Пироксилиновый порох

 

Изобретение относится к технике и технологии изготовления пироксилиновых порохов, обладающих специальными технологическими и баллистическими свойствами. Пироксилиновый порох, зерна которого имеют пористую структуру, включает высокоазотистую нитроцеллюлозу, дифениламин, флегматизатор-диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат, растворимую соль калия, представляющую собой сульфат калия, графит и летучие вещества, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: дифениламин 1,0-2,0; сульфат калия 0,1-0,5; диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат 2,2-4,1; графит 0,05-0,15; летучие вещества 1,4-3,2; нитроцеллюлоза высокоазотистая остальное, причем пористость многоканальных зерен находится в диапазоне 5,0-8,5%, а летучие вещества структурно включают, мас.%: удаляемые 1,0-1,6, в том числе вода 0,5-1,5, и неудаляемые: этиловый спирт и диэтиловый эфир 0,4-0,6. Предложенный порох характеризуется низкой температурной чувствительностью, малой зависимостью баллистических характеристик от начальной температуры заряда, обладает малым температурным градиентом давления. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к технике и технологии изготовления пироксилиновых порохов, обладающих специальными технологическими и баллистическими свойствами.

Уровень техники характеризует многоканальный зерненый пироксилиновый порох на основе нитроцеллюлозы, флегматизированный, графитованный, пористый (см. В. И. Гнедич "Технология пироксилиновых порохов", т. 2, Казань, ТГЖИ, 1995 г. , с. 282, 285), который включает дифениламин, калийную селитру или сульфат калия - порообразователь, камфору - флегматизатор, графит и летучие вещества.

Камфору в качестве флегматизатора в состав пороха вводят в виде раствора в спирте при соотношении 1: (1,5-2) с добавлением в раствор дифениламина (0,2-0,3 мас. % пороха) для сохранения химической стойкости пороха. С целью увеличения гравиметрической плотности и предотвращения электризации пороха добавляют порошковый графит в диапазоне содержания 0,1 - 0,4 мас.%.

Флегматизация пороха основана на использовании способности пироксилинового пороха поглощать спиртовые растворы веществ, уменьшающих скорость горения.

Учитывая, что такие растворы диффундируют на глубину 0,02 - 0,03 мм и их концентрация убывает по мере увеличения глубины проникания, порох приобретает способность гореть с переменной скоростью: в начале с меньшей, а затем - с большей. Соответственно изменяется и закон газообразования, то есть обеспечивается прогрессивное горение.

Недостатком указанного состава является неудовлетворительные баллистические характеристики, низкие начальная скорость и максимальное давление, при использовании его в качестве артиллерийского пороха для выстрела малого калибра.

Более эффективным по энергетике, выбранным в качестве ближайшего аналога по числу совпадающих признаков, является пористый пироксилиновый порох по патенту РФ N 2071958, C 06 B 25/18, опубл. 20.01.97 в бюл. N 2, который содержит, мас. %: 0,3 - 0,8 флегматизатора, 0,8 - 1,4 дифениламина, 0,1 - 0,5 калийной селитры, 0,1 - 0,9 графита, 0,2 - 1,8 летучих веществ и высокоазотистую (204 - 213 мл NO/г) нитроцеллюлозу - остальное.

В качестве флегматизатора используют: ди-н-бутилфталат или ди-н-октилфталат, или α-ω-метакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат или три (окси-этилен) α-ω-метакрилат, или диэтилдифенилмочевина, или их смеси. Практическое использование в качестве эффективного и технологического флегматизатора получил диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат промышленной марки МГФ-9, хорошо совместимый с остальными компонентами пороха.

Водородастворимая соль калия является остаточным неударяемым компонентом и служит порообразователем при выщелачивании из объема полуфабриката после формования зерен и удаления растворителя (40 - 80% к массе нитроцеллюлозы по вводу).

Особенностью этого вида порохов является два вида прогрессивности: геометрическая, связанная с формой и размерами пороховых элементов (например, семиканальный порох с толщиной горящего свода зерна 0,7 мм, длиной зерна 4,5 - 5,0 мм для зарядов к пушкам типа АО-18 и пушке БМП), и химическая, обусловленная тем, что поверхность пороха определенной пористости обрабатывается флегматизатором, преимущественно диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталатом.

Технология изготовления этого пороха не отличается от аналога, а могущество заметно выше.

Однако продолжением достоинства известного пороха являются его недостатки. Высокопористая структура флегматизированного пороха (20 - 40%) при плотности 1,0 - 1,4 г/см³ обеспечили повышение скорости газообразования и быстрое сгорание, что в артиллерийских системах приводит к возрастанию максимального давления, снижению массы заряда, начальной скорости и дальности стрельбы.

Кроме того, функциональные возможности известного пороха ограничены снижением баллистической эффективности артиллерийских выстрелов при температурах эксплуатации зарядов, превышающих 80^oC, по причине высоких значений его температурных коэффициентов.

Так, прирост в давлении и скорости в артиллерийских системах при температуре 50^oC составляет 12 - 50% и 2 - 5% соответственно, а при температуре 80^oC - примерно 30% по давлению.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка нового состава пороха с малым температурным градиентом по давлению, который обеспечил бы стабильную работу пушки и элементов патрона при высоких температурах (до 130^oC), практически имеющих место в трактах артсистем.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пироксилиновом порохе, зерна которого имеют пористую структуру, включающем высокоазотистую нитроцеллюлозу, дифениламин, диметакрилат (бистриэтиленгликоль)фталат, водорастворимую соль калия, графит и летучие вещества, согласно изобретению, он содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%: Дифениламин - 1,0 - 2,0 Сульфат калия - 0,1 - 0,5 Диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат - 2,2 - 4,1 Графит - 0,05 - 0,15 Летучие вещества - 1,4 - 3,2 Нитроцеллюлоза высокоазотистая - Остальное а пористость многоканальных зерен ограничена с диапазоне 5,0 - 8,5%, причем летучие вещества структурно включают, мас.%: Удаляемые - 1,0 - 1,6 (в том числе вода 0,5 - 1,5) и неудаляемые, в сумме:
Этиловый спирт и диэтиловый эфир - 0,4 - 1,6
Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечили увеличение мощности выстрела за счет поднятия уровня максимального давления в пушках при использовании в зарядах этого малоградиентного пороха простыми и экономическими средствами.

Предложенный состав пороха позволяет увеличить начальную скорость снарядов за счет увеличения уровня максимального давления: авиационных - на 5-7%, танковых - до 3%.

В диапазоне температур 15 - 80^oC порох не имеет практического прироста максимального давления, что позволяет повысить уровень давления при нормальных температурах (для 30-мм пушек АО-198, для БМП - на 300 - 500 кг/см², чем увеличить начальную скорость до 7%).

При температуре 110^oC повышение максимального давления в стволе составляет лишь 5-7%, а для штатного пороха прирост давления составляет 40%.

Следовательно, предложенный порох с малым температурным градиентом давления в диапазоне температур эксплуатации 15 - 130^oC обеспечивает прогрессивное горение и позволяет решить проблему повышения начальных скоростей снарядов за счет поднятия уровня максимального давления, значительно повысив этим баллистическую эффективность артиллерийских систем.

При этом предложенный состав пороха характеризуется малоэрозионностью и меньшим дульным пламенем.

Оптимизированное массовое содержание компонентов предложенного качественного состава пороха определяется следующим.

Дифениламин введен в состав пороха в диапазоне содержания, обеспечивающего химическую стабильность в течение гарантийного срока хранения (15 - 20 лет).

Остаточное содержание (0,1 - 0,5 мас.%) сульфата калия от содержания по вводу (3-5 мас. %) обеспечивает пористость элементов пороха 5,0 - 8,5% при плотности 1,50 - 1,55 г/см³. Удалить остаточный порообразователь менее 0,1 мас.% затруднительно технически. Нижняя граница содержания остаточного сульфата калия 0,1 мас.% обусловлена необходимостью гашения дульного пламени, а при его содержании в составе выше 0,5 мас.% в стволе образуется нагар, отрицательно действующий на автоматику пушки.

Введение графита ограничено по минимуму содержания не выше 0,15 мас.% из соображений сохранения условий вспламеняемости, учитывая, что относительно крупные зерна артиллерийского 7-канального пороха меньше подвержены электризации.

При содержании графита менее 0,05 мас.% не обеспечивается равномерность покрытия зерен, в результате ухудшается сыпучесть, а главное, порох взрывоопасен в дальнейшей технологической переработке по снаряжению боеприпасов.

Диапазон содержания летучих веществ определен следующим. Содержание летучих веществ менее 1,4 мас.% приводит к повышению максимального давления в канале ствола и снижению баллистической эффективности артиллерийских систем.

При содержании в составе пороха летучих веществ более 3,2 мас.% падает максимальное давление и начальная скорость снарядов ниже требуемых по условиям ТТТ на артиллерийские боеприпасы. Объем воды определен гигроскопичностью, уровнем равномерного состояния для этого типа порохов.

При введении этилового спирта и диэтилового эфира менее 0,4 мас.% в сумме порох характеризуется повышением максимального давления и снижением баллистических характеристик.

Предложенный флегматизатор диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат улучшает энергетику, а при его содержании в диапазоне 2,2 - 4,1 мас.% в сочетании с пористостью элементов 5,0 - 8,5% повышает прогрессивность горения пороха, увеличивая газопроход, но главное, снижается чувствительность баллистических характеристик от температуры заряда при выстреле, то есть порох отличается малоградиентностью по давлению, что увеличивает дальность и точность стрельбы при использовании нитроцеллюлозы с содержанием азота 208,5 - 210 мл NO/г.

Уменьшение величины пористости зерненного пороха ниже 5,0% и количества флегматизатора диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталата ниже 2,2 мас.% приводит к уменьшению уплотнения пороховых элементов при выстреле и, следовательно, к возрастанию максимального давления при повышенных температурах заряда, то есть появляется градиент давления.

Увеличение пористости более 8,5% и количества диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталата более 4,1 мас. % приводит к переуплотнению пороховых элементов при стрельбе, что в свою очередь, приводит к снижению величины максимального давления на повышенных температурах эксплуатации, значительно ниже уровня максимального давления при нормальной температуре, то есть к отрицательному градиенту давления.

Кроме того, пористая структура пороха при содержании флегматизатора выше верхней границы оптимизированного диапазона приводит к снижению баллистических показателей пороха при нормальной температуре.

Введение не менее 0,1 мас.% порообразователя K₂SO₄ в состав пороха при наличии флегматизатора МГФ-9 обеспечивает артиллерийскому пороху новое дополнительное качество - пламягашение в стволе.

Оптимизированный качественный и количественный состав предложенного пороха позволяет снизить температура горения в первоначальный момент, что создает более низкий разгар и, как следствие, уменьшает эрозию ствола.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, нового сверхэффекта как эффекта суммы, а не суммы эффектов, неприсущего признаками в их разобщенности.

Предложенное техническое решение иллюстрируется примером изготовления зерненного пироксилинового 7-канального пороха марки 6/7 П-5 БП фл, энергетическую основу которого составляет 90,05 - 95,25 мас.% высокоазотистой (208,5 - 210 мл NO/г) нитроцеллюлозы, последовательно по следующим операциям.

Пример.

Пироксилин с влажностью 30 - 32% на центрифуге обезвоживают этиловым техническим спиртом марки А, ГОСТ 1-7299-78 до содержания спирта 20 - 27%, а воды не более 3%.

Затем в лопастях или шариковых мешалках пироксилин обезвоживают с технологическим спирто-эфирным растворителем при добавлении предварительно растворенного в диэтиловом техническом эфире по ТУ 7506-804-97-90 дифениламина технического ГОСТ 194-80 массой 1,0 - 2,0% от массы пироксилина и 3 - 5 мас. % сульфата калия (K₂SO₄), ГОСТ 4145-74 до получения однородной пластифицированной массы.

Далее на гидропрессе со сменным инструментом, в частности для пороха 6/7 П-5 используют втулки с внутренним диаметром 4,8 мм и диаметром игл 0,3 мм, формируют профилированные шкуры, которые на станках Сангалли или Разулиева поперечно режут на заданную длину - 5,0 мм штучных зерен.

Из полученных зерен пороха удаляют технологический растворитель операцией провяливания в термошкафу при температуре 30^oC в течение 20 - 30 часов до содержания летучих веществ 10 - 15%.

После этого в бассейне с проточной водой при температуре 20 - 45^oC осуществляют вымачивание пороха в течение 100 - 200 часов, при котором выщелачивается водорастворимая соль K₂SO₄ до остаточного содержания не выше 0,5 мас. %, причем неудаляемые летучие вещества (спирт и эфир) составляют 0,7% в сумме. В результате получают плотность пороха 1,50 - 1,55 г/см³, что соответствует пористости 5,0 - 8,5%.

Полученный таким образом "серый" порох сушат равномерно разложенным на столах обдувом горячим воздухом при температуре 54 ± 2^oC до заданного содержания удаляемых летучих веществ, в частности воды в пределах 0,8 - 1,0 мас. %.

Флегматизацию зерненого пористого пороха проводят во вращающихся барабанах порционным впрыском через форсунки спиртоводного раствора олигоэфиракрилата марки МГФ-9, ТУ 6-01-450-86 в соотношении 1:1.

Флегматизицю совмещают с графитовкой путем многоразовой подачи в барабан порошкового графита "П", ГОСТ 8295-73 в количестве 0,05 - 0,15 мас.%.

Приготовленный порох сушат на столе до заданного содержания летучих веществ при температуре 54 ± 2^oC.

Флегматизатор МГФ-9 имеет более выгодную, сравнительно с альтернативными веществами прототипа, энергетику, а оптимизированное его содержание на развитой поверхности зерен способствует получению нового сверхэффекта - малоградиентности по давлению при различных температурах эксплуатации.

Это объясняется, очевидно, тем, что, являясь олигомером с длинными цепями, имеющими двойные связи, диметакрилат при хранении полимеризуется, в результате чего горение происходит с поверхности элементов, без проникновения вглубь, и давление при этом не растет.

Остаточный сульфат калия служит ингибитором газовой смеси продуктов горения пороха (CO, H₂) и кислорода воздуха, что обеспечивает снижение пламени в канале ствола.

Суть явления малоградиентности заключается в способности пороха уплотняться в процессе выстрела, при этом, варьируя свойства пороха (пористость, количество флегматизатора, толщина горящего свода) надлежащим образом, можно достичь такого эффекта, чтобы при повышении температуры пороховые элементы уплотнялись в большей степени, чем при нормальной температуре, и полученное в результате этого уменьшение поверхности горения компенсировало естественный прирост газопровода за счет ускорения химических реакций.

Полученный порох марки 6/7 П-5 БП фл с низкой температурной чувствительностью, то есть с малой зависимостью баллистических характеристик от начальной температуры заряда, обладает малым температурным градиентом давления, то есть является универсальным, что расширяет область его использования.

Сопоставительный анализ предложенного количественного и качественного состава пироксилированного пороха с выявленными аналогами уровня техники, из которого явным образом не следует для специалиста по порохам для боеприпасов, является не известным и может быть промышленно воспроизведен на действующем оборудовании по штатной технологии, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Формула изобретения

1. Пироксилиновый порох, зерна которого имеют пористую структуру, включающий высокоазотистую нитроцеллюлозу, дифениламин, флегматизатор-диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат, растворимую соль калия, графит и летучие вещества, отличающийся тем, что в качестве растворимой соли калия он содержит сульфат калия при следующем соотношении ингредиентов:
Дифениламин - 1,0-2,0
Сульфат калия - 0,1-0,5
Диметакрилат (бистриэтиленгликоль) фталат - 2,2-4,1
Графит - 0,05-0,15
Летучие вещества - 1,4-3,2
Нитроцеллюлоза высокоазотистая - Остальное
причем пористость многоканальных зерен находится в диапазоне 5,0-8,5%.

2. Пироксилиновый порох по п.1, отличающийся тем, что летучие вещества структурно включают, мас.%:
Удаляемые - 1,0-1,6, в том числе вода 0,5-1,5
и неудаляемые
Этиловый спирт и диэтиловый эфир - 0,4-0,6и