Materiały wybuchowe, ebooki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
I WSTĘP.
W niniejszej pracy przedstawiono przykłady materiałów wybuchowych, które były
często lub są nadal stosowane w technice zarówno wojskowej jak i cywilnej. Praca składa
się z dwóch części, części literaturowej i doświadczalnej.
W części literaturowej pracy dokładnie omówione zostały zagadnienia dotyczące
budowy, właściwości, sposobów otrzymywania oraz zastosowania najczęściej
stosowanych materiałów wybuchowych. Wyjaśnione zostały podstawowe pojęcia
związane z pirotechniką, a także właściwościami mechanicznymi związków
wybuchowych. Dokładnie omówiono właściwości fizyczne prawie wszystkich związków
wybuchowych, podano ich wzory strukturalne.
Dokonano również podziału związków wybuchowych na: materiały inicjujące,
materiały kruszące, materiały miotające, mieszaniny wybuchowe i masy pirotechniczne.
Każdy podział zawiera przykłady związków, ich wzory i procesy technologiczne
otrzymywania.
W części doświadczalnej pracy przedstawiono kilka ciekawych i widowiskowych
doświadczeń chemicznych, które mogą być z łatwością wykonane w szkolnym
laboratorium chemicznym. Do części doświadczalnej zostały wybrane proste przykłady, do
których potrzebne odczynniki są ogólnie dostępne.
5
II CZĘŚĆ LITERATUROWA.
1 Podstawowe pojęcia.
Pirotechnika
– słowo to pochodzi z języka greckiego (pўr), w którym oznacza
ogień. Pirotechnika jest, więc określeniem działu technologii chemicznej obejmującego
otrzymywanie mas pirotechnicznych i sporządzanie z nich wyrobów pirotechnicznych,
używanych do przenoszenia ognia i wywoływania efektów optycznych i akustycznych.
Wyroby pirotechniczne sÄ… stosowane w technice cywilnej (np. rakiety sygnalizacyjne,
ognie sztuczne) i wojskowej (środki zapalające, oświetlające, materiały wybuchowe).
Materiał wybuchowy
- substancja, która pod wpływem zewnętrznego bodźca
energetycznego (lub samorzutnie) może ulec szybkiej reakcji chemicznej z wydzieleniem
znacznej ilości ciepła i produktów gazowych. Materiałami wybuchowymi mogą być
związki chemiczne lub mieszaniny występujące w stanie stałym, ciekłym lub gazowym
(mieszaniny wybuchowe mogą być układami wielofazowymi). Właściwości wybuchowe
nadajÄ… zwiÄ…zkom chemicznym tzw. grupy eksplozoforowe:
• nitrowa -NO
2
,
• azotanowa -ONO
2
,
• chloranowa -C1O
3
,
• nadtlenkowa -O-O-,
• azydkowa -N
3
,
• piorunianowa -O-N=C,
• acetylenkowa -C≡C-,
• i inne.
Najprostsze mieszaniny wybuchowe składają się z dwóch składników:
• substancji zawierającej znaczne ilości tlenu (utleniacza),
• substancji palnej (paliwa).
Podstawowe rodzaje przemian materiałów wybuchowych to palenie, deflagracja
i detonacja. Prędkość liniowa reakcji rozkładu materiałów wybuchowych wynosi od
ułamka mm/s (palenie) do 9 km/s (detonacja). Ciepło wybuchu wynosi kilka tysięcy kJ/kg,
a ilość gazów powstających podczas rozkładu to kilkaset dm
3
/kg. Materiały te muszą
charakteryzować się:
• odpowiednią wrażliwością na bodźce energetyczne (nie za dużą ze względu na
bezpieczeństwo i nie za małą ze względu na niezawodność pobudzania),
• dostateczną trwałością w czasie przechowywania,
• wystarczającym zasobem energii do wykonywania pracy.
Wymienione oraz dodatkowe wymagania, np. dla materiałów wybuchowych
wojskowych, znacznie ograniczają liczbę materiałów wybuchowych stosowanych w
praktyce.
6
Wybuch
– pojęciem tym określamy zespół zjawisk towarzyszących bardzo
szybkiemu przejściu układu z jednego stanu równowagi w drugi, podczas którego wyzwala
się duża ilość energii.
Wybuch dzielimy na:
• fizyczny - gdy układ ulega tylko zmianom fizycznym, np. wybuch kotła parowego,
wyładowania atmosferyczne, erupcje wulkaniczne,
• chemiczny - gdy przyczyną wybuchu jest bardzo szybka, silnie egzoenergetyczna
reakcja chemiczna (reakcja wybuchowa), przebiegająca z powstaniem dużej ilości
produktów gazowych. Rozprężające się gazy są zdolne do wykonania w bardzo
krótkim czasie pracy mechanicznej, wiąże się to ze zniszczeniem ośrodka
otaczającego. Ze względu na te trzy czynniki, wybuchem nie jest np. reakcja
termitowa (nie wydzielajÄ… siÄ™ gazy).
• jądrowy - gdy następuje gwałtowne wydzielenie ogromnej ilości energii w wyniku
niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich
lub syntezy jąder pierwiastków lekkich, zachodzącej w ładunku jądrowym. Czas
przebiegu reakcji jest tu rzędu 1 nanosekundy, zaś siła wybuchu jest kilka
jednostek większa od wybuchu konwencjonalnego MW.
Siłę niszczącą wybuchu wzmaga powstająca w ośrodku fala uderzeniowa
(przemieszczająca się powierzchnia, na której następuje skokowa zmiana ciśnienia,
temperatury, gęstości, prędkości płynu, cieczy, gazów), która początkowo rozprzestrzenia
się z prędkością naddźwiękową (o niszczącym działaniu decydują maksymalne wartości
parametrów, głównie ciśnienia na czole fali). Reakcją wybuchowym ulegają niektóre
związki chemiczne, zwykle wykorzystuje się odpowiednio dobrane mieszaniny (materiały
wybuchowe). Zależnie od mechanizmu i prędkości liniowej procesu rozróżnia się:
• spalanie - proces przebiega stosunkowo wolno i zależy mocno od warunków
zewnętrznych, w których przebiega (np. ciśnienie). W przestrzeni zamkniętej
spalanie może przejść w spalanie wybuchowe (tzw. deflagracja),
• deflagrację - wybuch przebiega z małą prędkością (od kilku mm/s do kilkuset m/s),
• detonację - rodzaj wybuchu, w którym prędkość rozchodzenia się fali uderzeniowej
jest największa z możliwych w danych warunkach (dochodzi do kilku tysięcy m/s).
Jest to, więc wybuch idealny, gdyż cała możliwa do wykorzystania podczas
wybuchu energia jest faktycznie wykorzystywana.
7
Kruszność
– zdolność niszczenia struktury (kruszenia) ośrodka w bezpośrednim
otoczeniu przez detonujący materiał wybuchowy. Przyczyną kruszenia ośrodka jest fala
uderzeniowa o bardzo wysokim ciśnieniu na froncie. Kruszność jest związana z prędkością
detonacji materiału wybuchowego, im większa jest prędkość detonacji tym większa
kruszność. Parametr ten określa się za pomocą
próby Hessa
, która została przedstawiona
na rysunku nr 1. Polega ona na odkształceniu ołowianego walca wskutek zdetonowania na
nim 50g badanego materiału. Wartość zgniotu ∆H jest miarą kruszności. Wartości
kruszności niektórych materiałów wybuchowych wynoszą (w mm):
• heksogen – 21,
• kwas pikrynowy – 16,
• trotyl – 13,
• górnicze materiały wybuchowe – 5 ÷ 10.
Rysunek 1: Badanie kruszności materiałów wybuchowych.
a) zestaw elementów do przeprowadzenia próby Hessa:
1) zapalnik elektryczny,
2) badany materiał wybuchowy,
3) krążek stalowy,
4) walec ołowiany,
5) stalowa podstawa,
b) walec ołowiany po wybuchu:
2
) wysokość walca przed wybuchem,
1
) wysokość walca po wybuchu,
∆H) zgniot.
Åšrednica krytyczna
– najmniejsza średnica cylindrycznego ładunku materiału
wybuchowego, w którym jest możliwe stabilne rozprzestrzenianie się detonacji. Średnica
krytyczna jest cechą charakterystyczną każdego materiału wybuchowego. Najmniejsze
wartości średnicy krytycznej osiągają materiały wybuchowe inicjujące, np. kryształy
azydku ołowiu o średnicy 0,05 mm.
Kruszące materiały wybuchowe charakteryzują się średnicą krytyczną od kilku do
kilkudziesięciu mm, np.:
• pentryl – 2,
• tetryl – 5,
• trotyl drobnokrystaliczny – 10,
• trotyl lany – 30.
Pewien wpływ na wartości średnicy krytycznej wywiera rozdrobnienie kryształów,
gęstość ładunku i dodatek innych substancji (flegmatorów i sensybitorów).
8
Temperatura pobudzenia
– temperatura, do której należy ogrzać materiał
wybuchowy, aby wywołać w nim przemianę wybuchową. Po ogrzaniu materiału do
temperatury pobudzenia następuje szybki rozkład, któremu towarzyszy pojawienie się
płomienia i efekt dźwiękowy – wybuch. Temperatura pobudzenia nie jest temperaturą
początku rozkładu, ponieważ zauważalny rozkład przebiega już w temperaturze znacznie
niższej. Wartość temperatury pobudzenia niektórych materiałów przedstawia tabela nr 1.
Materiał wybuchowy
Temperatura pobudzenia
°C
Azydek ołowiu 330-340
Proch czarny 210-310
Trotyl 290-295
Heksogen 230
Nitrogliceryna 200
Nitroceluloza 195
Proch bezdymny 180-200
Tabela 1: Temperatura pobudzenia niektórych materiałów wybuchowych.
Trwałość
– zdolność materiału wybuchowego do zachowania właściwości
fizycznych, chemicznych i wybuchowych w ciągu dłuższego czasu. Trwałość jest ważną
właściwością decydującą o możliwościach ich składowania (przechowywania) bez ryzyka
zapalenia lub wybuchu. Najmniejszą trwałością charakteryzują się prochy bezdymne ze
względu na zawartą w nich nitrocelulozę, dość łatwo rozkładają się. W celu zmniejszenia
szybkości rozkładu, czyli zwiększenia trwałości dodaje się do prochów kilku procent
masowych związków lekko zasadowych, tzw. stabilizatorów (pochodne mocznika,
difenyloaminy), które wiążą kwaśne produkty rozkładu nitrocelulozy i jej zanieczyszczeń.
Na trwałość ujemny wpływ wywiera wzrost temperatury, obecność wilgoci oraz substancji
o kwaśnym odczynie. Największą trwałością charakteryzują się materiały wybuchowe z
grupy nitrozwiązków. Na przykład trotyl może być przechowywany bez ryzyka wybuchu
nawet przez kilkadziesiÄ…t lat.
Wrażliwość
– jest to zdolność materiału wybuchowego do reagowania na
zewnętrzne bodźce energetyczne powodujące zapoczątkowanie palenia lub wybuchu.
W zależności od rodzaju bodźca rozróżnia się wrażliwość na bodźce:
• mechaniczne – uderzenie, nakłucie, tarcie,
• termiczne – płomień, ogrzewanie,
• wybuchowe,
• elektryczne,
• inne.
Wrażliwość określa stopień bezpieczeństwa, jaki należy zachować podczas pracy z
danym materiałem wybuchowym. Najbardziej wrażliwe, a więc najbardziej niebezpieczne,
są materiały wybuchowe inicjujące. Z materiałów wybuchowych kruszących najbardziej
wrażliwy jest pentryl i heksogen.
9
[ Pobierz całość w formacie PDF ]