4.1.2 Реология пороховых масс баллиститных П и ТРТ
4.1.2.1 Исследование технологических свойств баллиститных порохов на ранней стадии их разработки
Баллиститный порох относится к классу псевдопластиков с ярко выраженными неньютоновскими свойствами. Исследо вание его реологических свойств начато еще в 40-х годах в ЛХТИ [84, 85] на втулочном вискозиметре.
Вследствие высокой вязкости пороха (Ю8...10п пуаз) его течение сопровождается пристенным скольжением. Поэтому К. И. Баженовым с сотрудниками [86—88] были применены резьбовые втулки, при прессовании через которые оценива лось напряжение сдвига у стенки, названное коэффициентом внутреннего трения (тп).
Отношение коэффициента внутреннего трения к удельному внешнему трению Баженов назвал коэффициентом техноло
гичности: |
|
K7-=*n/ V |
(4.11) |
Авторами [89, 90] методика определения технологических свойств была усовершенствована, и А. М. Князевой [90] про ведены широкие исследования реологических свойств балли ститных порохов. Она установила предельные значения для кТ (15), для внутреннего трения тп (9... 17 кг/см2) и внешнего тре ния тц (<3 кг/см2).
М. Д. Гусаковой [91—93] предложен метод оценки внутрен него трения (вязкости) по растяжению порохового образца:
(4.12)
/, где — — относительное удлинение образца при температуре (.
А/
За меру технологичности пороховой массы принималось отношение удлинения образца к коэффициенту внешнего тре ния, который определялся на дисковом приборе [93].
В работах [94—95] разработаны методы определения внеш него трения на скользящей под прижатым образцом тележке и внутреннего трения — на ротационном вискозиметре, рабо чий объем которого выполнен в виде шестигранной призмы, а вал имеет рифленую нарезку.
Удельное внутреннее трение определяется из выражения:
166
|
|
2M ^ |
T |
Tl |
(4.13) |
|
nd2h' |
где Мкр — крутящий момент, d — наружный диаметр ри фов, h — длина рифов.
Д. Л. Русин [96] для определения внешнего трения исполь зовал усовершенствованный им трибометр.
Наиболее обстоятельные исследования реологических свойств баллиститных порохов были проведены Д. И. Гальпе риным, В. В. Мошевым, Е. С. Степановым [97—101]. Выпол ненные ими опыты на различных типах вискозиметров пока зали применимость степенного закона для функции у = / (т). Эмпирические константы к и « по результатам этих исследо ваний являются абсолютными характеристиками, не завися щими от конструктивных размеров вискозиметров. По абсо лютной величине для различных составов и температур к на ходится в пределах 10-23... 10-5, п — 12...4. При этом скорость сдвига изменялась в диапазоне трех десятичных порядков.
Изменение температуры в пределах 70...80°С оказывает значительное влияние на пластические свойства пороховых масс1. С ростом температуры константа к возрастает. Что ка сается величины и, то увеличение температуры в некоторых случаях приводит к ее уменьшению, а в некоторых оставляет без изменения.
В исследованном диапазоне скоростей деформаций и на пряжений сдвига пороховые массы не имеют предельного на пряжения сдвига в бингамовском смысле и не обладают за метно выраженными тиксотропными свойствами.
Установленные зависимости между напряжением и скоро стью деформации справедливы только для линейного напря женного состояния. Исследуя течение пороха в раструбном пресс-инструменте, Е. С. Степанов [101] использовал извест ное соотношение Муни [102] между объемной скоростью тече ния (Qy) и давлением R
где R — радиус отверстия, А, п — константы.
1Название «пластические» свойства, употребляемое многими авторами, в применении к баллиститным порохам, не имеющим бингамовского напря жения сдвига, неточно.
167
На основании исследований, проведенных на специальном приборе, Е. С. Степанов уточнил эмпирическую формулу Му ни применительно к баллиститным порохам:
(4.15)
где В, п' — константы пороховой массы в условиях объем но-напряженного состояния.
Все работы, посвященные изучению реологических свойств баллиститных порохов, в той или иной степени затрагивают и вопросы внешнего трения. Это понятно, ибо описание лю бого процесса течения невозможно без знания закономерно стей внешнего трения пороховых масс, тем более что пристен ное скольжение сопровождает течение массы в канале винта и в раструбном пресс-инструменте.
Работами [86—90, 97—101] было установлено:
—коэффициент внешнего трения порохов не является константой, поэтому целесообразно характеризовать его удель ной величиной;
—в интервале 50...700 кгс/см2 удельное трение практиче ски не зависит от давления, но существенно падает с повыше нием температуры;
—внешнее трение зависит от состава пороха, различные
компоненты по-разному влияют на тм: нитроцеллюлоза, окси ды магния, свинца увеличивают, а вазелиновое масло, стеарат цинка снижают удельную силу трения;
—внешнее трение не зависит от скорости скольжения;
—тц зависит от типа металла и чистоты обработки его поверхности. Удельная сила трения по бронзе в 2—2,5 раза больше, чем по стали.
Исследования В. С. Кальницкого [95] и Д. Л. Русина [96], проведенные на различных порохах, в том числе и металлосо держащих, в широком диапазоне температур, уточнили зави симость внешнего трения от давления и скорости скольжения:
— в интервале температур до 70°С тц увеличивается с рос том давления, при Т = 80...90°С тм, начиная с Р = 50 кгс/см2, практически не зависит от давления. Это связано с изменени ем площади контакта пороха и подтверждает применимость теории трения Б. В. Дерягина [103, 104]:
РГР =Р-^+Цо^О+^деф> (4.16)
168
где \imN — составляющая, связанная с микро- и макрорелье фом поверхности полимера; po^Vo — адгезионная составляющая трения, обусловленная молекулярными силами притяжения поверхностей; Рдеф — деформационная составляющая;
— в температурном диапазоне 65...85°С наблюдается плав ный рост тм при увеличении скорости скольжения.
Для высоконаполненных баллиститных порохов внешнее трение возрастает пропорционально логарифму скорости скольжения.
Д. Л. Русин получил эмпирическую формулу: |
|
(% ~ а) = e(lg0-1,906), |
(4.17) |
где а, в — постоянные, зависящие от типа технологической добавки.
4.1.2.2 Методы исследования реологических свойств пороха
В соответствии с общепринятой теорией течения полиме ров вязкое течение пороха в силовом поле следует рассматри вать как процесс, состоящий из активизированных перескоков отдельных звеньев макромолекул нитроцеллюлозы. Некоторые авторы считают, что в элементарном акте перемещения участ вуют не только отдельные макромолекулы, но и их конгломе раты [105 — 109]. В баллиститном порохе такой механизм те чения наиболее вероятен по следующим причинам:
— нитроцеллюлоза является полимером с высокой степе нью упорядоченности (степень кристалличности — 50...70%);
—нитроглицерин — малоактивный пластификатор и пре имущественно диффундирует в аморфную часть нитроцеллю лозы [110];
—нитроцеллюлоза имеет высокую энергию межмакромолекулярного взаимодействия (5...7 ккал/моль на длине 5Д).
Таким образом, кристаллическая часть нитроцеллюлозы, существенно менее пластифицированная, чем аморфная, явля ется в значительной мере наполнителем пороховой системы. Именно упорядоченная часть вследствие слабой разрушенно сти первоначальной структуры и создает в порохе конгломера ты жесткосвязанных, слабо деформирующихся макромолекул (особенно необратимо), которые в элементарном акте переме щения выступают как единое целое. Течение же пороха осу ществляется, в первую очередь, за счет необратимой деформа ции макромолекул пластифицированной аморфной части. Эта деформация происходит, так же как и при любом вязком те-
169
чении, направленной диффузией (скачками) отдельных сег ментов макромолекул. В самом акте перемещения необрати мую деформацию могут получить много макромолекул одно временно, если они связаны в конгломерат, но достижение этой деформации возможно только перескоком (активирован ным) сегмента необратимо деформирующихся макромолекул в новое положение.
Таким образом, течение баллиститного пороха с большой долей вероятности подчиняется общепринятой теории вязкого течения полимеров. В порохе прй течении исключается воз можность перемещения всей макромолекулы одновременно с обрывом межмакромолекулярных связей.
На основании вышесказанного при выборе метода иссле дования реологических свойств необходимо исходить из тако го течения, при котором бы исключалось явление обрыва межмакромолекулярных и внутримолекулярных связей (срез). Используемые в приведенных выше исследованиях методы (рифленые втулки, ротационные вискозиметры с рифлением и шестигранной втулкой) в той или иной степени имеют этот недостаток, что снижает объективность получаемых результа тов.
При выборе вида деформации необходимо руководство ваться следующими соображениями:
— течение пороха в канале винта при одностороннем его торможении на рифах втулки осуществляется за счет линейно го сдвига в направлении, противоположном перемещению массы в канале винта. Если пренебречь влиянием трения о реборды винта и составляющей нормальной силы давления реборды, можно считать, что вязкие свойства пороха, опреде ленные в условиях простого сдвига, с достаточной точностью будут характеризовать закономерность его течения в канале винта;
— при течении в раструбном пресс-инструменте, где де формация определяется геометрией конфузорной части, порох находится в объемно-напряженном состоянии. Применение в этом случае характеристик, полученных для простого сдвига, не может привести к правильному решению задачи, поэтому реологические свойства пороха должны определяться для усло вий объемного деформирования;
— порох, находящийся в канале винта, удерживается от вращения на рифах втулки за счет сопротивления срезу, т. е. предельное напряжение на срез хср также является важнейшей
170