Материал: Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

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

характеристикой пороха, определяющей поведение его в прес­ се;

— баллиститный порох является высоковязким телом, способным выдерживать сдвиговые напряжения, существенно превышающие удельную силу внешнего трения. Поэтому его течение в прессе и раструбном пресс-инструменте сопровож­ дается пристенным скольжением, следовательно, характеристи­ ка внешнего трения необходима не только для количественно­ го описания процессов течения, но и для понимания качест­ венной картины.

Таким образом, необходимо определение вязких характери­ стик пороха в условиях простого сдвига и объемной деформа­ ции, предельного напряжения на срез и удельной силы внеш­ него трения.

4.1.2.3 Метод определения реологических характеристик при простом сдвиге

Сложность проблемы заключается в том, что реологиче­ ские характеристики должны быть определены у высоковязко­ го тела (105...1010 пуаз) и в широком интервале скоростей сдвига (Ю-^.ЛО1 1/с).

Обычно для полимеров с такой вязкостью рекомендуется метод растяжения [55].

Этот метод использовала в своих исследованиях М. Д. Гу­ сакова [91]. Метод прост, но ограничен небольшими скоростя­ ми деформаций. В табл. 15 приведены вязкости для условий

Образцы выдерживались под нагрузкой в течение двух ча­ сов, а затем шесть часов термостатировались при Т = 95°С для снятия обратимых деформаций. Как видно из таблицы, вязкость практически не зависит от скорости (напряжения)

171

нагружения. В некоторых случаях она несколько увеличивает­ ся за счет упрочнения (ориентация макромолекул) пороха.

Таким образом, в области низких скоростей деформации порох ведет себя как высоковязкое ньютоновское тело (вяз­ кость 3...6-1010 пуаз). Поэтому метод растяжения, применимый только к области ньютоновского течения, не может быть при­ нят для определения реологических свойств пороха. Во всяком случае, он не может служить единственным методом исследо­ вания. Тем не менее, исследования выявили наличие у баллиститного пороха ньютоновской области течения. Следователь­ но, метод исследования должен иметь такой диапазон скоро­ стей деформации, который бы включал и область ньтоновского течения и область аномального изменения вяз­ кости. Втулочные и ротационные вискозиметры кроме тех не­ достатков, о которых говорилось выше, не могли обеспечить скорости сдвига в широких пределах (10_6...10' 1/с), т. е. не определяли характеристики вязких свойств пороха во всем ра­ бочем диапазоне скоростей деформирования.

Для высоковязких полимеров известны сдвиговые пластометры, позволяющие по кривой ползучести образца в виде тонкого диска определить ряд характеристик: вязкость, высо­ коэластические деформации, время ретардации и др. [111]. Однако изготовление тонких дисков (перепрессовка, отрезка) скажется на изменении реологических свойств и внесет по­ грешность в результаты определений. С целью устранения это­ го недостатка было разработано устройство, позволяющее ис­ пользовать образцы различного сечения: цилиндрические, квадратные, прямоугольные, пластины (рис. 68). Оно состоит из опорной втулки и центрального штока с соосными отвер­ стиями, в которые вставляется образец. Устройство помещено в обогреваемый стакан и использует силовое устройство стан­ дартного консистометра Хепплера. Сдвиг происходит в зазоре между неподвижной опорной втулкой и движущимся штоком. Скорость сдвига равна отношению скорости перемещения штска к величине зазора — &/5 [112, 113]. Напряжение сдвига определяется отношением нагрузки к удвоенной площади по­ перечного сечения образца (P/2S).

По данным опыта строится кривая в координатах: относи­ тельная деформация — время (рис. 69). По графику определя­ ют следующие величины:

— относительная упругая деформация у. = —, где 5 — за­

зор;

172

Определение характеристик пороховых образцов различной формы осуществляется с помощью сменных рабочих элемен­ тов (втулки и штока).

4.1.2.4 Исследование реологических свойств баллиститных порохов при простом сдвиге

В основу реологических исследований были положены первые две аксиомы реологии:

—под действием всестороннего равномерного давления все материалы ведут себя одинаково — они ведут себя как идеально упругие тела. Различие в реологических свойствах проявляется только при деформации формоизменения;

—всякий реальный материал обладает всеми реологиче­ скими свойствами.

Деформация сдвига баллиститного пороха, относящегося к вязкоупругим телам, складывается из трех видов деформа­ ций:

—упругой;

—высокоэластической;

—вязкой.

Первые два вида деформации являются обратимыми, из них высокоэластическая деформация определяет релаксацион­ ные процессы и, следовательно, аномалию вязкости. Описание релаксационного спектра позволит решить практические зада­ чи определения распределения давлений в раструбном пресс-инструменте и величину высокоэластического восста­ новления пороховой шашки после выхода из втулки.

На рис. 70—73 приведены зависимости эффективной вяз­ кости от скорости сдвига для четырех различных составов при

174

Рис. 70. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига состава НМФ-2Д:

1 - 70°С; 2 - 80°С

Рис. 71. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига металлВВ -содержащего состава:

1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С

175

Рис. 72. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига металлсодержащего состава:

1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С

Рис. 73. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига состава БП-10:

1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С

176

T = 60...90*C. Для всех исследованных составов характерны две области течения:

—ньютоновское течение при скорости сдвига у < 10-4 с-1;

—течение с резко падающей вязкостью с увеличением скорости сдвига при у > 10~3 с-1 («неньютоновское течение).

Переходная область для большинства исследованных соста­

с аномальной вязкостью в логарифмических координатах зави­ симости скорости сдвига от напряжения и эффективной вяз­ кости от скорости сдвига линейны, что говорит о правомерно­ сти применения степенного закона. Путем графических по­ строений были определены константы к и л и величины ньютоновской вязкости. Как уже отмечалось, значения цо от­ личаются несущественно для различных составов и находятся в пределах 3...6-1010 пуаз. Коэффициент консистенции к, на­ против, колеблется в значительных пределах, достигающих двух десятичных порядков. Индекс течения для исследованных составов также различен и практически для всех составов не­ сколько уменьшается с ростом температуры.

С целью выяснения характера течения пороха в области более высоких скоростей (до 10 1/с) были определены зависи­ мости вязкости от скорости сдвига при различных температу­ рах на втулочном вискозиметре с использованием машины УММ-5. На рис. 82, 83 представлены в логарифмических ко­ ординатах функции г| = /(у), определенные вышеизложенным методом, и на втулочном вискозиметре при у = 10-1...Ю 1/с.

На основании этих экспериментов можно сделать следую­ щие выводы:

— в зоне более высоких скоростей сдвига зависимость вязкости от скорости сдвига также описывается показательной функцией;

— практические результаты определений констант к и п по двум методам весьма близки и могут служить константа­ ми одного уравнения для интервала у = 10_3...10 1/с.

Таким образом, в реальном диапазоне скоростей сдвига, имеющих место при течении массы в прессе и пресс-инстру­ менте, порох ведет себя как ньютоновское тело и как псевдо­ пластик с резко выраженной аномалией вязкости. Его поведе­

177