lib.sumdu.edu.ualib.sumdu.edu.ua/library/docs/rio/2013/m3493.docx · Web viewтемпература...

Міністерство освіти і науки УкраїниСумський державний університет

До друку та в світдозволяю на підставі «Єдиних правил»,п. 2.6.14Начальник організаційно-методичногоУправління В. Б. Юскаєв

3493 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

з дисципліни «Композиційні енергонасичені матеріали» для студентів спеціальності 7.05130108

«Хімічна технологія високомолекулярних сполук»денної форми навчання

Усі цитати, цифровий тафактичний матеріал,бібліографічнівідомості перевірені,запис одиницьвідповідає стандартам

Укладачі: В. Р. ЗакусилоА. О. Єфименко

Відповідальний за випуск В. К. Лукашов

Директор Шосткинського інститутуСумського державного університету В. Л. Акуленко

СумиСумський державний університет

2013

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИСУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШОСТКИНСЬКИЙ ІНСТИТУТ

3493 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ


«Хімічна технологія високомолекулярних сполук»денної форми навчання

СумиСумський державний університет

2013

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Композиційні енергонасичені матеріали» / укладачі: В. Р. Закусило, А. О. Єфименко. – Суми : Сумський державний університет, 2013. – 55 с.

Кафедра хімічної технології високомолекулярних сполук

ЗМІСТ С.

1. Виготовлення піротехнічних складів сигнальних вогнів….. 42. Визначення швидкості горіння піротехнічних складів…….. 103. Визначення ефективності дії запальної суміші…………….. 204. Визначення гігроскопічності піротехнічних складів (окиснювачів)……………………………………………............ 26

5. Визначення фізико-хімічної стабільності……………............ 336. Визначення теплоти горіння піротехнічних складів…….. 417. Визначення чутливості до удару……………………………. 50Список літератури……………………………………………..... 55

3

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1

Виготовлення піротехнічних складів сигнальних вогнів

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику виготовлення піротехнічних складів сигнальних вогнів, візуально оцінити колір полум’я, що отримується при спалюванні виготовленого складу.

1. Теоретичні положенняСклади сигнальних вогнів призначені для подачі сигналів

вночі, а також у денний час. Найбільш використовуваною системою сигналізації є триколірна – з використанням червоного, жовтого та зеленого вогнів. Піротехнічними засобами вогневої сигналізації є сигнальні патрони, гвинтівкові сигнальні патрони, гвинтівкові сигнальні гранати та потужні сигнали нічної дії.

Склади сигнальних вогнів повинні задовольняти такі спеціальні вимоги:

- полум'я, що одержується при згоранні складів, повинно мати досить характерний колір. При якісній оцінці кольору полум’я «чистота» кольору повинна бути не меншою 70-75%;

- кількість світової енергії при згоранні складів повинна бути максимальною – питома світлосума повинна бути не меншою ніж декілька тисяч св∙с/г, а сила світла повинна бути не меншою ніж декілька тисяч кандел;

- швидкість горіння повинна становити декілька міліметрів за секунду, в основному 3-6 мм/с.

Склад сигнальних вогнів, як правило, - це: - окиснювачі; - неорганічне пальне - порошки магнію або алюмінію; - органічне пальне - сполучні;

4

- солі, що забарвлюють полум’я; - речовини, що поліпшують забарвлення полум’я, –

хлорорганічні сполуки.Склад червоного вогню

Червоне полум’я створюється виключно додаванням до піротехнічного складу сполук стронцію. Як солі, що забарвлюють полум’я, до складу червоного вогню вводять нітрат стронцію, а також карбонат або оксалат стронцію. Ці солі практично не розчиняються у воді.

Рецептури деяких складів червоного вогню наведені в табл. 1.Таблиця 1 - Рецептури складів червоного вогню

КомпонентНомер та вміст компонентів,%

1 2 3 4 5 6

Хлорат калію 60 60 - - - -Нітрат стронцію - - 30 57 52 55Карбонат

стронцію25 - - - - -

Оксалат стронцію 25 - - - -Магній - - 40 23 20 30Зв’язувальні

(смола)15 15 5 - - -

Гексахлорбензол - - 5 - - -Полівінілхлорид - - - 20 15 15Моностирол - - - - 13 -Перхлорат калію - - 20 - - -

Склад жовтого вогню Для одержання жовтого полум’я в піротехніці

використовується тільки атомарне випромінювання натрію. Інтенсивність світіння лінії натрію в полум’ї пропорційне введеній кількості натрію. Натрій має жовту лінію спектра в

5

області 0,589 мкм. Як окиснювач у складах жовтих вогнів використовують виключно нітрат натрію, як пальне – органічні зв’язувальні і порошок магнію.

Як приклад наведемо рецептури: Склад 1: Склад 2:- нітрат натрію – 56 %; - нітрат калію – 37%;- магній – 17 %; - оксалат натрію – 30 %.

- полівінілхлорид – 27 %; - магній – 30 %; - сполучні – 3 %.

Використання в складах жовтого вогню хлорорганічних сполук необов’язкове, оскільки жовтий вогонь має атомарний характер світіння.

Склад зеленого вогню Зелене полум’я у піротехнічних складах найчастіше

одержують при використанні сполук барію. Як правило, до складу зеленого полум’я із хлоровмісних речовин вводять хлорат барію, перхлорат або хлорат барію та хлорорганічні сполуки.

Хлорорганічні речовини створюють у полум’ї високу концентрацію хлору і тим самим забезпечують покращання кольору полум’я.

Наведемо рецептури деяких складів: Склад 1: Склад 2:- нітрат барію – 40 %; - нітрат барію – 59 %;- магній – 28 %; - магній – 19 %;- гексахлорбензол – 30 %; - полівінілхлорид – 22 %.- лляне масло –2 %.2. Обладнання та матеріалиСушильні шафи, сита для просіювання компонентів, ваги,

гідравлічний прес П-10, прес-форма, вибрані окиснювачі та пальне.

6

Рисунок 1 - Гідравлічний прес П-103. Заходи безпекиДо роботи з виготовлення піротехнічних складів студенти

допускаються після вивчення характеристик окиснювачів та пального, основ сушіння, подрібнення та пресування. Під час виконання роботи студенти повинні мати бавовняні халати і захисні бавовняні або гумові рукавички.

4. Порядок виконання та обробка результатів лаборатор-ної роботи

Після ознайомлення з методикою виготовлення складів студенти розпочинають виконувати роботу. Обрані компоненти готують до пресування: сушать, подрібнюють і просіюють та змішують. Роботу проводять при включеній витяжній вентиляції. Готують до роботи прес П-10 та прес-форму. Прес-

7

форму необхідно протерти м’якою тканиною, пуансон та канал змастити тонким шаром технічного вазеліну. Наважку суміші засипають у прес-форму і пресують при питомому тиску 1500-2000 кг/см2. Виготовлені шашки встановлюють у витяжній шафі і запалюють за допомогою електрозапальника або сірників. Спостерігають процес горіння і візуально оцінюють колір полум’я.

Порядок дій під час виконання роботи може бути поданий у вигляді технологічної карти (табл. 2).

Таблиця 2 – Технологічна карта лабораторної роботиНазва

операціїТехнічні засоби, що використовуються

Зміст технологічної

операції

Результат

Результати експериментів, отримані під час виконання лабораторної роботи, є базою як для безпосереднього аналізу і узагальнення, так і для подальших розрахунків, які підтверджують справедливість тих чи інших теоретичних положень. При цьому необхідно звернути увагу на оцінку вірогідності (похибки) експерименту. Тут також можуть бути наведені форми таблиць, в яких реєструються результати дослідів і проводиться їх обробка.

5. Оформлення звіту та захист лабораторної роботи:- назва роботи, мета, завдання;- об’єкт дослідження, схема установки, стислий опис;- технологічна карта (якщо розробляється студентом);- таблиці результатів експериментів;- аналіз результатів і необхідні розрахунки;- графіки, діаграми, рисунки, висновки за результатами

роботи.

8

У вимогах до захисту лабораторної роботи необхідно зазначити, яким чином студент звітує про виконану роботу. Це може здійснюватися шляхом співбесіди з використанням контрольних питань та обговоренням результатів роботи, проведенням тестового контролю з теоретичного матеріалу відповідного розділу дисципліни.

Питання для самоперевірки

1. Де застосовуються сигнальні вогні? Яке їх призначення?2. Основні вимоги до сигнальних вогнів.3. Які речовини входять до складу сигнальних сумішей ?4. Основні компоненти червоного, зеленого та жовтого

вогнів?5. Техніка безпеки при використанні піротехнічних сумішей.

9


Визначення швидкості горіння піротехнічних сумішей

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику визначення швидкості горіння піротехнічних сумішей.

1. Основні поняття і визначення. Швидкість горіння - основна характеристика піротехнічної суміші, яка визначає можливість її застосування і спеціальний ефект. Лінійна швидкість горіння - це швидкість поширення фронту горіння по відношенню до вихідної речовини. Лінійна швидкість горіння υ1:

υ1 = l/τ ;

де l - шлях, що проходить фронтом горіння за час τ. Лінійна швидкість горіння піротехнічних сумішей (ПС)

вимірюється, як правило, в міліметрах за секунду (мм / с) і складає величину від десятих часток до десятків.

Масова швидкість горіння υт виражається масою складу т, згоряє за 1 с з 1 см2 палаючої площі поверхні S:

υт = mτS .

Масова швидкість горіння може бути обчислена, якщо відома густина суміші ρ і лінійна швидкість горіння υ:

υт = 0,1υρ.

Об’ємна швидкість горіння – об’єм суміші, що згорає за 1 с. Швидкість горіння складних гетерогенних систем, таких, як

піротехнічні суміші, залежить від багатьох факторів. Швидкість горіння визначається фізико-хімічними

властивостями основних компонентів піротехнічної суміші - окиснювачів та пального. Для металевого пального - це

10

температура займання, властивості оксидної плівки, що покриває частинки металу. Як правило, чим вища температура займання металевого пального, тим менша за інших рівних умов швидкість горіння суміші, чим більший об’єм і щільність оксиду металу, що утворюється при горінні, тим менша швидкість горіння. Для органічного пального є взаємозв’язок між хімічними властивостями органічних речовин і швидкістю горіння.

Велике значення мають агрегатний стан (температури плавлення і кипіння) пального і окиснювачів у зоні прогріву і в зоні реакцій, а також теплофізичні властивості (теплоємність, тепло - та температуропровідність).

Із фізико-хімічних властивостей окиснювачів, що впливають на швидкість горіння, велике значення мають вміст активного кисню, температура інтенсивного розкладання, теплота розкладання.

При аналізі процесу горіння ПС необхідно враховувати сукупність фізико-хімічних властивостей усіх компонентів, їх взаємний вплив і здатність до взаємодії. Наприклад, більша швидкість горіння суміші Mg – NaNO3, ніж суміші Мg – NaCIO4, може бути пояснена екзотермічною взаємодією розплаву нітрату з магнієм у конденсованій фазі.

Суміші органічного пального горять із більшою швидкістю при використанні як окиснювачів хлоратів і перхлоратів, ніж нітратів. Ряд органічного пального (особливо ідитол, деревне вугілля) інтенсивно горить у суміші з нітратом калію.

Наявність у суміші, крім окиснювачів і пального, інших компонентів істотно впливає на швидкість горіння. Наявність у суміші добавок (сполучних, технологічних) зменшує швидкість горіння (особливо каніфоль, оліфи, інертні речовини). Відомі

11

добавки - каталізатори горіння, введення яких у невеликих кількостях у суміші збільшує швидкість горіння.

Швидкість горіння ПС з одних і тих самих компонентів залежить від співвідношення компонентів, ступеня їх подрібнення, щільності суміші. Співвідношення між вмістом окиснювачів і пального у суміші, крім відношення мас компонентів, виражається через кисневий баланс (хлорний баланс) і коефіцієнт α. Кисневий баланс - надлишок або нестача кисню в грамах від необхідного для повного окиснення всіх пальних речовин у 100 г суміші. Нестача кисню – від’ємний баланс (знак –). Надлишок кисню – додатний кисневий баланс (знак +).

Коефіцієнт α показує відмінність співвідношення між окиснювачем і пальним даного складу від стехіометричного:

α = mок

mгор:

mок стех

mгор .стех;

де mок, mгор – масова частка окиснювача і пального у суміші; mок .стех, mгор .стех – масова частка окиснювача і пального для стехіометричної суміші.

Для надлишку пального 0<α<1, для стехіометричної суміші α=1, для надлишку окиснювача 1<α<∞.

Є оптимальне співвідношення між окиснювачем та пальним, при якому швидкість горіння максимальна .

У суміші, де основним пальним є органічна речовина, максимальна швидкість горіння при стехіометричному співвідношенні (α = 0,7∓0,9); у суміші, де основним пальним є порошок металу, максимальна швидкість горіння при надлишку пального (α до 0,1).

Зі зменшенням розміру частинок компонентів, особливо пального, швидкість горіння зростає. Розмір частинок

12

неплавких, нелетких компонентів здебільшого впливає на швидкість горіння, ніж легкоплавких і газифікованих компонентів.

Вплив щільності суміші на швидкість горіння зручніше розглядати через коефіцієнт ущільнення.

Коефіцієнт ущільнення К - це відношення фактичної щільності суміші ρфакт до граничного ρ гран:

К =ρ фактρ гран ;

ρ гран = 100

aρ1

+ bρ2

+…+ nρn

,

де ρ1, ρ2,…, ρn – щільності компонентів суміші; a, b,…,n – вміст компонентів на 100 г суміші. Зі збільшенням К суміші з металевим пальним швидкість

горіння зменшується (виняток – малогазові суміші).У сумішах, що не містять металевого пального, швидкість

горіння мало змінюється зі зміною К.Зі зменшенням діаметра горіння, розміру одночасно палаючої

поверхні швидкість горіння зменшується. Існує мінімальний діаметр, менше якого за даних умов сталого горіння не спостерігається. Як правило, чим більше тепла виділяється при горінні суміші за одиницю часу, тим менше для неї значення мінімального (критичного діаметра).

На швидкість горіння впливають зовнішні умови, при яких воно відбувається: зовнішній тиск, температура, наявність замкнутого або напівзамкнутого об’єму, різного виду оболонки.

Методи визначення швидкостей горіння. Існують наступні методи для визначення середньої швидкості горіння.

13

Метод дротиків, що перегорають. Реєструються моменти розриву електричного ланцюга при перетині дротиків фронтом горіння. Застосовуються дротики діаметром 0,1 – 0,3 мм.

Щоб ввести дротики у відпресований зразок суміші, можна просвердлити отвори (операція небезпечна) або склеїти зразок із декількох таблеток, затиснувши дротики між таблетками. У цьому випадку можливі помилки через зміни швидкості у момент переходу горіння від однієї таблетки до іншої. Точність методу 1 %.

Методи із застосуванням фотодатчиків.Фотоелектричні датчики реагують на освітленість від

полум'я, що виникає при горінні. Придатні тільки для вимірювання швидкостей горіння полум'яних сумішей. Час спрацьовування датчиків 10-6 – 10-8 с. Чутливість датчиків досить велика і може регулюватися в широких межах. Сигнал, що отримується на виході датчика, досить великий і зручний для подальшого перетворення і реєстрації.

Основна перевага фотоелектричного датчика - вимірювання на відстані (без втручання у процес горіння).

Фотоелектричні датчики, як правило, реєструють світіння упродовж усього процесу горіння, але можуть бути використані і як датчики, що реєструють початок і кінець горіння, а також проходження фронту горіння через ділянки зразка. Необхідно забезпечити освітлення фотоелектричних датчиків тільки у певні моменти, обмеживши кут зору датчика або застосувавши світловоди. Можуть використовуватися кварцові нитки товщиною 0,3 – 0,6 мм. При проходженні полум'я повз ці нитки світло від полум'я потрапляє на фотодатчик, і сигнал реєструється.

Метод із застосуванням іонізаційних датчиків. Іонізаційні датчики - пара електродів із тугоплавких металів (вольфрам,

14

тантал), які розміщені на ділянці впливу полум'я. Дія датчиків базується на зміні електропровідності між електродами за наявності полум'я. Отвір між дротиками "становить один або кілька міліметрів, підведена напруга 100 В і більше. Схема включення іонізаційних датчиків показана на рис. 1.

У вихідному стані конденсатори С1 і С2 через резистори R1 та R2 набувають потенціалу батареї Б. При проходженні іонізованої зони полум'я через проміжки 1–1 і 2–2 конденсатори С1, С2

послідовно розряджаються через резистор R3, і виникають два послідовних сигнали, часовий проміжок між якими може бути виміряний. Час спрацьовування іонізаційних датчиків – близько 1 мкс.

Сила електричного струму, що проходить між електродами, крім електропровідності розрядного проміжку, визначається напругою на електродах. Бажано проводити випробування при підвищених напругах.

Рисунок 1 – Схема включення іонізаційних датчиків2. Обладнання, прилади і матеріалиТехнічні ваги, штангенциркуль, витяжна металева камера,

штатив, секундомір, іонізаційні датчики.15

3. Заходи безпекиДо роботи з виготовлення піротехнічних складів студенти

допускаються після вивчення характеристик окиснювачів та пального, основ сушіння та пресування. При спалюванні (визначенні швидкості горіння) керуються діючими інструкціями з ТБ, застосовуються засоби індивідуального захисту (маски, щитки).

4. Порядок виконання та обробка результатів лаборатор-ної роботи

До завдань вносяться найменування вихідних компонентів для приготування сумішей, співвідношення компонентів, кисневий баланс, дисперсність компонентів, тиск пресування або коефіцієнт ущільнення, діаметр, наявність або відсутність оболонки і її матеріал. Одна з характеристик може бути змінною, і її вплив на швидкість горіння пропонується досліджувати під час виконання роботи.

Маса суміші розраховується за заданим коефіцієнтом ущільнення і діаметром, висота запресовування береться не більше 1,5 діаметра.

Приготування сумішей і пресування зразків відбувається відповідно до затверджених технологічних інструкцій та рекомендацій з ТБ, що діють у цій лабораторії.

При поганому займанні сумішей у процесі виготовлення зразків до основного складу відпресовують запальну суміш у кількості 0,5 г такої рецептури: КNO3 – 75 %; Мg – 5 %; ідитол – 10 %. Іноді застосовується перехідна суміш, яка готується з основних і горючих сумішей у співвідношенні 1:1 й відпресовується між основною та запальною сумішами. Перед випробуванням визначається маса суміші. Якщо суміш розмістили в оболонці, то оболонка попередньо зважується на технічних вагах із точністю 0,1 г, і її маса віднімається від маси

16

зразка. Висота запресованої суміші визначається штангенциркулем або індикатором з точністю до 0,1 мм.

Випробування проводяться у витяжній металевій камері зі швидкістю руху повітря в отворі камери не менше 6 м/с. Зразки надійно закріплюються у штативі. Займання зразків проводиться від розжарюваного електричним струмом дротика та стопінової нитки, закріпленої на зразку.

Час горіння визначається :- візуальною реєстрацією початку і кінця горіння та вимірів за

допомогою секундоміра;- фотоелектросекундоміром; - іонізаційними датчиками із застосуванням електро-

секундоміра чи світлопроменевого осцилографа.

Рисунок 2 – Схема визначення швидкості горіння:1 – зразок; 2 – втулка; 3 – іонізаційні датчики; 4 – штанга

запальника; 5 – сорочка охолодження втулки; 6 – фотодатчик; 7 – фотоелемент; 8 – горн

Із початком горіння зразка при візуальному спостереженні включається секундомір. На електричні пристрої пусковий імпульс може бути поданий при розриві ланцюга

17

електрозапальника після займання зразка, при перегоранні дротиків, укріплених на торці шашки, при замиканні продуктами його згорання проміжку між іонізаційними датчиками, при освітленні виниклим полум'ям фотодатчиків. Після закінчення горіння секундомір зупиняється. Вимірювальні системи зупиняються при подачі іншого електричного імпульсу в результаті перегорання дротиків у протилежному торці зразка або замикання іонізаційного проміжку; припиненням освітлення фотодатчика при зникненні полум'я або сигналом фотодатчика, встановленого у торець зразка і спрацьованого після прориву полум'я через останній шар суміші.

Обробка отриманих даних. Вихідні та експериментальні дані зводяться в табл. 1.

Таблиця 1 – Вихідні та експериментальні даніРецептура складу

Тиск пресування,

кг/см2

Маса суміші,г

Довжина зразка,

мм

Час горіння,

с

Примітки

На підставі результатів робиться висновок про точність та застосування різних методів вимірювання швидкості горіння до даних сумішей. Виявляється залежність (у вигляді таблиці або графіків) між вимірюваною характеристикою і швидкістю горіння; по можливості ця залежність пояснюється.

5. Оформлення звіту та захист лабораторної роботи:- назва роботи, мета, завдання;- об’єкт дослідження, схема установки, стислий опис;- технологічна карта (якщо розробляється студентом);- таблиці результатів експериментів;- аналіз результатів і необхідні розрахунки;

18

- графіки, діаграми, рисунки, висновки за результатами роботи.

У вимогах до захисту лабораторної роботи необхідно зазначити, яким чином студент звітує про виконану роботу. Це може здійснюватися шляхом співбесіди з використанням контрольних питань та обговорення результатів роботи, проведенням тестового контролю з теоретичного матеріалу відповідного розділу дисципліни.

Питання для самоперевірки1. Основні типи швидкості горіння?2. Методи визначення швидкості горіння.3. Суть методу дротиків, що перегорають.4. Суть методу з використанням фотодатчиків.5. Метод з використанням іонізаційних датчиків.6. Заходи безпеки у зв’язку з виготовленням піротехнічних

сумішей.

19


Визначення ефективності дії запальних сумішей

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику визначення запальної здатності піротехнічної суміші.

1. Основні поняття і визначення. Запальні вироби різноманітні за пристроями, габаритними розмірами і призначенням, також різноманітні й піротехнічні суміші (ПС), якими вони споряджаються. Будь-яка ПС, що містить металеве пальне (метали, сплави металів), має ефективну запальну дію. Дія запальних виробів більшою мірою, ніж інших піротехнічних засобів, залежить від їх конструкції.

Для спорядження запальних виробів, крім ПС, що містять металеве пальне, застосовуються також горючі суміші та розчини горючих речовин, що згорають за рахунок кисню повітря.

Для того щоб підпалити важкозаймисті об'єкти, потрібно нагріти їх до високої температури, тобто продукти згоряння виробів повинні віддати велику кількість тепла за одиницю часу об'єкту, що підпалюється. Продукти згоряння повинні підпалити велику площу об'єкта, що підпалюється. Для цього необхідно, щоб більше 70-80 % продуктів згоряння виходили в рідкому стані, мали високу температуру, повільно застигали й мали малу в'язкість. Полум'я, що утворюється при горінні суміші, повинно бути якомога більшим за розмірами, містити конденсовані продукти і мати високу температуру. Суміш, крім того, повинна горіти з невеликою швидкістю.

Методи лабораторних випробувань ПС і горючих речовин, призначених для спорядження запальних виробів, залежать від типу ПС, пальної речовини і призначення ПС.

20

Серед запальних ПС найбільше значення мають термітні й термітно-запальні суміші, що широко застосовуються у промисловості для нагрівання, зварювання, проплавлення отворів і т. д. Про якість термітно-запальних сумішей судять за такими показниками: за температурою горіння (температурою шлаків); часом застигання шлаків; за кількістю шлаків і займаної ними площі; за температурою полум'я і його розмірами; за корисною тепловіддачею; за проплавленням металевих пластин – пропалювальною здатністю; за втратою маси дерев'яних пластин і за часом від початку потрапляння шлаків на пластину до моменту її займання; за втратою маси дерев'яних брусків і часом від початку горіння складу до моменту займання бруска.

Кількість тепла, що переходить від палаючого складу до об'єкта, що нагрівається, залежить від середньої різниці між температурами продуктів горіння (шлаки, полум’я) і об'єкта, від поверхні зіткнення продуктів горіння з поверхнею об'єкта, від часу їх зіткнення, від коефіцієнта теплопередачі між продуктами горіння і матеріалом об'єкта.

При оцінці якості запальних складів велике значення має "тепловий напір", тобто кількість тепла, що передається від палаючої суміші до об'єкта за одиницю часу. Ефективність дії запальних сумішей може бути оцінена грамовою тепловіддачею, тобто за кількістю тепла, що віддається 1 г суміші при горінні на плоскій поверхні будь-якого матеріалу.

2. Обладнання, прилади і матеріали: піротехнічна суміш, березова пластина 100×100× 5мм, пакет металевих пластин 100×100×0,4 (5 шт.), березова пластина 100×100×10 мм, березовий брусок 100×10×10 мм, штатив, підставка для затиску пластин.

21

3. Заходи безпеки під час виконання роботи. При приготовленні ПС необхідно мати халат, користуватися гумовими або бавовняними рукавичками. Роботу необхідно проводити при включеній витяжній вентиляції. Спалювання складів проводити у витяжній шафі, користуватися захисними окулярами або головним щитком з органічного скла. У лабораторії завжди повинні бути вода і засоби пожежогасіння (вогнегасники, ящик із піском, азбестова ковдра). При розсипанні продуктів зібрати їх вологою ганчіркою і здати керівнику роботи.

4. Порядок виконання та обробка результатів лабораторної роботи

Для випробувань готується елемент з термітно-запального складу діаметром 24 мм в оболонці або без оболонки масою до 25 г. Для займання основного складу до нього припресовується 1,5 г перехідної суміші, що складається з основної та запальної сумішей у співвідношенні 50:50 та 1,5 г займистої суміші.

Визначення пропалювальної здатностіВикористовується пакет сталевих пластин (5 шт.) товщиною

0,2 - 0,4 мм, розміром 100×100 мм, складених разом і щільно затиснутих. Пакет пластин вставляється у рамку підставки й затискається за допомогою гвинтів. Зібрана рамка поміщається в камеру спалювання, і на верхню пластинку по центру встановлюється досліджуваний елемент (рис.1). Після займання елемента візуально за допомогою одного секундоміра фіксується час горіння, іншим секундоміром визначається час від кінця горіння до охолодження шлаків. Потім рамка із пластинами виймається з камери спалювання і поміщається на вогнетривку підставку для охолодження. Звільняються гвинти затиску рамки і знімається пакет пластин. Пропалювальна

22

здатність оцінюється за кількістю проплавлених пластин, сумарною товщиною та площею отворів на першій пластині.

Рисунок 1 – Схема випробувань на металевих пластинах:1 - пакет металевих пластин; 2 - підставка; 3 – затиснуті

пластини; 4 - затискні гвинти; 5 – досліджуваний зразок.Визначення запалювальної здатності Запалювальна здатність визначається спалюванням

запального елемента на пластині з березової фанери вологістю 8 – 12 %, Пластина розміром 100×100 мм і товщиною 5 мм повинна бути розсвердлена отворами діаметром 8 мм через інтервали 15 мм. Пластина кладеться на два упори, і на ній спалюється запальний елемент. Запалювальна здатність вважається задовільною, коли пластина продовжує горіти після остигання шлаків.

За іншою методикою дерев'яна березова суцільна пластина розміром 100×100×10 мм, масою близько 20 г та такий самий брусок розміром 100×10×10 мм розміщу-ються на штативі, і між ними поміщається запальний елемент (рис. 2).

23

Рисунок 2 – Схема випробувань з дерев'яними брусками:1 - штатив; 2 - верхній дерев'яний брусок; 3 досліджуваний

зразок; 4 - верхня дерев'яна пластинаПісля спалювання суміші визначаються зміни маси пластини

і бруска (втрата маси); час від початку горіння до моменту запалювання пластини та бруска.

Обробка отриманих результатів. За заданою рецептурою піротехнічної суміші і даними досліджуваних елементів визначається пропалювальна здатність суміші за кількістю проплавлених пластин та площа отвору на першій пластині та запалювальна здатність за втратою маси бруска та пластини.

Результати випробувань наводяться в табл. 1.Таблиця 1 – Результати випробувань

Рецепту-ра суміші, маса, діаметр

Пропалювальна здатність

Запалювальна здатність Прим.

Кількість пропалених пластин, шт.

Площа про-паленого отвору, мм2

Втрата маси пластини, %

Втрата маси бруска, %

5. Оформлення звіту та захист лабораторної роботи:- назва роботи, мета, завдання;

24

- об’єкт дослідження, схема установки, стислий опис;- технологічна карта (якщо розробляється студентом);- таблиці результатів експериментів;- аналіз результатів і необхідні розрахунки;- графіки, діаграми, рисунки, висновки за результатами

роботи.У вимогах до захисту лабораторної роботи необхідно

зазначити, яким чином студент звітує про виконану роботу. Це може здійснюватися шляхом співбесіди з використанням контрольних питань та обговорення результатів роботи, проведенням тестового контролю з теоретичного матеріалу відповідного розділу дисципліни.

Питання для самоперевірки1. Характеристика запалювальних сумішей.2. Методика проведення випробувань.3. Аналіз результатів.4. Призначення термітних і термітно-запалювальних сумішей,

їх застосування, переваги і недоліки.5. Які показники характеризують якість термітнозапалюваль-

них сумішей.6. Що таке «тепловий напір»?

25


Визначення гігроскопічності компонентів піротехнічних сумішей

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику визначення гігро- скоппічності компонентів піротехнічних сумішей.

1. Основні поняття і визначення. Гігроскопічність - це властивість речовини поглинати вологу з повітря й утримувати її певну кількість при конкретній відносній вологості, температурі та тиску навколишнього середовища.

Гігроскопічні порошкоподібні матеріали злежуються, втрачають сипкість, тому ускладнюються їх дозування і рівномірний розподіл у суміші. Якщо суміш містить гігроскопічний матеріал, то адсорбована волога є причиною її поганої фізико-хімічної стабільності, погіршення піротехнічного ефекту, зменшення швидкості горіння і т. д.

З компонентів ПС найбільш гігроскопічними є окисники - солі.

Гігроскопічність водорозчинних солей визначається адсорбцією. Розчинна у воді тверда речовина, що містить вологу, має на поверхні частинок шар насиченого водного розчину. Над розчином тиск пари менший, ніж тиск парів води, що насичують простір. Якщо речовину помістити в простір, насичений парами води, то через різницю парціальних тисків парів води у середовищі та над поверхнею розчину, що покриває частинки речовини, пари води поглинаються речовиною, обумовлюючи гігроскопічність. Поглинання парів води триває, поки всі речовини не перейдуть у розчин, що має той самий парціальний тиск пари, як і в повітрі довкілля.

26

Н. Е. Пестовим введене поняття гігроскопічної точки речовини за аналогією з гігроскопічною точкою насиченого розчину. Гігроскопічна точка речовини - це відносна вологість повітря, при якій речовина знаходиться в сорбційній рівновазі.

Для практичних цілей важливо знати не гігроскопічну точку, яка характеризує кінетику абсорбції процесу, а поведінку речовини за певних зовнішніх умов. Наприклад, у виробничих приміщеннях відносна вологість повітря повинна бути не більше 65 %. Тому знання мінімального вологовмісту компонентів та ЗС, що відповідає сорбційній рівновазі в цих умовах, має економічне значення. Пересушувати речовини недоцільне, оскільки при переробці суміш притягує вологу до настання рівноваги.

При відносній вологості повітря, що відповідає гігроскопічній точці, відбувається розпливання кристалів солі - речовина переходить у стан насиченого розчину. Якщо абсолютно суху речовину помістити у середовище з відносною вологістю, нижчою за його гігроскопічну точку, то поглинання вологи спостерігається до настання рівноважного стану. В конкретних умовах речовина зволожується до рівноважної вологості. Якщо зволожену речовину помістити в середовище з меншою або більшою відносною вологістю, то вона усихає або зволожується до настання рівноважного стану.

Встановлено, що навіть малогігроскопічна сіль при будь-якій відносній вологості повітря, меншій гігроскопічної точки, містить вологу в сорбційній рівновазі.

Сорбційна рівновага встановлюється порівняно швидко, й подальше утримання вологи в речовині змінюється тільки у відповідності до зміни відносної вологості та температури повітря. Але немає відповідності між класичним поняттям гігроскопічності і рівноважної вологості солей. Так, нітрат

27

натрію (частинки порошку розміром менше 250 мкм) при відносних вологостях нижче гігроскопічної точки утримує менше вологу (0,014- 0,016 %), ніж перхлорати калію та амонію (0,015-0,047 % і 0,031-0,018 % відповідно). Зі збільшенням відносної вологості повітря для всіх солей рівноважна вологість збільшується, у нітрату натрію здатність необмежено зволожуватися настає при 77 %, а у перхлоратів амонію і калію - при 94 % й 95 % відносної вологості повітря. Зі збільшенням дисперсності зволожуваність солей зростає. Так рівноважна вологість порошку перхлорату амонію з частинками розміром менше 50 мкм у два рази більша, ніж у порошку з частинками розміром 250 мкм.

Гігроскопічність суміші солей вища, ніж у самого гігроскопічного компонента. Так само впливають домішки, особливо хлориди амонію, лужних і лужноземельних металів. Тому технічні продукти й готові піротехнічні суміші високо гігроскопічні.

З підвищенням температури відносна вологість повітря зменшується, знижується також гігроскопічна точка солей. Наприклад, при 20°С гігроскопічна точка нітрату натрію 77,6 %, а при 50°С - 67,9 %. Якщо нормуючу відносну вологість виробничих приміщень (не більше 65 %) знижувати підвищенням температури, то може підвищуватися й вологість сумішей. Тому необхідно досягати зниження відносної вологості, не підвищуючи температури повітря.

2. Обладнання, прилади і матеріали: ексикатори, розчини сірчаної кислоти різної концентрації (19 %, 26 %, 32,5 %, 38 %), сушильна шафа, бюкси, терези.

3. Заходи безпеки під час виконання роботи. Під час виконання роботи необхідно мати халат, користуватися гумовими або бавовняними рукавичками. Роботу необхідно

28

проводити при ввімкненій витяжній вентиляції. У лабораторії завжди повинні бути вода і засоби пожежогасіння (вогнегасники, ящик із піском, азбестова ковдра). При розсипанні продуктів зібрати їх вологою ганчіркою і здати керівнику роботи.

4. Порядок виконання та обробка результатів лабораторної роботи. Методи визначення гігроскопічності солей і піротехнічних сумішей базуються на поглинанні ними вологи при певній відносній вологості і температурі повітря. Певна відносна вологість створюється насиченими розчинами сірчаної кислоти різної концентрації. Перевага віддається сірчаній кислоті, оскільки зі зміною температури відносна вологість повітря над її розчинами змінюється в меншій мірі, ніж над розчинами солей (табл. 1).

Залежно від очікуваної гігроскопічності готуються розчини кислоти й поміщаються в різні ексикатори. На ексикаторах відзначаються значення відносної вологості А1,…, А4. Випробувана сіль або суміш після просіювання на ситовому приладі 028 і сушіння в сушильній шафі при 105±2 °С протягом 1 г розміщується у попередньо зважені на аналітичних вагах бюкси типу СН.

Потім зважуються бюкси з порошком, після чого вони поміщаються на порцелянові полички ексикатора та закривають кришкою. Бюкси в ексикаторі знаходяться відкритими, під час зважування закритими. Товщина шару порошку в бюксах 2 – 3 мм. При кожній відносній вологості проводяться три паралельних випробування.

29

Таблиця 1 – Залежність відносної вологості повітря від концентрації сірчаної кислоти при 20 °С

Відносна вологість, %

Концентрація кислоти Щільність кислоти,

кг/м3% г/дм3

9590858075706560555045403530

1419

22,526

29,5 32,5 35,5

38 40,5 42,6

45 47,5

5052

153,3215

255 308 360 407,5 449 488,5 529,1 562,7 601 659 697,5 735,8

10951131116011861215124012641286130813261347137113951415

Таблиця 2 – Результати вимірювань: тиск … мм рт. ст., температура …°С

Речовина,дисперсність,

мкм

Відноснавологість,

%

Кількість сорбованої вологи, %,через певний час, год

0,5 1 2 4 6 24 48

Для кожної речовини будується графічна залежність Δm(τ), за якою для кожної відносної вологості знаходиться рівноважна вологість на ділянці кривої, паралельної осі абсцис.

5. Оформлення звіту та захист лабораторної роботи:- назва роботи, мета, завдання;- об’єкт дослідження, схема установки, стислий опис;- технологічна карта (якщо розробляється студентом);- таблиці результатів експериментів;

30

- аналіз результатів і необхідні розрахунки;- графіки, діаграми, рисунки, висновки за результатами


зазначити, яким чином студент звітує про виконану роботу. Це може відбуватися шляхом співбесіди з використанням контрольних питань та обговорення результатів роботи, проведенням тестового контролю з теоретичного матеріалу відповідного розділу дисципліни.

Питання для самоперевірки1. Що таке гігроскопічність, які фактори впливають на

гігроскопічність речовини?2. Вплив гігроскопічності компонентів суміші на властивості

самої суміші.3. Порівняльна характеристика окиснювачів – солей за

гігроскопічністю.4. Механізм поглинання вологи солями.5. Методика визначення гігроскопічності в лабораторних

умовах.6. Аналіз результатів роботи.

31


Визначення фізико - хімічної стабільності піротехнічних сумішей

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику визначення фізико-хімічної стабільності піротехнічних сумішей.

1. Основні поняття та визначення. Під фізико-хімічною стабільністю ПС розуміють їх здатність зберігати свої властивості тривалий час. Зміни властивостей ПС при їх тривалому зберіганні визначаються незворотними хімічними процесами вихідних компонентів. При вивченні фізико-хімічної стабільності необхідно виявити ці можливі процеси і вибрати параметри, які досить чітко їх відображають.

У металовмісних системах, кількісно виміряних при зберіганні, є процес окиснювання металу. У багатьох ПС як металеве пальне містять порошки магнію, алюмінію та їх сплаву

32

АМ. Розкладання сумішей починається з корозії порошків цих металів за наявності у них вологи.

Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2, Al + 3H2O → Al(OH)2 + 1,5H2.

При застосуванні нітратів лужних і лужноземельних металів як окиснювачів водень, що утворюється при корозії металів, відновлює нітрати з виділенням аміаку:

Ba(NO3)2 + 8H2 → Ba(OH)2 + 4H2O + 2NH3.Физико-хімічна стабільність ПС цієї групи залежить від

корозійної стійкості металів у поєднанні з конкретним окиснювачем. Реакція взаємодії магнію з водою відбувається швидше, ніж алюмінію. Плівка окису магнію на частинках порошку пориста і погано захищає метал від корозії. Оксидна плівка на поверхні частинок алюмінію щільна, тому сполуки на основі алюмінію відрізняються більш високою стабільністю.

На процес окиснювання металу впливають продукти, що утворюються при первинній реакції. Корозія магнію відбувається інтенсивно у кислому середовищі. У лужному середовищі магній стійкий. Пояснюється це властивостями оксидної плівки магнію, не розчинної у лугах. Тому суміш порошків алюмінію з нітратом натрію менш стабільна, ніж суміш порошку магнію. Їдкий натр, що утворюється при взаємодії алюмінію з нітратом натрію за наявності вологи, значно прискорює корозію порошків алюмінію. Одночасно вміст у суміші порошків магнію та алюмінію знижує хімічну стабільність ПС. Це пояснюється тим, що у складі утворюються мікрогальванічні елементи магній - сіль - алюміній, наявність яких значно прискорює корозію магнію.

ПС на основі порошків сплаву АМ за хімічною стабільністю перевершують суміші з порошками магнію та алюміній окремо. Фізико-хімічна стабільність ПС, що містять порошки металів,

33

залежить від вмісту в них вологи, отже, від гігроскопічності окиснювача. Суміші нітратів свинцю і міді з магнієм за наявності вологи хімічно нестабільні через перебіг обмінних реакцій. Реакції відбуваються настільки інтенсивно, що може спостерігатися спалах у процесі розмішування.

Таким чином, можливість взаємодії компонентів ПС визначається їх хімічними властивостями і наявністю вологи. Для підвищення хімічної стабільності ПС застосовуються різні способи. Поширеним способом є герметизація готового виробу. Недолік цього способу - утворення надлишкового тиску над сумішшю внаслідок взаємодії металевого пального з вологою, допустимою у суміші та картоні. Надлишковий тиск може порушити герметичність або змінити розміри виробу. Тому способи, що виключають можливість взаємодії металевих порошків із водою у різних середовищах, більш ефективні. Захист від корозії порошків магнію та алюмінію досягається покриттям їх поверхні неорганічними і органічними плівками. Як органічні захисні матеріали застосовуються різні речовини у розчиненому вигляді або мономери й олігомери високомолекулярних сполук із подальшою полімеризацією.

2. Обладнання, прилади і матеріали: аналітичні ваги, газометр, піпетка, колба зі сферичним дном, пробірка з водою.

3. Заходи безпеки під час виконання роботи. Під час виконання роботи необхідно мати халат, користуватися гумовими або бавовняними рукавичками. Роботу проводити у витяжній шафі при ввімкненій витяжній вентиляції, користуватися захисними окулярами або головним щитком з органічного скла. У лабораторії завжди повинні бути вода і засоби пожежогасіння (вогнегасники, ящик із піском, азбестова ковдра). При розсипанні продуктів зібрати їх вологою ганчіркою і здати керівнику роботи.

34

4. Порядок виконання та обробка результатів лабора-торної роботи

Найбільш вірогідним методом оцінки фізико-хімічної стабільності ПС є тривале зберігання у складських умовах. При розробленні нових ПС, як правило, застосовують прискорені методи лабораторних випробувань сумішей, в яких використовується інтенсифікація впливу різних факторів (найчастіше це підвищені вологість і температура).

Одночасно з випробуваними сумішами розглядаються еталонні суміші, хімічна стійкість яких відома. При великій різноманітності ПС неможливо створити єдиний універсальний метод оцінки їх стійкості. Тому для кожної характерної групи сумішей та палива існують свої прискорені методи випробувань фізико-хімічної стабільності, наприклад, прискорені методи випробувань стабільності таких ПС:

- сумішей на основі металу і неорганічних окиснювачів;- сумішей, що містять хлорати або перхлорати лужних

металів і не містять металів;- металохлоридних сумішей. У цілому методи передбачають вплив вологи на суміш.

Випробування частіше проводяться з пресованими сумішами, а в деяких випадках із готовими виробами. За даною пробою хімічна стійкість ПС визначається в гігростатах при певній відносній вологості упродовж не менше 30 діб. Через кожні 10 діб визначається привіс. Наприкінці випробування суміш сушиться при 40-45 °С, і визначаються залишковий привіс і зміна активності металевого пального. Це дозволяє оцінити фізико-хімічну стабільність ПС та виробів щодо газовиділення, зміни активності металевого пального та спеціального піротехнічного ефекту. Крім того, визначається гарантійний термін зберігання виробів. Цей метод хоча і прискорений, але

35

комплекс випробувань триває більше місяця. Не обґрунтоване поширення результатів випробувань на вироби, в яких ПС не знаходиться в герметичних корпусах.

Через тривалість випробування ці методи не застосовуються у лабораторному практикумі.

Швидке визначення фізико-хімічної стабільності ПС здійснюється методом змочування його водою. Оцінка проводиться газо-, калори- й термометричним методами і за зміною розмірів пресованих елементів. Найбільш доступні термо- та газометричний методи.

Рисунок 1 – Криві температури змочування:1 – суміш BaNO2 – Al; 2 – освітлювальна суміш на ідитолі; 3 –

трасуюча суміш; 4 - суміш BaO2 – Mg; 5 – освітлювальні суміші на оліфі

За першим методом теплоізольована суміш змочується водою, а зміна температури постійно реєструється термометром. Ця проба дозволяє мати уявлення про стійкість до вологи сумішей з алюмінієм, магнієм та їх сплавами. Тепло виділяється в результаті екзотермічної реакції окиснення цих металів. Проба проводиться так. У склянку місткістю 75 мл поміщається наважка суміші 10 г. Після додавання до суміші 10 мл води

36

склянка швидко закривається пробкою з термометром і ставиться у кристалізатор, наповнений теплоізоляційним матеріалом. Прилад поміщається за прозорий екран, підвищення температури відмічається кожні 5 хвилин. Отримані дані зображуються у вигляді кривої температури змочування (рис. 1).

Для газометричного методу застосовується установка, показана на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема установки з газометром:1- колба зі сферичним дном; 2- ПС; 3- пробірка з водою; 4-

з’єднувальна трубка; 5- газометр; 6- розширювач Установка складається зі скляної колби із сферичним дном,

газометра, за який використовується бюретка об'ємом 50 см3. З метою зменшення коливань температури бюретка розміщується в скляну трубку з водяною сорочкою. Колба з газометром з'єднується гумовою трубкою. Температура приміщення вимірюється ртутним термометром, тиск - барометром типу БК-75.

37

Для випробування береться 5-10 г ПС, зважується на аналітичних вагах із точністю 0,0002 г й висипається в колбу. Дистильована вода (30 % від маси ПС) відмірюється піпеткою, переливається в пробірку об'ємом 5 см3, яка пінцетом обережно опускається в колбу з ПС. Колба з'єднується з газометром, нахиляється, щоб вода вилилася з пробірки й змочила ПС. Включається секундомір. Упродовж перших 10 хвилин з інтервалом 2 хв і наступних 20 хв з інтервалом 5 хв фіксується кількість газів, що виділилися. Тривалість одного випробування – 30 хв.

Обробка практичних даних та складання звіту. Хімічна стабільність ПС визначається за графічною залежністю t(τ) чи V(τ):

V0 = V t ∙273,2 ∙(P−p)

101,325 T,

V = V 0

m ,

де m - маса; V - об'єм газів, що виділяються, до одиниці маси суміші; V0 – об’єм газу в нормальних умовах; V t – об’єм газів за газометром; Р - зовнішній тиск; р – парці-альний тиск водяної пари; Т- температура повітря у приміщенні.

Результати випробувань зводяться до табл. 1.Таблиця 1 – Результати випробувань.Рецептура ПС, маса

Об'єм газів, см3

Час, хв2 4 …………….. 25 30

V t, см3

V0, см3

V, см3/кг

38

Будуються графіки газовиділення V(t). При випробуванні декількох сумішей усі криві будуються на одному графіку. Чим крутіша початкова ділянка кривої (більши тангенс кута) і чим більший об'єм газів, що виділяються, тим менш стабільний ПС.

У звіті подаються аналіз та пояснення результатів випробувань.

5. Оформлення звіту та захист лабораторної роботи:- назва роботи, мета, завдання;- об’єкт дослідження, схема установки, стислий опис;- технологічна карта (якщо розробляється студентом);- таблиці результатів експериментів;- аналіз результатів і необхідні розрахунки;- графіки, діаграми, рисунки, висновки за результатами


зазначити, яким чином студент звітує про виконану роботу. Це може здійснюватися шляхом співбесіди з використанням контрольних питань та обговорення результатів роботи, проведенням тестового контролю з теоретичного матеріалу відповідного розділу дисципліни.

Питання для самоперевірки.1. Що таке фізико-хімічна стабільність ПС.2. Фізико-хімічна стабільність ПС при застосуванні нітратів

лужних і лужноземельних металів.3. ПС на основі порошків сплаву АМ. 4. Методика визначення фізико - хімічної стабільності

піротехнічних сумішей.5. Аналіз результатів роботи.

39


Визначення теплоти згоряння піротехнічних сумішей

МЕТА РОБОТИ – освоїти методику визначення теплоти згоряння піротехнічної суміші.

1. Основні поняття і визначення. Теплотою згоряння називається максимально можлива теплота повного згоряння одиниці маси речовини. Теплота згоряння визначається для елементів, їх сполук і сумішей. Для елементів вона чисельно дорівнює теплоті утворення продукту згоряння. Теплота згоряння сумішей є адитивною величиною і може бути знайдена, якщо відома теплота згоряння компонентів суміші.

Горіння відбувається не тільки за рахунок кисню з утворенням окислів, тому можна говорити про теплоту згоряння елементів, сумішей і при їх взаємодії із фтором, хлором, азотом.

Знати теплоту згоряння необхідно при виборі компонентів ПС різного призначення і при оцінці їх повноти згоряння. Розрізняються вища Нв і нижча Нн теплоти згоряння.

Вища теплота згоряння на відміну від нижчої включає теплоту фазових перетворень (конденсації, затвердіння)

40

продуктів згоряння при охолодженні їх до нормальної температури, отже, нижча теплота згоряння враховує фізичний стан продуктів згоряння при температурі горіння.

Вища теплота згоряння визначається спалюванням речовини в калориметричній бомбі чи розрахунковим способом, вона, зокрема, включає в себе тепло, що виділяється при конденсації парів води, яка при 298 К дорівнює 44 кДж/моль (10,52 ккал/моль).

Нижче наведені значення вищої теплоти згоряння різних горючих речовин в кисні, віднесених до одиниці маси пального.

Питома теплота згоряння горючих, кДж/г (ккал/г)

Водень............................................................ 142,98(34,15)

Графіт.................................................................... 32,66(7,8)

Берилій ..............................................................66,49(15,88)

Бор.......................................................................... 58,62(14)

Літій ................................................................... 43,12(10,3)

Алюміній ............................................................. 30,98(7,4)

Кремній …………………………………….........32,24(7,7)

Магній..................................................................... 24,7(5,9)

Фосфор ................................................................. 24,28(5,8)

Титан..................................................................... 19,68(4,7)

Кальцій...................................................................15,91(3,8)

Цирконій ...............................................................12,14(2,9)

Якщо при значеннях теплоти згоряння зазначається фізичний стан продуктів згоряння (твердий, рідкий або газоподібний), індексами «вища», «нижча» нехтують.

41

Теплота згоряння - важлива характеристика ПС, оскільки від неї залежить ефективність дії тих або інших пристроїв, принцип дії яких базується на використанні тепла, що виділяється при горінні.

В умовах спалювання речовин теплота згоряння не реалізується повністю. Так, вона рідко буває більше 98 %, а для ПС вона значно нижча.

Для визначення теплоти згоряння найчастіше застосовується калориметрична установка.

Середні питомі теплоти згоряння, кДж/г (ккал/г) Фотосуміші……………………….7,1 – 12,6 (1,7 – 3)

Освітлювальні...……...………… 6,3 – 8,4 (1,5 – 2)

Запальні…………………………. 3,3 – 12,6 ( 0,8 – 3)

Сигнальні………………………….2,5 – 5 (0,6 – 1,2)

Димові……………………………..1,2 – 4,2 (0,3 – 1)

Повнота згоряння залежить від умов процесу горіння і властивостей компонентів ПС.

На повноту згоряння в калориметричній бомбі впливають умови диспергування та дифузії, відносні втрати тепла, які залежні від маси зразка, тиск, кисневий баланс, концентрація окисника у довкіллі.

2. Обладнання, прилади і матеріали: калориметрична установка.

42

Рисунок 1 – Схема калориметричної бомби:1 – склянка; 2 – трубка; 3 – стальне конусне кільце; 4 –

кришка; 5 – вентиль; 6 – центральний конус; 7 – ізоляційна прокладка; 8 – накидна гайка; 9 – гумова прокладка; 10 – тиглеутримувач; 11 – спіраль розжарювання; 12 – ніжки

Метод визначення теплоти згоряння ПС. Теплота згоряння визначається при спалюванні точно відміряної кількості речовини або ПС у калориметричній установці, кисню або азоту. Якщо необхідно повністю усунути вплив зовнішнього середовища на процес горіння сумішей, то згоряння проводиться у середовищі інертного газу, наприклад, аргону.

Калориметрична бомба (див. рис. 1) складається зі склянки, кришки і накидної гайки. Стакан бомби виготовляється з нержавіючої сталі й має робочий об'єм 300 см3 ± 10 см3. У центрі кришки у конусі 6 є канал, забезпечений вентилем 5 і трубкою 2, призначеними для видалення повітря з бомби, заповнення її киснем або інертним газом, а також для випуску газів після згоряння суміші. У кришці закріплений тиглетримач

43

10. Накидна гайка 8 зі сталі служить для з'єднання кришки зі склянкою.

Займання складу здійснюється від містка розжарювання 11, закріпленого одним кінцем до трубки, ізольованою від корпусу прокладкою 9, іншим до корпусу через тиглеутримувач 10. У нижній частині бомби є ніжки 12. Герметичність бомби досягається в результаті ущільнення гумовою прокладкою 9, поміщеною між кришкою бомби і сталевим конусним кільцем 3. При підвищенні тиску в бомбі така конструкція самоущільнюється.

Метод базується на точному вимірюванні приросту температури бомби або води в калориметрі, які нагріваються за рахунок тепла, що виділяється при згоранні суміші. Кількість теплоти підраховується множенням приросту температури на теплоємність калориметричної установки. Теплоємність калориметричної установки визначається вимірюванням водяного еквівалента калориметричної установки.

Визначення водяного еквівалента калориметричної установки. Водяний еквівалент калориметра - вагова кількість води. За теплоємністю, що дорівнює теплоємності системи, що складається з калориметричної посудини, калориметричної бомби з її вмістом і занурені у воду частини – мішалки та термометра. Водяний еквівалент чисельно дорівнює кількості тепла, необхідного для підвищення температури калориметричної системи на один градус.

Для наближеного визначення водяного еквівалента можна скористатися спалюванням у бомбі наважки будь – якої речовини, теплота горіння якої точно визначена і відома. За стандартний метод визначення водяного еквівалента для всіх лабораторій був прийнятий метод спалювання в бомбі

44

калориметра брикету еталонної бензойної кислоти в середовищі кисню при температурі повітря в приміщенні 20 °С.

Брикет виготовляється на пресі із попередньо висушеної до постійної маси, тонко подрібненої бензойної кислоти. Маса брикету близько 1 г, визначається з точністю до 0,0002 г. Брикет поміщається в калориметричну бомбу, куди попередньо наливається 1 мл дистильованої води. Для підпалювання брикету застосовується дріт із нікелю або сталі 3 діаметром 0,1–0,3 мм і довжиною 50–70 мм. Дріт попередньо зважується, додатково для підпалювання застосовуються бавовняні нитки довжиною близько 50 мм. Бомба герметизується.

За допомогою вакуум-насоса з бомби відсмоктується повітря, й вона наповнюється киснем до певного тиску. Підготовлена бомба поміщається в калориметричну установку, і проводиться спалювання наважки бензойної кислоти. Питома теплота горіння для дроту зі сталі 3 – 1600 кал/г (6,7 кДж/г); нікелінової - 775 кал/г (3,24 кДж/г); бавовняної нитки - 4000 кал/г (16,72 кДж/г).

Знаючи масу дроту й нитки та теплоту згоряння, можна визначити поправку на теплоту запалювання.

Водяний еквівалент W:

W = G

Qбк+q

t+ Δt ,

де G - маса брикету бензойної кислоти; Qбк- теплота згоряння бензойної кислоти; q - теплота згоряння містка розжарювання; t - підвищення температури калориметра; Δt - поправка на теплообмін калориметра.

Теплота згоряння стандартної бензойної кислоти береться з доданого до неї паспорта, визначена при температурі 20° С.

45

Числове значення водяного еквівалента калориметра визначається як середнє арифметичне з результатів не менш ніж п’яти запалювань бензойної кислоти. Найбільша розбіжність між результатами окремих запалювань не повинно перевищувати 8,5 Дж/г.

3. Заходи безпеки під час виконання роботи Під час проведення роботи необхідно мати халат,

користуватися гумовими або бавовняними рукавичками. Роботу необхідно проводити при ввімкненій витяжній вентиляції. У лабораторії завжди повинні бути вода і засоби пожежогасіння (вогнегасники, ящик із піском, азбестова ковдра). При розсипанні продуктів їх необхідно зібрати вологою ганчіркою і здати керівнику роботи.

4. Порядок виконання та обробка результатів лабораторної роботи. Проводиться підготовка калориметра. Заповнюється водою оболонка калориметра. У калориметричну посудину наливається вода з тією самою температурою, що і в оболонці, в кількості, визначеній висотою бомби. При зануренні бомби в посудину гайка її кришки повинна бути покрита водою. Калориметричну посудину з водою зважують на технічних вагах з точністю до 1 г. Ставлять на підставку всередину калориметра. Опускають мішалку.

Збирання бомби проводиться так. На кришці бомби монтується місток розжарювання, в якому посередині робиться 2-3 витка. В тигель поміщається пресована або порошкоподібна суміш, у місці контакту дроту із сумішшю – точна наважка еталонного ДРП. Кількість одночасно випробуваної суміші повинна відповідати конструкції бомби і вимогам правил техніки безпеки.

Кришка вставляється у стакан бомби, на кришку поміщається гумова прокладка, потім металеве кільце зрізом униз і

46

закручується накидною гайкою вручну до краю. Відкривається вентиль, під'єднується вакуум-насос із вакуумметром. Повітря видаляється до залишкового тиску не більше 3 мм рт. ст. (4-00 Па).

Якщо спалювання проводиться в газовому середовищі, то бомба заповнюється киснем, азотом або інертним газом. Повністю заряджена і заповнена бомба поміщається в центр калориметричної посудини, наповненої водою. На вентилі закріплюється один із струмопровідних проводів, кінець другого дроту під'єднується до корпусу бомби.

У калориметричну посудину опускається метастатичний термометр Бекмана так, щоб середина нижнього ртутного резервуара перебувала на рівні половини висоти бомби. Рівень ртуті у метастатичному термометрі повинен перебувати у межах 1 - 1,5° шкали. Закривається кришка калориметра, і включається мішалка. Через 10 хв, упродовж яких температура вирівнюється, визначається теплота згоряння.

Весь дослід, протягом якого будуть проводитися відліки температури, розбивається на три періоди: початковий, головний та кінцевий. Відліки показань термометра виконуються через кожні 30 секунд із точністю до 0,005°. Тривалість початкового періоду близько 2,5 хв (шість відліків температури).

Якщо у цей період будуть спостерігатися швидкі і нерівномірні зміни температури, дослід переривають, зроблені відліки температури відкидаються, і знову, зачекавши 10-15 хв, починається початковий період. Одночасно з останнім (шостим) відліком початкового періоду подається напруга на місток розжарювання. Відмічається величина прикладеної напруги на вольтметрі, сила струму на амперметрі і час розжарювання дроту на перегорання за секундоміром. З моменту подачі

47

напруги на містку розжарювання починається головний період калориметричного досліду. Упродовж головного періоду згорає наважка, тепло, що виділяється, передається калориметру, і вирівнюється температура всіх частин калориметричної системи. Кінцем головного періоду вважається відлік, після якого почалося зниження температури, що відповідає початку кінцевого періоду. Упродовж кінцевого періоду робиться п'ять відліків, які служать для спостереження та урахування теплообміну калориметра з навколишнім середовищем в умовах кінцевої температури досліду.


Таблиця 1 – Технологічна карта лабораторної роботиНазва

операціїТехнічні засоби, що використовуються

Зміст технолог-гічної операції

Результат

Результати експериментів, отримані під час виконання лабораторної роботи, є базою як для безпосереднього аналізу і узагальнення, так і для подальших розрахунків, які підтверджують справедливість тих чи інших теоретичних положень. При цьому необхідно звернути увагу на оцінку імовірності (похибки) експерименту. Тут також можуть бути наведені форми таблиць, в яких реєструються результати дослідів і проводиться їх обробка.


48



Питання для самоперевірки1. Що таке теплота згорання, вища та нижча теплота

згорання?2. Визначення теплоти згорання в лабораторних умовах.3. Калориметрична установка.4. Визначення водяного еквівалента калориметричної

установки.5. Аналіз результатів роботи.


Визначення чутливості піротехнічних сумішей до удару

МЕТА РОБОТИ – засвоїти методику визначення чутливості піротехнічної суміші до удару.

1. Основні поняття і визначення. Чутливість до удару ПС - це сприйнятливість їх до дії удару вантажу з певною енергією. Вплив ударом у технологічному процесі і при поводженні із сумішшю, як правило, випадковий і може бути причиною нещасних випадків. Маса вантажу, висота його падіння і жорсткість співударних деталей, що призводять суміш до ступеня займання, створюють небезпечні умови при впливі удару.

49

Про відносну чутливість ПС судять на підставі результатів випробування порівняльних ПС у строго одноманітних умовах впливу удару.

У літературі єдиної думки про механізм пробудження вибуху під впливом удару немає. Найбільш поширена теплова теорія пробудження вибуху при ударі (Ю. Б. Харитон, А. Ф. Бєляєв, Н. А. Холева, Боуден та ін.), згідно з якою енергія удару, концентруючись у локальних точках (гарячих точках), викликає розігрів речовини до температури самозаймання.

Згідно з хімічною теорією хімічне перетворення при ударі пробуджується внаслідок деформації молекул - руйнування хімічних зв'язків.

Механізм позитивної електризації при впливі ударом, тертям, електричним полем, світлом, позитивно зарядженими частинками пояснює пробудження вибуху зменшенням кількості вільних електронів у масі ВР нижче критичної межі.

Проте жоден із розглянутих механізмів збудження вибуху під впливом удару не може дати однозначного пояснення відносного характеру чутливості ВР і ПС та зміни порядку їх чутливості не тільки до різних видів впливів, але навіть зміни умов випробування до одного виду впливу, наприклад, у різних приладах при ударі.

2. Обладнання та методи для визначення чутливості до удару

Чутливість ПС визначається на вертикальних копрах. Застосовуються роликові пристрої (рис. 1) різних конструк-цій, у приладах суміш розміщується між роликами, укладеними у муфті з піддоном. Пристрої встановлюються на ковадло копра по центру з похибкою ± 1 мм.

50

Чутливість до тертя оцінюється верхньою та нижньою межами. Верхня межа чутливості - найменша висота падіння вантажу, при якій спостерігається 100 % (95±5) вибухів.

а бРисунок 1 – Роликовий прилад для визначення чутливості до

удару 1 (а) та 2 (б)Нижня межа чутливості - найбільша висота падіння вантажу,

при якій спостерігається 100 % відмов. Іноді чутливість виражається частістю вибухів при падінні вантажу з висоти 0,25 м.

Запалюванням вважається повна або часткова реакція ПС із звуковим, світловим, димовим ефектами або характерною зміною кольору суміші.

Суть методу полягає у визначенні максимальної кінетичної енергії удару, яка не призводить до запалення (нижня межа), і мінімальної енергії, що приводить до 100 % спалаху (верхня межа).

Випробування проводяться при різних сумарних жорсткостях системи:

fc = 115, 230, 460 МН/м,

fc = f у f э

f у+ f э,

51

де f у , f э- жорсткість ударника і пружних елементів відповідно.

Енергія удару Т і тиск р, що виникають у суміші, визначаються за формулами

Т = mgh,

P = √2 f c T0,785 d2 ,

де m – маса вантажу; h – висота падіння вантажу; g = 9,81 м/с2; d – діаметр ударника (ролика). Клас та ступінь небезпеки визначаються за мінімальною

енергією у небезпечних умовах впливу.3. Заходи безпеки під час виконання роботи. Під час

проведення роботи необхідно мати халат, користуватися гумовими або бавовняними рукавичками. Роботу проводити при ввімкненій витяжній вентиляції. У лабораторії завжди повинні бути вода і засоби пожежогасіння (вогнегасники, ящик із піском, азбестова ковдра). При розсипанні продуктів, їх необхідно зібрати вологою ганчіркою і здати керівнику роботи.

4. Порядок виконання та обробка результатів лабораторної роботи

Знежирюють робочі площі поверхні ударників (роликів).Примітка. Повторне використання роликів допускається

тільки після їх шліфування.ПС зважується на аналітичних вагах у кількості 0,05 г ±

0,002 г і рівномірно розподіляється між робочими площами поверхні роликів. Споряджений прилад, пружні елементи необхідної жорсткості встановлюються на ковадло копра.

52

Під впливом удару, підбираються висота падіння і маса (10, 20, 40 кг) вантажу, при яких із 10 випробувань виходить 7-9 відмов. Потім підбираються висота падіння і маса вантажу, при яких з 10 випробувань виходить 7–9 запалювань.

Випробування проводяться при всіх поєднаннях значень жорсткості співударних деталей 115, 230 і 460 МН/м і ваги вантажу 10, 20, 40 кг. Результати випробувань записуються в робочий журнал. Визначаються клас і ступінь небезпеки сумішей.


Таблиця 1 – Технологічна карта лабораторної роботи Назва операції

Технічні засоби, що використовуються

Зміст технологічної операції

Результат

Результати експериментів, отримані під час виконання лабораторної роботи, є базою як для безпосереднього аналізу й узагальнення, так і для подальших розрахунків, які підтверджують справедливість тих чи інших теоретичних положень. При цьому необхідно звернути увагу на оцінку імовірності (похибки) експерименту. Тут також можуть бути наведені форми таблиць, у яких реєструються результати дослідів і проводиться їх обробка.


53



Питання для самоперевірки1. Що таке чутливості піротехнічних сумішей до удару?2. Установки для визначення чутливості ПС до удару.3. Нижня межа чутливості.4. Що таке запалювання?5. Аналіз результатів роботи.

Список літератури.

1. Шидловский А. А. Основы пиротехники / А.А. Шидловский. – М.: Машиностроение, 1973. – 371 с.

2. Силин Н. А. Окислители гетерогенных конденсированных систем / Н. А. Силин, В. А. Ващенко, Н. И. Зарипов. – М.: Машиностроение, 1978. – 456 с.

3. Павлышин В. Г. Пиротехника / В. Г. Павлышин. – М.: ЦНИИНТИ, 1975.

54

4. Воскресенский П. И. Техника лабораторных работ / П. И. Воскресенский. – М.: Химия, 1964.

5. Батурова Г. С. Лабораторные работы по курсу «Теоретические основы пиротехники» / Г. С. Батурова, Н. Х. Валеев, Ю. В. Карпов, Л. Н. Свиридов. – М.: ЦНИИНТИ, 1984. – 240 с.

6. Горовой В. Р. Производство пиротехнических составов и средств / В. Р. Горовой, Н. А. Бильдюкевич, В. П. Чулков. – М.: Машиностроение, 1982. – 175 с.

7. Ellern H. Military and Civiliam Pyrotechnics/ H. Ellern. – N.y:1968. – 456 p.

8. Юрьев П. Г. Зажигательные вещества и средства их применения / П. Г. Юрьев // Журнал Всероссийского химического общества им. Д.И. Менделеева. – 1968. – Т.13, Вып. 6. – 648 с.

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ


«Хімічна технологія високомолекулярних сполук»55

денної форми навчання

Відповідальний за випуск В. К. Лукашов Редактор Н. В. Лисогуб Комп’ютерне верстання А. О. Єфименко

Підп. до друку 13.05.13, поз.Формат 60×84/16. Ум. друк. арк. 3,72. Обл.-вид. арк. 2,51. Тираж пр. Зам.

№Собівартість вид. грн. к.

Видавець і виготовлювачСумський державний університет,

вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, 40007Свідоцтво суб’єкта видавничої справи ДК № 3062 від 17.12.2007

56

lib.sumdu.edu.ualib.sumdu.edu.ua/library/docs/rio/2013/m3493.docx · Web viewтемпература...

Documents

Transcript of lib.sumdu.edu.ualib.sumdu.edu.ua/library/docs/rio/2013/m3493.docx · Web viewтемпература...