Страница 91 из 214
Вообще уплотнение составов кроме увеличения показателей плотности упаковки энергии, делает горение состава более медленным и равномерным, в большинстве случаев, не давая горению сделаться неуправляемым (перейти во взрыв). Уплотненный состав должен обладать большой механической прочностью, особенно это свойство необходимо в тех случаях, когда пиротехнические изделия (факела, звездки, сегменты, трассеры) в момент их использования испытывают значительные разрушающие механические усилия. Уплотненные изделия должны обладать настолько большой механической прочностью, чтобы ни при стрельбе, ни при горении не наблюдалось растрескивания и отколов отдельных кусков состава. Прочность изделий повышается с увеличением давления прессования, но предел прочности при сжатии спрессованного изделия обычно не превышает 20…25 % от удельного давления прессования. Высота одновременно прессуемого столба состава при одностороннем прессовании не должна превышать диаметр прессуемого изделия более чем в 1,5…2 раза. В противном случае передача давления от слоя к слою смеси уже не осуществляется в должной мере, и нижняя часть спрессованного столба состава остается недостаточно уплотненной. При двустороннем прессовании это соотношение может быть значительно увеличено, то есть прессованная форма может быть значительно длиннее.
Рисунок 1. Матрица и пуансон.
1. пуансон 2. матрица 3. прессуемая смесь 4. поддон
Существуют расчетные формулы позволяющие определить примерную прочность спрессованного изделия, однако в оригинальных изделиях необходимое давление прессования большей частью подбирается опытным путем, исходя из необходимой скорости горения и оптимальных показателей достижения специального эффекта горения. Достигнуть высокой прочности спрессованных составов только применением высоких давлений прессования не всегда представляется возможным и целесообразным.
В целях увеличения прочности пиротехнических изделий в составы часто вводят связующие (склеивающие) вещества, получившие название цементаторов. Чаще всего в качестве цементаторов используются искусственные смолы, каучук и некоторые другие вещества такие как сера, гипс и прочее. В зерненных составах также могут применяться цементаторы для придания прочности отдельным зернам состава. При прессовании составов достаточную прочность в некоторых случаях удается получить и без цементаторов, но обычно при прессовании введение цементатора необходимо поскольку позволяет снизить давление прессования, при сохранении достаточной прочности.
Наиболее часто употребимые цементаторы
Идитол — хорошо растворим в этиловом спирте и в виде спиртового раствора вводится в пиротехническую смесь перед уплотнением. Идитол может вводиться в смесь также в виде порошка, а во время или после прессования форма нагревается до 100…200 °C, при этом идитол расплавляясь связывает частицы смеси в единое целое.
Бакелит имеет 3 основные формы А, В и С, применяемые в зависимости от необходимых характеристик прочности и времени горения изделия.
Бакелит формы А вводится в смеси в виде спиртового раствора или порошка, для придании изделиям максимальной прочности применяют так называемую «бакелизацию», то есть нагревают готовое изделие до температуры около 150 °C, при этом бакелит формы А переходит в бакелит формы С, имеющий максимальную прочность, нерастворимость, стойкость к химическим воздействиям.
Шеллак — естественная смола, растворима в этиловом спирте, прекрасный цементатор, при горении выделяющий незначительное количество дыма. В настоящее время применяется редко из-за дороговизны.
Канифоль — естественная смола, растворимая в алкоголе, при нагревании растворяется в олифе.
Резинаты — продукты взаимодействия канифоли с гидроокисями и солями металлов, растворяются в бензине или спирто-бензиновой смеси.
Олифа натуральная — продукт частичной полимеризации и оксидации льняного масла, растворяется в бензине и уайт-спирите.
Декстрин — растительный клей, растворяется в горячей и холодной воде.
Кроме упомянутых классических цементаторов в настоящее время применяют различные полимерные вещества в неполимеризованном состоянии (мономеры), как в чистом виде, так и в виде растворов в различных растворителях. Такие полимеры вводят в пиротехнические смеси с добавлением соответствующих катализаторов полимеризации, либо полимеризуют при нагревании или облучении их УФ излучением. В числе таких мономеров полиуретаны, метилметакрилат, эпоксидные смолы.
Количество вводимого в состав цементатора
Цементаторы вводят в состав пиротехнических смесей в количестве от 1 до 12 %, в зависимости от назначения и желаемой прочности изделий. Введение цементатора в количестве более 12 % повышает прочность изделия уже незначительно, поэтому для повышения механических характеристик изделия большее количество цементатора вводить нецелесообразно. При введении цементаторов особенно канифоли и резината кальция сильно замедляется процесс горения составов. Поэтому для получения составов с необходимой скоростью горения в основную смесь горючее-окислитель при необходимости вводят цементатор в количестве превышающем 12 %.
ПРИНЦИПЫ СОСТАВЛЕНИЯ И РАСЧЕТА ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
После выбора основных компонентов смеси возникает задача подбора массовых соотношений компонентов состава, причем количество окислителя должно быть достаточным для сгорания всего горючего без участия кислорода воздуха.
Расчет двойных смесей
Для получения рецепта двойной смеси необходимо записать уравнение реакции горения и на его основании произвести расчет массовых соотношений между окислителем и горючим. Рассмотрим конкретный пример.
КСlO4 + 4Mg = КСl + 4МgО
Атомный вес калия 39,1 у.е.; хлора 35,45 у.е.; кислорода 16 у.е. Общий вес перхлората калия составляет 39,1 + 35,45 + 16∙4 = 138,55 у.е., округленно — 139 у.е. Атомный вес магния 24,31 у.е. ∙ 4 = 97,24 у.е., округленно — 97 у.е. Таким образом на 139 г перхлората калия приходится 97 г магния. Сложив количество окислителя и горючего, получаем: 139 г + 97 г = 236 г смеси.
Составляем пропорции:
236 г: 100 % = 139 г: х% откуда х = 59,9 % KClO4
236 г: 100 % = 97 г: х% откуда х = 41,1 % Mg
Округляем полученные цифры и получаем рецепт состава: 59 % KClO4 и 41 % Mg.
При составлении уравнений далеко не всегда можно предугадать состав конечных продуктов реакции с полной уверенностью, особенно это касается тех случаев когда реакция разложения окислителя проходит в несколько стадий, окислитель недостаточно энергичен, температура реакции недостаточно высока, горючее недостаточно калорийно, имеет органическое происхождение, или является солями кислот, например, желтая кровяная соль. Знание состава конечных продуктов реакции, а, значит, и составление точного уравнения возможно только в том случае, когда имеются данные химического анализа продуктов реакции. Не имея их можно говорить только о вероятном уравнении реакции горения.
В связи с вышесказанным, следует говорить о наиболее вероятном в данном конкретном случае уравнении распада окислителя (смотри таблицу 1) и наиболее вероятных продуктах окисления горючего (смотри таблицы 4 и 9).
Например: найти рецепт двойной смеси из нитрата бария и магния. В таблице 1 находим уравнение распада окислителя:
Ba(NO3)2 = BaO + N2 + 2,5O2
В таблице 4 указано, что продукт окисления магния есть МgО. Записываем вероятное уравнения реакции: