. 95°C mieszaniny te mają właściwą lepkość, tzn. mogą być z łatwością mieszane i odlewane, a przy tym składniki stałe nie ulegają sedymentacji. Charakteryzują się rozsądną wrażliwością na uderzenie (14- 25 j) i ulegają egzotermicznej dekompozycji powyżej 180°C. ładunek dnan/rdX/ nto odlany w typowych warunkach ma gęstość ok. 1,64 g/cm 3 i detonuje z pręd- kością 7040 m/s (ładunek o średnicy 25 mm umieszony w miedzianej rurze) lub 7200 m/s (nieosłonięty ładunek o średnicy 40 mm). Ciśnienie detonacji wynosi ok. 22 GPa, a energia Gurneya ok. 2,9 mj/kg. Parametry detonacyjne mieszanin tnt/ rdX/nto są lepsze — gęstość: ok. 1,66 g/cm^3 , prędkość detonacji: 7400- 7500 m/s, energia Gurneya ok. 3,1 mj/kg, ciśnienie detonacji: ok. 23,1 GPa.
Praca naukowa finansowana ze środków narodowego Centrum Badań i rozwoju jako grant o r 00 0018 09.
Artykuł wpłynął do redakcji 11.04.2012 r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w maju 2012 r.
Topliwe mieszaniny wybuchowe z trinitrotoluenem i dinitroanizolem...^291
literatura [1] P. ravi, d.m. Badgujar, G.m. Gore, S.P. tewari, a.k. Sikder, Review on Melt Cast Explosives, Propellants, explosives, Pyrotechnics, 36, 2011, 393-403. [2] a. weckerle, C. Coulouarn, A step further for the XF® explosive family dedicated to insensitive munitions (IM), 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [3] C. Coulouarn, r. Boulanger, d. Bouchaud, XP®: A cost effective approach for medium ca- libre Insensitive Munitions (IM), 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [4] r. aumasson, Insensitive Munitions® using Fusible and Pressable Explosives, wat — neXter- nitroChem Conference, warsaw, 15.03.2011. [5] C. Spyckerelle, C. Songy, G. eck, IM Melt Cast Compositions based on NTO, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14,
[6] j. rutkowski, r. Cirincione, C. Patel, Common Low-cost Insensitive Munitions Explosive Program to Replace TNT and Comp B, 2010 insensitive munitions & energetic materials tech- nology Symposium, munich, Germany, 11-14 october, 2010. [7] w.B. Hummers, The Insensitive TNT Replacement Explosive IMX-101 and IMX-104 Qualification, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, 11-14 october, 2010. [8] V. Fung, Development and Manufacture of an Insensitive Composition B Replacement Explosive IMX-104 for Mortar Applications, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, 11-14 october, 2010. [9] V. Fung, d. Price, e leClaire, j. morris, n. tucker, a. Carrillo, Further Development and Optimization of IM Ingredients at Holston Army Ammunition Plant, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [10] k.e. lee, w.a. Balas-Hummers, a.r. di Stasio, C.H. Patel, j. Samuels, Qualification Testing of the Insensitive TNT Replacement Explosive IMX-101, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [11] P. Pelletier, d. lavingne, i. laroche, F. Cantin, l. Phillips, V. Fung, Additional Proper- ties Studies of DNAN Based Melt-pour Explosive Formulations, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [12] d. zaloga, k. Patel, B. travers, P. Samuels, a. di Stasio, S. Singh, Initiation Trials of IMX-104 in 81mm Mortars, 2010 insensitive munitions & energetic materials technology Symposium, munich, Germany, october 11-14, 2010. [13] P.j. davies, a. Provatas, Characterization of 2,4-Dinitroanisole: An Ingredient for Use in Low Sensitivity Melt Cast Formulations, defense Science and technology organization, edinburgh South australia 5111, dSto-tr-1904, australia, 2006. [14] d. Bartołowicz, Zastosowanie testu płyty stalowej do pomiaru ciśnienia detonacji materiałów wybuchowych, praca dyplomowa, kierownik pracy w.a. trzciński, wat, warszawa 2012. [15] a. Provatas, C. wall, Thermal Testing of 2,4-Dinitroanisole as a TNT Replacement for Melt-Cast Explosives, 42nd international annual Conference of iCt, karlsruhe, Germany, 24 june- 01 july,
