Transcript Slide 1
سراسری مواد هفتمين همايش پرانرژی و همايشمواد سراسري ايمنی پرانرژی و ايمنی مواد سراسري اولين همايش اولين منفجره ،پيروتكنيك و پيشرانه همايش سراسری مواد منفجره ،پيروتكنيك هفتمين ن پیروتکنیک فرموالسیو ایی کا بر سوخت نوع تاثیر : مقاله عنوان ر دانشگاه صنعتی مالک اشتر -اسفند 1393 ن پیروتکنیک فرموالسیو ایی کا بر سوخت نوع تاثیر : مقاله عنوان ر و پيشرانه ارائه دهنده: دانشگاه صنعتی مالک اشتر -اسفند 1393 ارائه دهنده: چکیده جدول :1مقایسه نقاط ذوب و احتراق اکسید کننده های مختلف در این مقاله آئروسلسازي با استفاده از سیستم فرموالسیون پیروتکنیکی شامل سوخت ،اکسید کننده ،خنک کننده و بایندر مورد بررس ی قرار گرفته است .بدین منظور ،فرموالسیونهای مختلف شامل پتاسیم کلرات (اکسید کننده ) ،الکتوز یا ساکارز (سوخت)، سیلیس و آلومینیوم اکسید (خنک کننده) ،مخلوط نیتروسلولز ،روغن کرچک و حلل اتیل استات (به عنوان سیستم بایندر) به همراه ترفتالیک اسید به عنوان ماده موثره بصورت قرصهای یک گرمی تهیه شدند .فرموالسیون بهینه با توجه به پارامترهای مورد بررس ی (زمان ،دما و نحوه احتراق) انتخاب گردیده و سپس از ماده موثره (عاملی که آئروسل سازی روی آن صورت میگیرد) در فرموالسیون استفاده شد .برای شناسایی کیفی اجزای آئروسلهای تولید شده از دستگاه کروماتوگرافی گازی ( )GCو برای بررس ی دمای شروع واکنش احتراق سیستم پیروتکنیک و پایداری حرارتی اجزا از آنالیز حرارتی شامل دو تکنیک TG/DTAاستفاده گردید .نتایج نشان دادند که زمان احتراق و راندمان تولید آئروسل در فرموالسیون پیروتکنیک حاوی سوخت الکتوز نسبت به ساکارز بیشتر است .آنالیز حرارتی TGنشان داد که کاهش جرم در فرموالسیونها با هر یک از دو سوخت در گستره دمایی -180°C 125و 105-175°Cمربوط به تبخیر شدن ماده موثره است .در نهایت بهترین آئروسلسازی با سوخت الکتوز در فرموالسیونهای پیروتکنیک با راندمانهای %85و %90انجام شد. ردیف اکسید کننده نقطه ذوب دمای احتراق oC oC 1 KClO3 356 472 2 KMnO4 - 630, 290 3 KClO4 590 592 4 KNO3 337 700 5 NH4ClO4 - 321 شکل .3ترموگرامهای TG ،DTAو DTGبرای مخلوط الکتوز ،پتاسیم کلرات و Y جدول :2دما و زمان احتراق در فرموالسیونها پیروتکنیکی با استفاده از ترفتالیک اسید ( )%20به عنوان عامل موثره مقدمه ردیف اکسید کننده یک فرموالسیون پیروتکنیکی شامل اکسید کننده ،خنک کننده ،سوخت و بایندر است .از جمله سوختهای متداول در فرموالسیون- های پیروتکنیکی ساکارز و الکتوز میباشند .ساکارز در دمای 180°Cذوب میشود و در دماهای باالتر از این دما تجزیه میگردد [.]1 الکتوز در دمای 216 ° Cذوب شده و در دمای باالتر از 300 °Cتجزیه میگردد [ .]2علیرغم این که سوختهای مذکور جرم ملکولی، نقطه ذوب و آنتالپی انرژی آزاد تقریبا یکسانی دارند اما در مخلوط با پتاسیم کلرات در فرموالسیونهای پیروتکنیک یکسان ،اثرات کامل متفاوتی ایجاد میکنند [3و.]1 نوع اکسید کننده هم به علت برهمکنش مستقیم با سوخت و آزادسازی انرژی در فرموالسیون نقش بسیار مهمی در مخلوطهای پیروتکنیکی دارد .از جمله اکسید کننده های متداول دیگری که با سوختهای قندی در فرموالسیونهای پیروتکنیکی استفاده میشود، میتوان پتاسیم پرکلرات ،پتاسیم پرمنگنات ،پتاسیم نیترات و آمونیوم پرکلرات را نام برد .با توجه به نقاط ذوب و دمای احتراق اکسید کننده های مختلف (جدول )1میتوان گفت که پتاسیم کلرات ،اکسید کننده مناسبی برای آئروسل سازی عوامل کنترل اغتشاش است [ .]4مطالعات نشان داده است که KClمحصول احتراق پتاسیم کلرات میباشد6[.و .]5نوع سوخت نیز با توجه به نحوه عملکرد آن طی احتراق و برهمکنش با اکسید کننده ،در فرموالسیون پیروتکنیک بسیار اهمیت دارد .در این مقاله آئروسلسازی به کمک سیستمی پیروتکنیکی با تاکید بر تاثیر نوع سوخت در فرموالسیون مورد بررس ی قرار گرفته است .هدف از انجام این پژوهش تهیه فرموالسیون بهینه برای آئروسل سازی بهینه میباشد. پتاسیم کلرات سدیم نیترات الکتوز خنک کننده ساکارز سدیم بی کربنات سیلیس آلومینیوم اکسید نیترو سلولز دمای احتراق ) (±5 oC زمان احتراق ) ثانیه)±1 1 29 - - 26 - 12 10 3 295 6 2 29 - 26 - - 12 10 3 420 10 3 14 15 - 27 - 12 10 3 400 8 4 14 15 27 - - 12 10 3 590 13 5 21 19 27 - 12 - 27 1 723 20 6 21 19 - 27 12 - - 1 685 13 جدول :3راندمان آئروسل سازی عامل موثره )%20( x, yدر فرموالسیونهای پیروتکنیکی متفاوت ردیف اکسید کننده نتایج و بحث عامل موثره پتاسیم کلرات الکتوز 28 1 x 2 - خنک کننده ساکارز 27 سیلیس آلومینیوم اکسید 12 10 نیتروسلولز 3 راندمان آئروسل سازی ()% 45 3.000 3 y 4 سوخت بایندر شکل .4ترموگرامهای TG ،DTAو DTGبرای Xخالص 28 27 - 12 10 3 85 20 - 27 16 14 3 40 27 20 16 - 3 14 90.00 1.800 2.500 80.00 90 1.600 70.00 2.000 60.00 TG mg 50.00 0.700mg 1.200 DTA uV 1.400 1.500 40.00 1.000 30.00 1.000 20.00 0.500 1.100 216.0Cel 1.045mg/min 100.0 10.00 0.800 50.00 1.000 0.000 45.00 90.0 500.0 0.900 400.0 300.0 Temp Cel 200.0 100.0 40.00 80.0 0.800 35.00 70.0 0.700 30.00 60.0 0.600 TG % 30.0 20.0 10.0 100.0% 550.0 20.00 0.400 15.00 0.300 10.00 0.200 5.00 0.100 0.00 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 Temp Cel 250.0 200.0 150.0 100.0 DTA uV 40.0 0.500 50.0 شکل .1ترموگرامهای TG ،DTAو DTGبرای yخالص 0.000 DTG mg/min 25.00 50.0 0.0 شکل .5ترموگرامهای TG،DTAو DTGبرای مخلوط ساکارز ،پتاسیم کلرات و X نتیجه گیری در این مقاله ،فرموالسیونهای متفاوت از سوختهای ساکارز و الکتوز و اکسید کننده های سدیم نیترات و پتاسیم کلرات و خنک کننده- های سیلیس /آلومینیوم اکسید و سدیم بیکربنات به همراه ماده موثره مورد بررس ی قرار گرفته اند .برای جلوگیری از تحت تاثیر قرار گرفتن آئروسلهای عوامل کنترل اغتشاش توسط گرمای ناش ی از احتراق فرموالسیونهای پیروتکنیکی و به منظور شناخت بهتر خواص اجزاء فرموالسیون پیروتکنیک و تاثیر هر جزء بر روی زمان ،دما و نحوه احتراق فرموالسیون ،از یک عامل موثره دودزا (ترفتالیک اسید) به جای عوامل کنترل اغتشاش مذکور استفاده شد .در نهایت فرموالسیونهای بهینه با دو سوخت ساکارز و الکتوز تهیه شده است که در مقایسه آنها با یکدیگر میتوان گفت که طبق دادههای رویت شده از ترموگرامهای DTA/TGبه علت تقارن دمایی که بین نقاط ذوب ماده موثره و برهمکنش سوخت (ساکارز) – اکسید کننده (پتاسیم کلرات) وجود دارد ،مقداری از ماده موثره تخریب گشته و منجر به کاهش راندمان آئروسل سازی آن میگردد .اما تحت شرایطی که از الکتوز به عنوان سوخت استفاده شود ،فاصله دمایی بین این دو رخداد بیشتر شده و راندمان آئروسل سازی بیشتر میگردد .پیشتر ،ساکارز به عنوان سوخت برتر برای آئروسل سازی پیشنهاد شده بود .از آنجایی که گزارش ی در مورد آئروسل سازی این نوع ماد ه موثره با کمک فرموالسیون پیروتکنیکی منتشر نشده است ،بنا براین می توان یک نو آوری در زمینه آئروسل سازی آن به حساب آورد. مراجع [1] Pourmortazavi, S. M.; Hosseini, S. G. “Thermal Decomposition of Pyrotechnic Mixtures Containing SuYose with Either Potassium Chlorate or Potassium Perchlorate, Combust”; Flame 2005, 141, 3. [2] Eslami, A. S.; Hosseini, G. “Improving Safety Performance of Lactose-Fueled Binary Pyrotechnic Systems of Smoke Dyes”; J. Therm. Anal. Calorim. 2011, 104, 2. ;"[3] Scanes, F. S. “Thermal Analysis of Pyrotechnic Compositions Containing Potassium Chlorate and Lactose Combust. Flame 1974, 23, 3. [4] Hosseini, S. G.; Eslami, A. “Investigation on the Reaction of Powdered Tin as a Metallic Fuel with Some Pyrotechnic Oxidizers”; Propellants, Explos., Pyrotech. 2011, 36, 175. [5] Fathollahi, M.; Pourmortazavi, S. M. “The Effect of the Particle Size of Potassium Chlorate in Pyrotechnic Compositions”; Combust. Flame, 2004, 138, 3. [6] Shamsipur, M.; Pourmortazavi, S. M.; Hajimirsadeghi, S. S. “An Investigation on Decomposition KinetiX and Thermal Properties of Copper-Fueled Pyrotechnic Compositions”; Combust. Sci. Tech. 2011, 183, 6. شکل 2ترموگرامهای TG ،DTAو DTGبرای مخلوط ساکارز ،پتاسیم کلرات و Y DTG mg/min فرموالسیونهای پیروتکنیک ،با استفاده از اکسید کننده ها ،سوختها ،خنککنندههای مختلف برای آئروسل سازی ترفتالیک اسید تهیه شد و سپس زمان و دماهای احتراق این فرموالسیونها اندازهگیری و نحوهی احتراق بررس ی گردید (جدول .)2فرموالسیون پیروتکنیک شامل پتاسیم کلرات (اکسید کننده) ،الکتوز (سوخت) ،مخلوط سیلیس و آلومینیوم اکسید (خنک کننده) ،نیتروسلولز محلول در اتیل استات (بایندر) نسبت به فرموالسیون مشابه با سوخت ساکارز ،دما و زمان احتراق بیشتر و نحوهی احتراق روانتری دارد (جدول ،2ردیف 1و.)2 استفاده از مخلوط پتاسیم کلرات و سدیم نیترات به عنوان اکسید کننده منجر به این میشود که فرموالسیون با سوخت الکتوز، دما و زمان احتراق بیشتری نسبت به فرموالسیون با سوخت ساکارز داشته باشد (جدول ،2ردیف 3و .)4فرموالسیونهای پیروتکنیک با سوخت الکتوز و خنک کننده سدیم بیکربنات ،دما و زمان احتراق بیشتری نسبت به فرموالسیون با سوخت ساکارز را نشان میدهند (جدول ،2ردیف 5و.)6 به دلیل اینکه فرموالسیونهای پیروتکنیک مذکور به جهت احتراق نامناسب (شعلهور شدن طی احتراق) برای آئروسل سازی X مناسب نبودند ،به همین علت با ایجاد تغییرات در ترکیب درصد اجزاء فرموالسیون (اکسید کننده و خنک کننده) ،فرموالسیونهای بهینه جهت آئروسل سازی Xتهیه شدند (جدول ،3ردیف 3و.)4 آنالیز حرارتی TG/DTAمربوط به Yخالص ،یک پیک گرماگیر بدون کاهش جرمی را در 73o Cنشان میدهد که مربوط به ذوب شدن Yاست .پیک گرماگیر دوم همراه با کاهش جرمی است که از حدود 140o Cشروع و در 225 o Cپایان مییابد که مربوط به تبخیر Yاست (شکل .)1آنالیز حرارتی فرموالسیون )%20( Yبا ساکارز ( ،)%27پتاسیم کلرات ( ،)%28سیلیس ( ،)%12آلومینیوم اکسید ( )%10و نیتروسلولز ( )%3کاهش جرمی کمتر از %20را در گستره دمایی 125-180o Cنشان میدهد که مربوط به آئروسل- سازی Yاست (شکل .)2پیک شارپ و قوی گرمازایی که در 180oCظاهر شده است ،مربوط به واکنش پتاسیم کلرات و ساکارز می- باشد و کاهش جرم نشان داده شده توسط آنالیز حرارتی این برهمکنش را تایید میکند .در فرموالسیون پیروتکنیک حاوی عامل موثره Yبا سوخت ساکارز ،مدت زمان احتراق 6±1ثانیه است .همچنین ،سرعت احتراق اولیه باال و نحوه اشتعال در ادامه احتراق، روان ،یکنواخت و فاقد شعله یا ذرات مذاب پرتابی است. گستره دمایی که در آن Yخالص تبخیر میشود ،بین 140-225 oCاست (شکل .)1در صورتی که آئروسل سازی Yدر فرموالسیونهای پیروتکنیک در گستره دمایی 125 -180oCانجام میگیرد که نشان دهنده مناسب بودن فرموالسیون پیروتکنیک برای آئروسلشدن Y است .زیرا Yدر دماهای باالتر ( )255 -300 o Cتخریب میشود (شکل .)2آنالیز حرارتی نشان داد که دمای برهمکنش ساکارز و پتاسیم کلرات با دمای آئروسل شدن Yمقارن است .هرچند مقداری از Yدر اثر آزاد شدن انرژی ناش ی از برهمکنش سوخت و اکسید کننده در دمای 180oCتخریب میشود و به همین علت راندمان تولید آئروسل Yدر این فرموالسیون در حدود %45است (جدول ،3 ردیف.)1 در صورت استفاده از الکتوز به عنوان سوخت در فرموالسیون قبلی ،کاهش جرمی در گستره دمایی 125-180oCبه میزان %20مربوط به آئروسل شدن Yمشاهده میشود (شکل .)3پیک شارپ و قوی گرمازا در ،210ºCمربوط به واکنش پتاسیم کلرات و الکتوز است و کاهش جرم نشان داده شده این برهمکنش را تایید میکند .کاهش جرمی در گستره دمایی 230-350درجه سانتیگراد همراه با پیک گرمازا مربوط به تجزیه الکتوز در فرموالسیون است [ .]2در این فرموالسیون به علت عدم تقارن دمایی در برهمکنش الکتوز و پتاسیم کلرات با آئروسل شدن ،Yراندمان تولید آئروسل %85 ،Yمیشود .در این فرموالسیون زمان احتراق 51±1ثانیه و نحوه احتراق روانتر از فرموالسیون با سوخت ساکارز است (جدول ،3ردیف .)1 آنالیز حرارتی TG/DTAمربوط به Xخالص یک پیک گرماگیر بدون کاهش جرمی را در 98ºCنشان میدهد که مربوط به ذوب شدن Xاست .پیک گرماگیر دوم همراه با کاهش جرمی است که از حدود 140ºCشروع و در 205 ºCپایان مییابد و مربوط به تبخیر Xاست (شکل .)4 آنالیز حرارتی فرموالسیون پیروتکنیک مورد استفاده برای آئروسلسازی ،Xکاهش جرمی کمتر از %20را در گستره دمایی 105-175ºC نشان میدهد که مربوط به آئروسلسازی Xاست (شکل .)2پیک شارپ و قوی گرمازایی که در 180ºCظاهر شده ،مربوط به واکنش پتاسیم کلرات و ساکارز میباشد .در فرموالسیون پیروتکنیک Xبا سوخت ساکارز ،مدت زمان احتراق 8±1ثانیه و سرعت احتراق اولیه باال و نحوه اشتعال در ادامه احتراق روان ،یکنواخت ،نرم و فاقد هرگونه شعله یا ذرات مذاب پرتابی است .گستره دمایی که در آن Xخالص تبخیر میشود بین 140-225ºCاست ،در این فرموالسیون نیز تاثیر مثبت فرموالسیون پیروتکنیک بر روی دمای آئروسل شدن Xدر مقایسه با دمای جوش Xخالص مشهود است (شکل .)5از طرفی ،مقداری از Xدر اثر آزاد شدن انرژی ناش ی از برهمکنش سوخت و اکسید کننده در دمای 180ºCتخریب میشود و به همین علت راندمان تولید آئروسل Xدر این فرموالسیون در حدود %40 است( .جدول ،3ردیف .)3 سوخت بایندر