Способ получения дисперсии окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы

Изобретение относится к способам получения компонентов для твердых ракетных топлив баллиститного типа с улучшенными характеристиками горения. Дисперсию окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы получают в результате реакции гидролиза ацетата меди с введением в процесс дополнительной операции - дозирования водного раствора едкого натра в суспензию нитроцеллюлозы в водном растворе ацетата меди при оптимальных соотношениях реагентов и температурно-временных режимах производственных операций. Способ обеспечивает выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы на уровне 86-98% и отличается малым содержанием солей меди в сточных водах. Полученный продукт используется для приготовления топливных композиций баллиститного типа, изготовление и переработка которых осуществляется по принятой технологии баллиститных топлив.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам получения компонентов твердого ракетного топлива баллиститного типа с улучшенными характеристиками горения. Регулирование характеристик горения твердых топлив, в том числе баллиститного типа, осуществляется, как правило, за счет использования модификаторов горения, эффективность которых зависит от способа ввода или от способа их подготовки.

Известен способ обеспечения баллистических характеристик двухосновного топлива с получением мезоэффекта за счет ввода соединений свинца и меди в виде истинного раствора (патент США № 3989776, С 06 В 21/00 от 2.11.1976 г.). Недостатком указанного патента является ограниченный выбор соединений, используемых в качестве катализаторов горения, образующих истинные растворы в органических растворителях.

Известен способ улучшения характеристик горения за счет модификации полимерной основы - нитроцеллюлозы (НЦ) или других нитро- и нитратных полимерных соединений путем химического или физического осаждения свинцово-медных модификаторов по патенту ФРГ № 2754855, С 06 D 5/00, 5/06 от 4.09.80 г. Недостатком этого патента является отсутствие в нем описания конкретных условий получения оптимального выхода осажденного модификатора горения.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ улучшения характеристик горения баллиститного топлива путем равномерного осаждения на волокнах НЦ окисей меди и свинца (патент РФ № 2167137, С 06 В 25/26, С 06 D 5/00 от 29.06.99 г.). Способ получения дисперсии окиси меди на волокнах НЦ по данному патенту заключается в проведении реакции гидролитического распада ацетата меди (АсСu) в среде водной взвеси НЦ при температуре 80-105°С при массовом соотношении НЦ и воды не менее 1:18. Данный способ получения дисперсии окиси меди на волокнах НЦ выбран в качестве прототипа.

Недостатками способа по прототипу является отсутствие количественных данных по выходу осаждаемой окиси меди, весовому отношению ацетата меди и воды и временным параметрам проведения процесса. При приемлемом для производства весовом отношении ацетата меди и воды, равном 1:50, выход окиси меди при упомянутых условиях не превышает 40%. Значительная часть ацетата меди уходит в сточные воды и теряется безвозвратно.

Общим признаком заявляемого изобретения с прототипом является модификация НЦ путем химического осаждения катализатора горения - окиси меди на волокна НЦ при проведении реакции гидролитического распада ацетата меди.

Техническая задача патентуемого изобретения заключается в получении высоких и более устойчивых выходов окиси меди (86...98%) на волокнах НЦ и снижении содержания медных солей в сточных водах.

Технический результат изобретения достигается путем нагревания суспензии нитроцеллюлозы в водном растворе ацетата меди при температуре 90...100°С, при этом процесс ведут при непрерывном, равномерном перемешивании и дозировании в суспензию водного раствора едкого натра в течение 50...70 минут, при мольном соотношении ацетата меди и едкого натра 1:0,5...1,0 с последующей выдержкой при постоянном перемешивании в течение 70...110 минут при температуре 90...100°С, при этом весовое отношение ацетата меди и воды составляет 1:50...100.

Процесс образования окиси меди описывается следующим общим уравнением:

Поскольку для связывания выделяемой уксусной кислоты и смещения равновесных процессов вправо мы применяем едкий натр, то в этом случае суммарный процесс отобразится следующим уравнением:

Образовавшийся при этом раствор уксусной кислоты и ацетата натрия способствует стабилизации нитроцеллюлозы (А.П.Закощиков, Нитроцеллюлоза, Оборонгиз, 1950, с. 336).

Уменьшение весового отношения ацетата меди и воды менее 1:50 приводит к существенному снижению выхода окиси меди. Увеличение этого отношения более 1:100 нецелесообразно из-за значительного уменьшения производительности реактора.

Снижение температуры процесса менее 90°С приводит к замедлению реакции гидролитического распада.

Пределы мольных соотношений ацетата меди и едкого натра 1:0,5...1,0 обеспечивают высокий выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы. При меньшем количестве едкого натра уменьшается выход окиси меди. Большее количество едкого натра экономически нецелесообразно.

Временные пределы дозирования раствора едкого натра в пределах 50...70 минут обеспечивают необходимую дисперсность окиси меди на уровне 3-20 микрон.

Примеры выполнения заявляемого изобретения.

Пример 1.

В обогреваемый реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и воронкой для дозирования, помещают 2500 вес.ч. воды и 25,0 вес.ч. ацетата меди, одноводного, включают перемешивание и после его растворения загружают 105...120 вес.ч. нитроцеллюлозы, нагревают до температуры 99±1°С и дозируют водный раствор едкого натра при мольном отношении ацетата меди и едкого натра 1:1 в течение 70 минут. По окончании смешения реагентов реакционную массу выдерживают при перемешивании в течение 110 мин и сливают маточный раствор. Влажную нитроцеллюлозу с осажденной окисью меди дважды промывают водой (НЦ:Н₂О=1:10 вес.ч.) при температуре 70...80°С, отжимают от воды и анализируют на содержание окиси меди. Выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы составляет 98,0%. Размер частиц окиси меди составляет 2-5 микрон.

Пример 2.

Аналогично примеру 1, но при выдержке реакционной массы после смешения всех реагентов в течение 70 минут, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы составляет 94,0%.

Пример 3.

Аналогично примеру 1, но при дозировании водного раствора едкого натра в течение 50 минут, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 97,0%. Размер частиц окиси меди составляет 15-20 микрон.

Пример 4.

Аналогично примеру 1, но при мольном отношении меди уксуснокислой, одноводной, и едкого натра 1:0,5, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 89,0%.

Пример 5.

Аналогично примеру 1, но при проведении процесса при 90±1°С, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 93,0%.

Пример 6.

Аналогично примеру 4, но при проведении процесса при 90±1°С, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 87,0%.

Пример 7.

Аналогично примеру 1, но при весовом отношении меди уксуснокислой, одноводной, и воды 1:50, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 94,0%.

Пример 8.

Аналогично примеру 7, но при проведении процесса при 90±1°С, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 90,0%.

Пример 9.

Аналогично примеру 8, но при мольном отношении меди уксуснокислой и едкого натра 1:0,5, выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы - 86,0%.

Положительный эффект изобретения состоит в получении высокого и стабильного выхода целевого продукта - окиси меди (до 98,0%) и значительного снижения загрязнения технологических вод медными солями за счет обеспечения оптимального соотношения ацетата меди и воды и дополнительного дозирования едкого натра при равномольном соотношении ацетата меди и едкого натра.

Предлагаемый способ получения окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы проверен в промышленных условиях ФГУП "Пермский завод им. С.М.Кирова" с положительным результатом.

Полученный продукт - нитроцеллюлоза с осажденной окисью меди используется для приготовления топливных композиций баллиститного типа, изготовление которых осуществляется известным способом по технологии баллиститных топлив.

Топлива, изготовленные с использованием нитроцеллюлозы, модифицированной по предлагаемому изобретению, имеют улучшенные характеристики горения: скорость горения при Т=20°С и Р=100 кгс/см² - на уровне 28-32 мм/с, низкую зависимость скорости горения от давления и от температуры - показатель ν в законе U=U₁ Pν в области Р=150-350 кгс/см² составляет 0,20-0,22, температурный градиент в интервале температур ±50°С равен 0,10-0,12%/°С. Улучшение характеристик горения достигается за счет осаждения модификатора горения на волокнах НЦ на молекулярном уровне и его равномерного распределения.

Способ получения дисперсии окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы путем нагревания суспензии нитроцеллюлозы в водном растворе ацетата меди, отличающийся тем, что процесс ведут при непрерывном равномерном перемешивании и дозировании в суспензию водного раствора едкого натра при температуре 90-100°С в течение 50-70 мин, при мольном соотношении ацетата меди и едкого натра 1:0,5-1,0 с последующей выдержкой при постоянном перемешивании в течение 70-110 мин при температуре 90-100°С, при весовом соотношении ацетата меди и воды 1:50-100.