تعیین طول عمر پیشرانه جامد دوپایه

چکیده

پیشرانه­های دوپایه به­طور معمول شامل نیترو­سلولز به­عنوان یک پلیمر انرژی­زا و نیتروگلیسیرین به­عنوان یک نرم­کننده پرانرژی می­باشند. در حال حاضر در سرتاسر جهان پیشرانه های جامد دوپایه جزء کارآمدترین سوخت ها می­باشد. از نظر کاربرد، پیشرانه ها، به دو دسته پیشرانه های تفنگی و موشکی تقسیم می­شوند. همواره سعی شده است تا با روش­های مختلف، طول عمر سرویس دهی این پیشرانه­ها ارزیابی شده و راههای مختلف تولید و بهینه سازی و شرایط انبارداری، منجر به افزایش طول عمر پیشنهاد گردد. هدف از انجام این پروژه، تحقیق در مورد طول عمر پیشرانه دوپایه تفنگی حاوی نیتروسلولز، نیتروگلیسرین و پایدارکننده شامل دی فنیل آمین (DPA) می­باشد. جهت مطالعه طول عمر، از پیرشدگی تسریع یافته و دنبال کردن تغییرات دی فنیل آمین به روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC)، استفاده شده است.

برای تخمین طول عمر پیشرانه ها غالبا از کهولت تسریع یافته استفاده می­شود. این روش یک کوشش است برای کاهش مقیاس زمان که با نگهداری پیشرانه در دماهای بالاتر انجام می­گیرد به طوری­که بتوان رفتار پیشرانه را در زمان های کوتاهتر پیش بینی نمود. در این پروژه بعد از استخراج پایدارکننده پیشرانه­ (دی ­فنیل ­آمین) با استفاده از دستگاه سوکسله و حلال دی­کلرومتان از نمونه­های کهولت­ یافته در دماهای 55، 70 و 85 درجه سانتی­گراد، نمونه استخراج شده را به روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا(HPLC) آنالیز کرده و با ثبت و پیگیری غلظت دی­فنیل­آمین در فواصل 1000، 2000، 3000 و 4000 ساعت و با استفاده از روابط سینتیکی، سرعت تخریب پیشرانه دو­پایه تفنگی(باروت کروی) تعیین شد و در نهایت با استفاده از رابطه آرنیوس طول عمر پیشرانه دو پایه تفنگی بر اساس محاسبات سینتیکی درجه یک در دمای انبارداری 20 درجه سلسیوس برابر 79 ماه تعیین شد.

کلید واژه ها : پیشرانه­دوپایه­تفنگی – نیترو سلولز – نیترو گلیسیرین – پایدارکننده- دی­فنیل­آمین- پیر شدگی – طول عمر – سوکسله – کروماتوگرافی­مایع باکارایی­بالا

مقدمه و تئوری

1-1- تئوری کهولت

منظور از کهولت[1] عبارت است از تغییر در خواص هر ماده با گذشت زمان که عموماً به­کندی در دمای معمولی و با سرعت در دماهای بالاتر صورت می پذیرد. حوادث متعددی که در زمان انبارداری و استفاده از مواد منفجره و پیشرانه­ها بوقوع پیوسته­اند، نیاز به داشتن مواد منفجره و پیشرانه­های غیر حساس را الزامی کرده است. مرگ و میرهای زیاد، خسارت جدی به تجهیزات مهم و گران قیمت از جمله این حوادث هستند. بعد از حادثه هوایی آمریکا در خلیج تونکین[2] در سال 1960، چندین کشور فعالیت خود را در راستای کاهش میزان آسیب پذیری مواد پرانرژی به کار رفته در سرجنگی­ها و موتورهای راکت شروع کردند. اهمیت فراوان مواد در این نوع پیشامدها، انگیزه لازم برای تحقیق بر روی ترکیبات انفجاری با حساسیت کم را ایجاب می­کند. نیاز به ایمنی بالاتر، خصوصا هنگام حمل­ونقل با کشتی­ها، دارای اهمیت بسیار است. سطح ایمنی مواد، هنگامی که کشتی آتش می­گیرد و یا به آن حمله می­شود بسیار مهم است، چون بقای کشتی بطور قابل توجهی به میزان آسیب پذیری مهمات موجود در آن بستگی دارد. بطور کلی، مواد منفجره و مهمات غیر حساس را می­توان بدین ترتیب تعریف کرد که مواد منفجره غیرحساس، ­مهماتی هستند که دارای عملکرد قابل اطمینان باشند و شدت پاسخ آن ها به محرک­های خطرزا، محدود به سطح قابل قبولی باشد. طی دو دهه گذشته تغییرات زیادی در زمینه مواد منفجره و پیشرانه­ها انجام شده است. مهمترین عامل این تغییرات،

علاوه بر نیاز به ایمنی بیشتر، کارآیی و عملکرد بهتر این مواد است[1].

تغییرات خواص مواد با زمان را کهولت می­نامند. در عمل، مطالعه خواص پیشرانه­ها در طول انبارداری از دهه 1950 آغاز گردید. در طی سالهای 1960 تا 1970 این مطالعات با جدیت دنبال شد اما مسئله کهولت پیشرانه فرآیند پیچیده­ای است و عوامل متعددی نظیر اکسیداسیون با اثر همزمان نور ماوراء بنفش و یا بدون آن، تغییرات دمایی، کاهش تدریجی مواد نرم­کننده یا دیگر مواد افزودنی با وزن مولکولی کم، ترک­ها، واکنش­های شیمیایی خود بخودی داخلی، هیدرولیز، کهولت فیزیکی داخلی، عوامل مکانیکی و غیره، بر فرآیند کهولت تاثیر می­گذارند.

اخیراً دانشمندان علوم نظامی و مواد منفجره بخش عمده­ای از تحقیقات خود را بر روی خواص انبارداری مواد پرانرژی متمرکز نموده­اند. زیرا این خواص یکی از مهم­ترین خواص پیشرانه­ها می­باشد. در دانش کهولت، هدف پیشگویی رفتار طولانی مدت مواد می­باشد. برای ارزیابی تغییرات خواص مواد، آن­ها را تحت کهولت تسریع یافته قرار داده  و طول­عمر نگهداری طولانی مدت آن­ها را تخمین می­زنند.

بطور کلی علل و عوامل مؤثر بر کهولت شامل علل داخلی و خارجی مختلف می­باشد. تغییراتی که ماده در اثر ناپایداری ترمودینامیکی متحمل می­شود، در واقع علل داخلی محسوب می­شوند. کهولت ماده در اثر عواملی مانند اکسیژن، نور، تابش اشعه، از عوامل خارجی کهولت می­باشد همچنین کهولت می­تواند تحت اثر عوامل طبیعی و جوی در شرایط انبارداری رخ دهد.

از آنجا که مواد منفجره و پیشرانه­ها حاوی مقادیر زیادی از مواد انرژی­زا می­باشند، انبارداری آن­ها برای مدت طولانی موجب تخریب آن­ها می­گردد. کهولت شیمیایی ممکن است بر اثر واکنش­های حرارتی، اکسایشی یا رطوبتی ایجاد شود و باعث ایجاد تغییراتی در آمیزه از قبیل نرم شدن، سخت شدن، جذب آب، رنگ پریدگی و رهایش گاز شود[2].

[1]  Aging

¹ Tonkin

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالب هفت
فهرست جدول¬ها یازده
فهرست شکل¬ها سیزده
نماد¬ها (علایم اختصاری) پانزده
چکیده 1
فصل اول مقدمه و تئوری 2
1-1- تئوری کهولت 2
1-2- روند توسعه مواد پرانرژی 3
1-3- پایداری در طی انبارداری 5
1-4- انواع کهولت 6
1-4-1- کهولت فیزیکی 6
1-4-2- کهولت شیمیایی 6
1-5- عوامل مؤثر بر کهولت پیشرانه 7
1-5-1- دمای نگهداری پیشرانه 7
1-5-2- تاثیر رطوبت بر ذرات اکسیدکننده 7
1-5-3- پدیده مهاجرت مواد 8
1-5-4- تئوری نفوذ گازها 8
1- 6- تئوری پیشرانه 8
1-7- تقسیم بندی پیشرانه 10
1-7-1- پیشرانه های جامد 11
1-7-2- پیشرانه های دو پایه 11
1-8- اجزای تشکیل دهنده پیشرانه های جامد دوپایه 14
1-8-1- نيتروسلولز 14
1-8-2- نيتروگليسيرين 16
1-8-3- نرم كننده¬ها 17
1-8-4- روان کننده¬ها 18
1-8-5- اصلاح کننده¬هاي خواص بالستيکي 18
1-8-6- افزودني¬هاي عملکردي 19
1-8-7- پايداركننده¬ها 19
1-8-7-1- تاريخچه 19
1-8-7-2- خواص يك پايداركننده مناسب 20
1-8-7-3- رفتار پايداركننده¬هاي شيميايي در پيشرانه های دوپایه 20
1-8-7-4- اثرات نامطلوب عدم استفاده از پايداركننده در پيشرانه 23
1-8-7-5- تقسيم بندي پايداركننده¬ها 23
1-8-7-6- دی فنیل آمین (DPA) و مشتقات آن 24
1-9- بررسی برخی روشهای کهولت پیشرانه¬ها 25
1-9-1- آزمون¬های مکانیکی 27
1-9-1-1- آزمون¬های تنش-کرنش 28
1-9-1-2- تست خزش 28
1-9-1-3- آزمون¬های تنش – آسایش 29
1-9-1-4- آزمون¬های دینامیکی- مکانیکی 29
1-9-1-5- آزمون استحکام ضربه ای 30
1-9-2- آزمون¬های شیمیایی 31
1-9-2-1- اندازه¬گیری جزء محلول 31
1-9-2-2- آنالیز حرارتی 32
1-9-2-3- روش آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA) 33
1-9-2-4- دانسیته 33
1-9-2-5- برگمن – یانگ 34
1-9-2-6- کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا 34
1-9-2-7- طیف بینی زیر قرمز تبدیل فوریه 34
1-9-2-8- میکروکالریمتری (MC) 35
1-10- طول عمر یک پیشرانه 35
1-10-1- طول عمر خدمات دهی 36
1-10-2- طول عمر ایمن یا طول عمر شيميائي 36
1-10-3- طول عمر اصلی یا طول عمر بالستيكي و عملياتي 36
1-10-3-1- ناسازگاري فيزيكي 36
1-10-3-2- ناسازگاري شيميائي 36
1-11- تاریخچه اجمالی مطالعات انجام شده در مورد کهولت پیشرانه 37
1-12- هدف تحقیق 38
فصل دوم روش انجام تحقیق 43
2-2- تهیه نمونه 39
2-3- مواد شیمیایی و دستگاه¬های مورد نیاز 41
2-3-1- آون 41
2-3-2- دستگاه سوکسله 41
2-3-3- آنالیز به روش کروماتوگرافی مایع با کارآیی بالا (HPLC) 42
2-4- شرایط و روش انجام آزمون 43
2-4-1- شرایط روش استخراج دی فنیل آمین با دستگاه سوکسله 43
2-4-2- شرایط روش آنالیز با HPLC 43
فصل سوم نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات 50
3-1- مقدمه 45
3-2- آنالیز کروماتوگرافی 45
3-2-1- آنالیز استاندارد دی¬فنیل¬آمین و نمونه کهولت نیافته 45
3-2-2- آنالیز نمونه کهولت یافته در دمای oC55 48
3-2-3- آنالیز نمونه کهولت یافته در دمای oC70 51
3-2-4- آنالیز نمونه کهولت یافته در دمای oC85 55
3-3- بررسی پارامترهای سینتیکی تجزیه شدن دی¬فنیل¬آمین 60
3-3-1- انرژي فعال¬سازي 61
3-3-2- سرعت واكنش 61
3-4- تعیین پارامترهای سینتیکی تجزیه شدن دی¬فنیل¬آمین 62
3-4-1- سینتیک مرتبه صفر 62
3-4-1-1- تعیین نیمه عمر پیشرانه دوپایه براساس سینتیک درجه صفر 66
3-4-2- سینتیک مرتبه یک 67
3-4-2-1- تعیین نیمه عمر پیشرانه دوپایه براساس سینتیک مرتبه یک 70
3-4-3- سینتیک مرتبه دوم 71
3-4-3-1- تعیین نیمه عمر پیشرانه دوپایه براساس سینتیک مرتبه دوم 75
3-5- چگونگی تجزیه شدن DPA در پیشرانه های پایه نیتروسلولزی 76
3-6- نتیجه گیری 78
3-7- پیشنهادات 78
منابع 81