Средства детонирования

Средства детонирования предназначаются для вызова детонации заряда бризантных веществ. К ним относятся капсюли-детонаторы и детонирующий шнур.

Капсюли-детонаторы классифицируются:

- по назначению: на артиллерийские, применяемые в боеприпасах различного действия, и подрывные, применяемые в подрывном деле;

- по устройству: на простые, состоящие из одного инициирующего вещества, и комбинированные, состоящие из нескольких взрывчатых веществ – инициирующих и бризантных; последние обладают более сильным инициирующим действием, чем простые, а также большой стойкостью к сотрясению при выстреле и меньшей опасностью в обращении;

- по отношению к начальному импульсу: на лучевые и накольные.

Для снаряжения комбинированных капсюлей-детонаторов в качестве первичного (инициирующего) вещества применяется азид свинца, обладающий высокой инициирующей способностью. Из-за недостаточной чувствительности азида свинца над ним размещают запрессовку из более чувствительного воспламенительного состава, например, для капсюлей накольного действия смесь из ТНРС, тетразена, нитрата бария и антимония.

В качестве вторичного вещества используется бризантное ВВ – тетрил, который усиливает действие капсюля-детонатора.

Капсюль-детонатор состоит из оболочки (колпачка), капсюльного состава и чашечки (рисунок 6).

1 − колпачок; 2 – чашечка; 3 – сетка шелковая; 4 – ТНРС; 5 – азид свинца; 6 – тетрил; 7 – накольный состав

Рисунок 6 – Капсюли-детонаторы: а – лучевой; б – накольный;

в – капсюль-детонатор № 8; г – простой

Детонирующий шнур предназначен для быстрой передачи детонации на расстояние. По конструкции он подобен огнепроводному и отличается в основном сердцевиной, состоящей из бризантного взрывчатого вещества.

1.9 Бризантные взрывчатые вещества [3]

По составу бризантные ВВ разделяются на две большие группы: индивидуальные вещества и взрывчатые смеси.

Наиболее распространенные индивидуальные бризантные ВВ относятся к органическим азотистым соединениям ароматического, алифатического и гетероциклического рядов, в том числе к нитросоединениям, содержащим группу NO₂ (тротил, динитронафталин, тринитро-бензол, нитрометан), нитратам спиртов, содержащим группу ОNO₂ (нитроглицерин, нитрогликоли, ТЭН), нитраминам, содержащим группу N-NO₂ (тетрил, гексоген, октоген). Из неорганических соединений слабые взрывчатые свойства имеют аммониевые соли азотной (аммиачная селитра) и хлорной кислот (перхлорат аммония).

Вторую группу составляют взрывчатые смеси, которые состоят либо из окислителя и горючего, либо из одного или нескольких индивидуальных ВВ и различного рода добавок.

Во взрывчатых смесях типа окислитель–горючее в качестве окислителя применяют минеральные соли, способные при разложении выделять свободный кислород. К ним относятся соли кислот: азотной (нитраты аммония, калия, натрия и др.), хлорной (перхлораты аммония, натрия, калия) и хлорноватой (хлорат калия). В качестве горючего во взрывчатых смесях используют высококалорийные органические соединения (продукты переработки нефти, производные целлюлозы и др.), металлы и их соединения (алюминий, ферросилиций и др.), индивидуальные ВВ с отрицательным кислородным балансом, выделяющие при своем разложении горючие газы – оксид углерода, водород, метан и сажу (тротил, динитронафталин и др.).

На практике часто применяют смеси индивидуальных ВВ с металлами, в которых ВВ выступает в роли окислителя по отношению к металлу, например, смесь тротила с алюминием.

Взрывчатые смеси второго типа компонуются для достижения каких-либо специальных свойств ВВ, например, для снижения температуры плавления гексогена и октогена. Их смешивают с тротилом, у которого низкая температура плавления. К многим мощным индивиду-альным ВВ для снижения их чувствительности к механическим воздействиям добавляют небольшое количество низкоплавких углеводородов (воск, парафин, церезин). Такие вещества называются флегматизаторами. В другие смеси вводят вещества, повышающие чувствитель-ность к инициирующему импульсу. В данном случае эти вещества называются сенсибилизаторами. В качестве сенсибилизатора часто применяют нитроглицерин.

К важнейшим классам взрывчатых смесей относятся:

- аммониты, или аммиачно-селитренные ВВ, состоящие из смеси аммиачной селитры с нитросоединениями;

- сплавы и смеси нитросоединений;

- нитроглицериновые ВВ (динамиты);

- хлоратные и перхлоратные ВВ – смеси солей хлорноватой и хлорной кислот с нитросоединениями;

- взрывчатые смеси на основе жидких окислителей;

- смеси твердого окислителя с горючими веществами (например, аммиачная селитра с дизельным топливом).

Бризантные ВВ широко применяются в военном деле для снаряжения артиллерийских снарядов, бомб, торпед, мин и боевых частей ракет. Также ВВ используются для приготовления твердого ракетного топлива, для возбуждения взрыва атомных бомб и др. ВВ получили широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: горной промышленности, на гидромелиоративных работах, в сельском хозяйстве, нефтедобывающей промышленности и т.д. ВВ, используемые для этих целей, называются промышленными ВВ (ПВВ).

В качестве исходных компонентов для рецептур военных ВВ используются штатные ВВ (тротил, гексоген, октоген и др.), к которым предъявляются жесткие требования по технологии производства.

Военные ВВ должны обладать высокой мощностью, бризантностью и фугасностью, большой скоростью детонации, а компоненты, входящие в состав, иметь высокую степень очистки, необходимую химическую и физическую стойкости, обеспечивающие стабильные свойства ВВ в течение длительного времени хранения боеприпасов. Данные характеристики необходимы, чтобы гарантировать максимальный разрушающий и поражающий эффекты, надежность и безотказность, высокую воспроизводимость всех параметров боеприпасов.

К промышленным ВВ таких жестких требований не предъявляют. Большинство технических задач, связанных с применением взрывчатых технологий, может быть решено менее мощными ВВ, чем военные, обладающими значительно меньшими скоростями детонации и теплотворной способностью, относительно невысокой степенью очистки компонентов. Они могут быть менее бризантными и фугасными, а в отдельных случаях иметь лишь «мягкий» раскалывающий эффект. Для ПВВ химическая и физическая стойкости не должны определяться десятилетиями, поскольку их реализация после изготовления происходит, как правило, в течение короткого промежутка времени.

Вместе с тем к ПВВ предъявляется ряд специфических требований:

- производство должно опираться на хорошо развитую и доступную сырьевую базу;

- технология производства должна быть простой и осуществляться доступными техническими средствами;

- продукты взрыва не должны быть токсичными, должны быть экологически чистыми, чтобы не оказывать вредное воздействие на окружающую среду;

- должны обладать низкой чувствительностью к механическим и тепловым воздействиям и быть безопасными при обращении и транспортировке;

- взрыв заряда не должен являться причиной возгорания или взрыва шахтных газов (например, метана), угольной пыли;

- себестоимость не должна быть высокой.

Рассмотрим некоторые виды бризантных ВВ.

1.9.1 Нитроглицерин [3, 4, 10, 11]

Нитроглицерин, или тринитрат глицерина (ТНГ), получают обработкой глицерина смесью азотной и серной кислот (47–50 % НNO₃,
49–53 % H₂SO₄). Реакция получения ТНГ следующая:

C₃H₅(OH)₃ + 3HNO₃ C₃H₅(ONO₂)₃ + 3H₂O

Этерификация протекает последовательно в три ступени: в первой получается мононитрат, во второй – динитрат и в третьей – тринитрат глицерина. Более 60 лет нитроглицерин получали по периодической схеме (метод Нобеля и метод Натана). При получении пери-одическими способами на фазах сепарации и очистки нитроглицерина от кислот скапливалось около 2–3 тонн нитроглицерина, что в случае аварии приводило к практически полному разрушению оборудования и производственных зданий.

В настоящее время в производстве применяются в основном непрерывные методы. При непрерывном методе в процессе находится меньшее количество ВВ, благодаря чему снижается опасность производства.

Нитрование глицерина происходит в нитраторе непрерывного действия в среде отработанной кислоты (рисунок 7).

1 – нитратор; 2, 4 − сепараторы; 3 − промывные колонны

Рисунок 7 − Технологическая схема непрерывного процесса
производства нитроглицерина

После нитрации глицерина в нитраторе получается эмульсия нитроглицерина в отработанной кислоте, которую необходимо быстро отделить от отработанной кислоты. Разделение нитроглицерина и отработанных кислот основано на различии их плотностей и осущест-вляется на фазе сепарации. Возможны два способа сепарации:

1. Из концентрированных кислотных смесей, когда плотность нитроглицерина меньше плотности кислотной смеси. В этом случае нитроглицерин собирается в верхней части сепаратора и сливается через верхнюю переливную трубу за счет притока новой порции кислотной смеси. Данный способ получения нитроглицерина назван сепарационным.

2. Из разбавленной кислотной смеси. В этом случае плотность нитроглицерина оказывается больше, чем разбавленной кислотной смеси, и нитроглицерин собирается в нижней части аппарата. Этот метод получения нитроглицерина называется бессепарационным, хотя принципиально неверно, т.к. операция сепарации имеется.

Первый метод получения нитроглицерина более экономичен, т.к. отработанная кислота может быть снова использована в производстве, а второй метод является более безопасным, т.к. разбавленная отработанная кислота менее реакционноспособна.

После отделения от кислоты нитроглицерин поступает на стабилизацию для более глубокой очистки его от кислот и примесей (сульфо- и сульфонитроэфиров, неполных нитратов), которые снижают химическую стойкость основного продукта. Стабилизация заключается в проведении многократных водных и щелочных промывок.

Существует более современный метод получения нитроглицерина, который был разработан в Швеции, это инжекторный метод.

Особенностью этой технологической схемы (рисунок 8) является проведение нитрации глицерина в инжекторе при повышенной температуре (46–48 °С) под вакуумом и отделение нитроглицерина от отработанных кислот в центрифуге.

Свойства нитроглицерина. Химически чистый нитроглицерин – это маслообразная, бесцветная, прозрачная жидкость. Плотность
1600 кг/м³ (1,6 г/см³). Затвердевая, может образовывать две формы:
лабильную, с температурой затвердевания 2,1 °С, и стабильную, с температурой затвердевания 13,2 °С. Нитроглицерин частично растворим в воде: при 20 °С в одном литре воды растворяется 1,8 г нитроглицерина, а при 50 °С – 2,5 г.

Нитроглицерин хорошо растворяется во многих органических растворителях: ацетоне, диэтиловом эфире, метиловом спирте, бензоле, толуоле, ксилоле, нитробензоле и многих других. Нитроглицерин сам хорошо растворяет динитротолуол и тринитротолуол, что имеет большое значение для производства пластичных и желатинирован-
ных ВВ. В нитроглицерине растворяется нитроцеллюлоза с содержанием азота около 12 % (коллоксилин). Это свойство используется при изготовлении бездымного нитроглицеринового пороха и желатин-ди-намитов.

1 − инжектор для подачи водной эмульсии нитроглицерина на фазу

стабилизации в промывные колонны; 2 − центрифуга;

3, 22 − кожухотрубные теплообменники; 4 − холодильник;

5 − электромагнит; 6 − инжектор-нитратор; 7, 9, 11, 12 − термометры;

8 − игольчатый клапан для впуска воздуха в инжектор;

10 − вакуумметр; 13 − электромагнитное реле; 14 − сигнальный

колокол; 15 − хранилище кислотной смеси; 16 − хранилище глицерина; 17 − выключатель; 18 − ротамер для воды; 19 − ротамер для глицерина; 20 − ротамер для кислотной смеси; 21 − засасывающий бак
с постоянным уровнем для глицерина; 23 − хранилище воды

Рисунок 8 − Технологическая схема получения нитроглицерина

инжекторным методом (фаза нитрации и сепарации)

Нитроглицерин горит на воздухе зеленоватым пламенем со вспышками и треском. Горение большого количества нитроглицерина сопровождается взрывом. При быстром нагревании до 180 °С нитроглицерин взрывается. При медленном нагревании температура вспышки нитроглицерина 215–218 °С. Нитроглицерин очень чувствителен к удару и трению. При испытании на вертикальном копре при стандартных условиях дает 100 % взрывов. В этом случае нитроглицерин приближается к инициирующим ВВ, поэтому в чистом виде он не перевозится. Взрывчатое разложение нитроглицерина происходит по уравнению:

2C₃H₅(ONO₂)₃ = 6СО₂ + 5H₂O + 3N₂ + 0,5О₂.

Скорость детонации жидкого нитроглицерина 1100−2000 м/с. Нитроглицерин применяется в качестве пластификатора нитроцеллюлозы при изготовлении баллиститных порохов, а также для приготовления динамита, который состоит из 92−93 % нитроглицерина и 7−8 % коллоксилина. Применяется нитроглицерин для получения промышленных ВВ (угленитов). ТНГ нашел широкое применение в медицине для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Лекарственные препараты на его основе готовятся либо в виде таблеток, либо в виде капсул (раствор нитроглицерина в подсолнечном масле).

1.9.2 Гексоген [3,4]

Химическое название – циклотриметилентринитроамин. Химическая формула:

Получают гексоген нитрованием уротропина, причем существует несколько методов получения: окислительный, метод «К», уксусно-ангидридный.

Окислительный метод заключается в обработке уротропина концентрированной азотной кислотой, выделении гексогена из отработанной кислоты, фильтровании, промывке и сушке.

По методу «К» уротропин подвергается нитролизу раствором аммиачной селитры в концентрированной азотной кислоте.

Уксусно-ангидридный метод имеет несколько вариантов, один из которых (метод «КА») состоит из следующих операций: получение динитрата уротропина, получение тринитрата аммония и нитролиз динитрата уротропина тринитратом аммония в присутствии уксусного ангидрида.

Свойства и применение гексогена. Гексоген представляет собой кристаллическое белое вещество без запаха и вкуса. Он является сильным ядом, поэтому при работе с ним необходимо соблюдать правила техники безопасности. Плотность гексогена 1816 кг/м³ (1,816 г/см³), температура плавления 204,5–205 °С. При нагревании гексоген начинает разлагаться при 203 °С, причем при данной температуре отмечается повышенная чувствительность его к удару и трению. Поэтому снаряжение им боеприпасов производят не заливкой, а только прессованием. Для уменьшения чувствительности к удару и трению его флегматизируют парафином, воском, церезином и другими веществами.

Гексоген является мощным бризантным веществом. Скорость детонации при плотности 1700 кг/м³ (1,7 г/см³) равна 8380 м/с.

Чистый гексоген применяется для изготовления капсюлей-дето-наторов и как энергетическая добавка в некоторых составах баллиститных порохов. Гексоген в смеси с другими ВВ находит применение для снаряжения артиллерийских снарядов, авиационных бомб, морских мин, торпед.

1.9.3 Октоген [3,4]

Химическое название циклотетраметилентетранитрамин. Химическая формула:

Октоген существует в четырех кристаллических модификациях (α, β, γ, δ). Получают октоген нитролизом уротропина нитратом аммония в азотной кислоте в присутствии уксусного ангидрида и параформальдегида. Мольное соотношение компонентов подбирают так, чтобы обеспечивался максимальный выход октогена при минимальном выходе гексогена. Получают продукт, который содержит 30–40 % гексогена и 60–70 % октогена. Затем октоген отделяют от гексогена. Разделение основано на значительно большей (в четыре раза) растворимости гексогена в ацетоне, чем октогена. Проводят обработку продукта трехкратным количеством ацетона, при этом почти весь октоген отфильтровывают.

Гексоген выделяют путем разбавления ацетонового раствора водой (гексоген выпадает в осадок).

Выход чистого октогена составляет 50–55 % по уротропину.

Свойства октогена и его применение. Октоген – это высокоплавкое белое кристаллическое вещество. На практике нашла применение β-форма октогена, температура плавления которой 270 °С. По сравнению с гексогеном он более термостоек. Температура начала разложения 220 °С, поэтому октоген плавится с разложением. Скорость детонации при плотности 1900 кг/м³ (1,9 г/см³) составляет 9124 м/с.

Высокая термостойкость октогена позволяет использовать его в зарядах, подверженных воздействию высоких температур, например, при проведении взрывных работ в глубоких и сверхглубоких скважинах, в боеприпасах для сверхзвуковой авиации. По сравнению с гексогеном у октогена более высокая скорость детонации, большая бризантность и мощность.

Применяют октоген в качестве энергетической добавки в твердых ракетных топливах и артиллерийских порохах, также используют как в виде самостоятельных зарядов, так и в смеси с тротилом (октолы).

1.9.4 Нитраты целлюлозы [4, 11–16]

Нитраты целлюлозы (НЦ) получают действием на целлюлозу азотно-серной кислотной смеси с небольшим добавлением воды. Реакция протекает по следующей схеме:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_m+mnHNO₃ [C₆H₇O₂(OH)₃(ONO₂)_n]_m+mnH₂O,

где n – степень этерификации;

m – степень полимеризации.

Серная кислота необходима для активации азотной кислоты и связывания воды, выделяющейся во время реакции.

Изменяя состав кислотной смеси, можно получить нитраты целлюлозы с разной степенью этерификации, то есть с разным содержанием азота. Важными показателями являются также растворимость нитратов целлюлозы в органических растворителях (определяет расход растворителей при их переработке) и вязкость (определяет механическую прочность пленок или каких-либо изделий).

В зависимости от содержания азота в них, растворимости в спиртово-эфирной смеси и вязкости 2%-ных растворов НЦ в ацетоне выпускают марки нитратов целлюлозы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 − Технические характеристики нитратов целлюлозы

Вид нитрата целлюлозы	Техническое название	Содержание азота	Условная вязкость, мПа·с (оЭ − градус Энглера)	Область применения
N, %	мл NO/г
Лаковый высоковязкий коллоксилин	Коллоксилин ВВ	11,91− 12,29	190−196	8,5−10,6 (1,9−2,2)	Авиалаки, изоляционные лаки
Лаковый средневязкий коллоксилин	Коллоксилин СВ	11,91− 12,29	190−196	3,8−8,4 (1,31−1,89)	Лаки для дерева, искусственной кожи, клеящие составы
Лаковый низковязкий коллоксилин	Коллоксилин НВ	11,91− 12,29	190−196	1,9−3,7 (1,11−1,30)	Эмали, грунтовки, шпаклевки, клеящие составы
Лаковый весьма низковязкий коллоксилин	Коллоксилин ВНВ	11,91− 12,29	190−196	1,1−1,8 (1,03−1,10)	Лаки для металла, эмали для машин
Лаковый полусекундной вязкости коллоксилин	Коллоксилин ПСВ	11,91− 12,29	190−196	0,6−1,0 (0,98−1,02)	Лаки для мебели, бумаги, нитропленки
Лакомастичный коллоксилин	Коллоксилин ЛМ	10,66− 12,41	170−198	3,7−15,8 (1,3−3,0)	Мастика для изготовления технических тканей
Целлулоидный коллоксилин	Коллоксилин ЦК	10,97− 11,22	175−179	6,2−10,6 (1,6−2,2)	Мячи для нас-тольного тенниса
Коллоксилин «Н»	Коллоксилин НХ, НД	11,85− 12,29	189−196	8,5−15,8 (1,9−3,0)	Для баллиститных порохов

Продолжение таблицы 1

Пироксилин №1	Пироксилин 1П	не менее 13,10	не менее 209	8−12	Для пироксилиновых порохов
Пироксилин №2	Пироксилин 2П1, 2П2, 2П3	11,79−12,41	188−198	6−10	Для пироксилиновых порохов

1.9.4.1 Влияние некоторых факторов на процесс нитрования
целлюлозы

Влияние свойств целлюлозы на процесс этерификации. Реакционная способность полимеров в значительной мере зависит от доступности реакционноспособных функциональных групп. Для целлюлозы, ректификация которой протекает гетерогенно, определяющей ско-рость реакции стадией является проникновение нитрующего агента (азотной кислоты) внутрь волокна. Скорость реакции также зависит от величины и характера внутренней поверхности целлюлозы (от величины внутренней поверхности зависит количество сорбированной в начальный момент нитросмеси). Скорость капиллярной пропитки зависит от поверхностного натяжения нитрационной смеси, от ее способ-ности удержаться на стенках капилляров, а также от впитывающих свойств целлюлозы.

Образцы целлюлозы могут отличаться по характеру и величине своей поверхности. Целлюлоза - гидрофильный материал, однако в зависимости от метода обработки (в частности, от условий сушки), а также от характера примесей она способна гидрофобизоваться. Образцы целлюлозы, высушенные при температурах более 120 °С, обладают малой реакционной способностью. При нагревании может происходить смыкание макромолекулярных цепей, особенно при наличии на поверхности гидрофобных примесей: сорбированных смол, лигнина и продуктов их распада. Этим объясняется более низкая, как правило, реакционная способность древесной целлюлозы. По сравнению с хлопковой древесная целлюлоза впитывает в начальный момент времени меньшее количество нитрационных смесей. При обработке образцов древесной целлюлозы поверхностно-активными веществами (ПАВ) улучшается ее впитывающая способность за счет экранирования ими гидрофобных участков.

На реакционную способность влияет удельная поверхность целлюлозы. При ее увеличении скорость реакции возрастает. Для образцов микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) с развитой поверхностью этерификация заканчивается за 1,5–2,0 мин. Микрокристаллическая целлюлоза получается при кислотном гидролизе древесной и хлопковой целлюлозы. Увеличения скорости этерификации можно достигнуть, предварительно измельчив целлюлозу. Для измельченных образцов древесной целлюлозы реакция практически заканчивается через
2–5 мин. Для образцов с большой удельной поверхностью процесс этерификации можно проводить при малых модулях, поскольку для окончания реакции достаточно поглощенной за счет капиллярного впитывания кислоты.

Этерификация целлюлозы – гетерогенный процесс, скорость которого определяется массопередачей. Особенностью протекания такой реакции является увеличение диффузного сопротивления во времени. Скорость реакции зависит от толщины слоя целлюлозного материала, через который проникает нитрующий агент, особенно при этерификации образцов бумаги с различной плотностью.

Наиболее легко этерификация протекает для рыхлых бумаг, в которых целлюлозные волокна находятся на большом расстоянии друг от друга. Образцы бумаги с меньшей средней плотностью нитруются быстрее, и наиболее удобной для этерификации физической формой является папка. Однако рыхлая бумага и папка нетехнологичны: уменьшается загрузка нитрационных аппаратов, и ухудшаются расходные коэффициенты кислотных смесей из-за сложности их рекуперации. Но бумага при соответствующей плотности является наиболее удобной физической формой целлюлозы для нитрации, так как возможно более равномерное протекание реакции и получение более однородных продуктов. Существенна при этом однородность бумаги по толщине и плотности.

Применяемая для нитрации древесная целлюлоза в форме рулонной бумаги (РБ) не всегда удовлетворяет этим требованиям. Более плотные слои бумаги хуже впитывают нитросмесь, медленнее нитруются, и это приводит к неоднородности нитратов целлюлозы. Хорошей реакционной способностью обладают образцы композиционной бумаги (КБ), полученной из смеси древесной и хлопковой целлюлозы. Хлопковая целлюлоза, благодаря своей более развитой капиллярной системе, облегчает проникновение нитрующего агента в КБ. Новый вид КБ для нитрации был получен из древесной целлюлозы и короткоштапельного линта аэрохимического съема, применение которого позволяет получить образцы бумаги с хорошими впитывающими свойствами и высокой реакционной способностью.

РБ и КБ - наиболее перспективные виды целлюлозного сырья для этерификации по своим физико-химическим характеристикам и технологическим свойствам. Причем использование целлюлозы в форме РБ позволит перейти к единой форме целлюлозы для получения ее нитратов.

Повысить реакционную способность целлюлозных материалов можно за счет химической активности. Наиболее эффективна активация аммиаком или простейшими аминами (метиламином, этиламином и др.). При обработке аммиаком диаметр капилляров может увеличиваться в 2–3 раза, что облегчает стадию проникновения нитрующего агента. Наиболее эффективна для этерификации целлюлозы низкотемпературная (при минус 50 °С) активация аммиаком. Поскольку при удалении аммиака диаметр капилляров уменьшается до первоначального значения, активизацию целесообразно проводить непосредственно перед этерификацией целлюлозы. Как уже отмечалось, для данной нитрационной смеси скорость реакции зависит от вида целлюлозного материала, характера примесей, физической формы. Собственно химическая реакция протекает очень быстро, и скорость реакции определяется условиями протекания диффузной стадии.

Влияние модуля этерификации. Модулем этерификации называется массовое соотношение между нитрующей смесью и нитруемой целлюлозой. Сапожников полагал, что для получения однородных нит-ратов целлюлозы необходим большой избыток азотной кислоты или кислотной смеси по отношению к целлюлозе, и состав их во время нитрации должен оставаться постоянным.

Шмидт также считал, что однородный по составу нитрат целлюлозы можно получить, если нитрационная смесь в процессе этерификации мало меняется по составу, в частности, при большом количестве нитрационных смесей.

Состав нитрационных смесей к концу этерификации изменяется вследствие вступления азотной кислоты в реакцию этерификации и выделения реакционной воды. Это изменение тем больше, чем меньше модуль нитрации. Но так как степень этерификации целлюлозы определяется не первоначальным состоянием нитрационной смеси, а составом, который установится в конце этерификации при равновесии процессов, то модуль оказывает определенное влияние на степень этерии-фикации и свойства получаемых нитратов целлюлозы. При существующих методах нитрации для ускорения смачивания целлюлозы количество азотной кислоты и кислотной смеси должно в 10–12 раз превышать теоретически необходимое. Избыток кислотных смесей по отношению к целлюлозе необходим также для протекания диффузионных процессов выравнивания.

Для большей однородности нитратов целлюлозы желательно применять большой модуль этерификации, однако это снижает производительность аппаратуры и приводит к большому количеству находящихся в обороте кислотных смесей.

В существующих производствах нитратов целлюлозы этерификацию целлюлозы осуществляют при модулях 1:25–1:40 в зависимости от марки сырья.

Температура этерификации. Повышение температуры этерификации ускоряет процесс начального накопления азота в НЦ. Опытными данными Лунге показано, что если за 30 минут нитрования при 0 °С содержание азота в нитрате целлюлозы достигает 10,71 %, то при 19°С – 12,72 % и при 40°С – 13,1 %. Из этого следует, что изменение температуры незначительно влияет на степень этерификации. Согласно диффузионной теории Малахова, скорость этерификации целлюлозы определяется не скоростью химической реакции, а суммой скоростей про-цессов диффузии и массопередачи. Температура в какой-то степени ускоряет реакцию этерификации, но практически не влияет на конечный результат степени этерификации целлюлозы.

С повышением температуры этерификации более интенсивно проходят гидролиз и окисление нитратов целлюлозы, так как энергия активации этих побочных реакций (по данным Г.К. Клименко, Е=83,74 кДж/моль) больше энергии активации (Е=33,5–62,8 кДж/моль) реакции этерификации.

Повышение температуры этерификации всегда ведет к снижению степени полимеризации, выхода нитратов целлюлозы, уменьшению предельной степени замещения. В условиях производства выбор температуры нитрации определяется необходимостью снизить степень полимеризации, особенно, при производстве коллоксилинов. При стабилизации НЦ в чанах, где температура не превышает 100 °С, снижение степени полимеризации целесообразнее осуществлять в основном на фазе нитрации. При автоклавной стабилизации под воздействием высокого давления и температуры степень полимеризации снижается по всей массе (а не локально, как при этерификации) и сокращается время стабилизации. Снижение степени полимеризации рациональнее проводить на этой фазе.

Проведение процесса этерификации при температуре выше 25–27 °С нежелательно.

Время этерификации. Скорость этерификации мала, и для достижения равновесного содержания азота в нитрате целлюлозы требуется длительное время. Машкин определил, что для достижения равновесного состояния требуется 12–20 часов. В гомогенной среде реакция этерификации протекала бы быстрее. Однако этерификация носит гетерогенный характер, ее скорость обусловлена сложной структурой целлюлозного волокна, способностью поверхности целлюлозы гидрофобироваться, изменением смачивающей способности нитрационных кислотных смесей при изменении их состава и др.

Сапожников показал, что при нитрации малого количества целлюлозы реакция этерификации происходит довольно быстро.

Время этерификации целлюлозы в заводских условиях составляет 30–60 минут и зависит от марки получаемого нитрата целлюлозы, вида исходного целлюлозного материала, условий перемешивания, температуры и других факторов.

На скорость этерификации влияет и состав нитрующей смеси. Сапожниковым показано, что кислотные смеси, содержащие малое количество воды и увеличенное количество азотной кислоты, способствуют резкому ускорению реакции этерификации, и процесс может быть закончен за несколько минут. Так, например, при составе кислотной смеси H₂SО₄ – 23,4 %, HNО₃ – 31,6 %, Н₂О – 5 % за время этерификации одна минута накопление азота в НЦ составило 10 %, за две минуты - 11,83 %, за пять минут - 13,14 %.

Сукарно показал, что с увеличением содержания воды в кислотных смесях резко уменьшается скорость этерификации.

Древесная целлюлоза нитруется медленнее, чем хлопковая, поэтому для ее нитрации применяются более активные кислотные смеси, содержащие меньшее количество воды и большее количество азотной кислоты.

При этерификации целлюлозы смесями азотной кислоты с органическими растворителями ускоряется процесс накопления азота в получаемом нитрате целлюлозы. Так, например, при нитрации целлюлозы в среде хлористого этилена содержание азота в нитрате целлюлозы, близкое к 14 %, достигается за 20 минут.

Увеличение скорости этерификации имеет существенное практическое значение, так как сокращение продолжительности этерификации позволит не только увеличить производительность существующего технологического оборудования, но и создать непрерывно дейст-вующие малогабаритные агрегаты.

1.9.4.2 Сернокислотный метод этерификации

Существующий в настоящее время промышленный метод этерификации целлюлозы является сернокислотный. Классический метод получения нитратов целлюлозы – обработка целлюлозы тройными смесями: азотной и серной кислот и воды. Изменяя соотношения компонентов смеси (азотной и серной кислот и воды), можно получить различные виды нитратов целлюлозы.

Сернокислотная технология получения нитратов целлюлозы обладает рядом достоинств:

- возможностью широкого варьирования соотношения компонентов в системе HNO₃–H₂SO₄–H₂O – целлюлоза;

- высокой скоростью процесса этерификации;

- экономичностью процесса этерификации, обусловленной срав-нительно низкой стоимостью серной кислоты.

Однако, наряду с этими и некоторыми другими достоинствами, эта технология обладает и рядом существенных недостатков:

- большими трудностями при получении высокоазотных НЦ;

- наличием побочных процессов при нитровании (сульфирование целлюлозы и НЦ, неконтролируемый гидролиз и т.п.), приводящих к необходимости проведения специальных технологических операций (например, стабилизации), существенно увеличивающих длительность процесса в целом;

- необходимостью разделения отработанных кислот с последующим концентрированием НNO₃ и H₂SO₄ кислот;

- наличием экологически вредных выбросов – паров и тумана H₂SO₄, SО₃ и т.п., а также больших объемов нейтрализуемых после фазы стабилизации кислых стоков.

Необходимо отметить, что использование серно-азотных кислотных смесей позволило создать надежную технологию, которая остается в своей основе неизменной уже около 100 лет.

Азотная кислота. Азотная кислота - нитрующий агент в нитрационных кислотных смесях.

Скорость этерификации целлюлозы определяется скоростью смачиваемости целлюлозы и капиллярной пропиткой волокна. С увеличением в нитрационной кислотной смеси содержания азотной кислоты ее смачивающая способность улучшается и скорость проникновения во внутренние зоны волокна увеличивается. Это объясняется меньшим поверхностным натяжением и большим коэффициентом диффузии азотной кислоты по сравнению с серной. Однако повышение скорости реакции этерификации при увеличении в нитрационной кислотной смеси азотной кислоты наблюдается до известного предела. На практике применяются нитрационные кислотные смеси, в которых молярное соотношение H₂SО₄:HNО₃ лежит в пределах около 2 или массовое - около 3.

Серная кислота. Исследование кинетики и установления механизма нитрования спиртов и целлюлозы, а также изучение строения (растворов кислот) нитрующих смесей позволили установить, что серная кислота не принимает непосредственного участия в процессе нитрования, а необходима для того, чтобы сместить равновесие в кислой среде в сторону образования N₂О₅(NО₂)⁺, кислого сульфита нитрония и поддерживать высокую кислотность среды при введении большого числа гидроксидов.

Серная кислота поддерживает азотную кислоту в негидратированном (безводном) состоянии и тем самым обусловливает нитрующую способность нитрующей кислотной смеси. Когда количество выделяющейся воды превысит количество, необходимое для образования тригидрата серной кислоты, начинается образование гидрата азотной кислоты, при этом нитрующая способность кислотной смеси уменьшается.

Серная кислота увеличивает степень набухания целлюлозы и тем самым ускоряет диффузию нитрационной кислотной смеси во внутрь волокна. Кроме того, серная кислота уменьшает окисляющее и гидролизирующее действие на целлюлозу азотной кислоты, что не только способствует получению нитратов целлюлозы, менее загрязненных продуктами окисления и гидролиза, но и уменьшает удельный ее расход. Поэтому желательно введение в нитрационные кислотные смеси до 50–69 % серной кислоты.

Вода. Основным фактором, регулирующим степень этерификации целлюлозы, является содержание воды в исходных нитрационных кислотных смесях. Оно определяется с учетом всех факторов, влияющих на реакцию этерификации (содержание азотной и серной кислот, температуры этерификации, модуля и др.). С увеличением содержания воды в кислотной смеси выше 8–9 % содержание азота в нитрате целлюлозы понижается, увеличивается растворимость и уменьшается вяз-кость их растворов. С понижением содержания воды в кислотных смесях содержание азота в получаемом нитрате целлюлозы повышается.

Так, при промышленном получении высокоэтерифицированных нитратов целлюлозы (пироксилина № 1) содержание воды в нитрационной кислотной смеси составляет около 5,5–9,6 %. При изготовлении менее этерифицированных нитратов целлюлозы (коллоксилинов) содержание воды колеблется от 16 до 20,5 % в зависимости от требуемой степени этерификации.

Оксиды азота. NО₂ и N₂О₄, находящиеся в равновесии (2NО₂↔N₂О₄), и N₂О₃ являются постоянной составной частью технической азотной кислоты и ее смесей с серной кислотой. Они образуются при восстановлении азотной кислоты во время окислительных процессов, содержание их в кислотных смесях увеличивается и может достигать 5 % и более. В нитрационных кислотных смесях с относительно малым содержанием воды (10 % и ниже) большая часть оксидов азота связана в виде нитрозилсерной кислоты SО₂(OH)(ONO) и, следовательно, не оказывает агрессивного действия на целлюлозу и не влияет на эффект этерификации. Особенно заметно влияние оксидов азота при этерификации многоводными нитрационными кислотными смесями, в которых образование нитрозилсерной кислоты почти исключено. Д.И. Гальперин указывает на отрицательное влияние оксидов азота в многоводных нитрационных кислотных смесях и рекомендует допускать их содержание не более 3,3–3,5 %.

Таким образом, наличие оксидов азота в нитрующих кислотных смесях понижает содержание азота в нитрате целлюлозы, ее вязкость и т.д. При этом отрицательное их действие тем больше, чем больше содержание воды (10 % и более) в нитрационных смесях.

1.9.4.3 Бессернокислотные методы этерификации

Этерификация целлюлозы серно-азотными смесями пока единственный метод, имеющий промышленное значение. Однако данный метод, как уже отмечалось, имеет недостатки. Это прежде всего длительная стабилизация, связанная с разрушением сульфоэфиров и удалее-нием «закапсюлированной» серной кислоты. В нитрационных кислотных смесях с высоким содержанием воды могут протекать процессы окисления, при этом дополнительно понижается химическая стойкость и ухудшается растворимость нитратов целлюлозы. Кроме того, при использовании нитрационных серно-азотных смесей сложно получить высокоазотные нитраты целлюлозы (с содержанием более 13,6 % азота). На протяжении многих лет в нашей стране и за рубежом изучаются бессернокислотные методы этерификации. Применение этих методов позволит сократить длительность стабилизации, повысить содержание азота, в ряде случаев повысить структурно-химическую однородность нитратов целлюлозы.

Ведутся работы по использованию бессернокислотных нитрующих смесей состава HNО₃-N₂О₄-N₂О₅.

Получены химически стойкие нитраты целлюлозы с содержанием азота 214,8–215,0 мл NO/г (или 13,44–13,45 %). Так как эти нитрующие составы обладают более сильными коррозийными свойствами, чем серная кислота, создание экономически эффективных аппаратов, способных выдержать действие нитрующего агента, представляет определенную сложность. В данном технологическом процессе необходимо применение коррозийно-стойких материалов.

Этерификация целлюлозы свободной азотной кислотой. Наиболее ранние работы были посвящены изучению возможности этерификации целлюлозы свободной азотной кислотой. При использовании концентрированной азотной кислоты удается достичь содержания азота в нитратах целлюлозы 13,6–13,7 %. При этом наблюдается сильное набухание образца при этерификации, сопровождающееся разрушением волокнистой структуры и образованием «студня». Из-за уменьшения поверхности и заплывания капилляров в нитратах целлюлозы резко ухудшается диффузионное выравнивание массовых долей азотной кислоты, что не позволяет получать высокоэтерифицированные продукты. Метод не имеет промышленного значения из-за высокой летучести азотной кислоты и сильной ее адсорбции нитратом целлюлозы.

Высокоазотные нитраты целлюлозы могут быть получены при взаимодействии целлюлозы с парами азотной кислоты. Бушонне получил образцы с 13,6 % азота. Вильсон и Майлс изучили кинетику этерификации целлюлозы азотной кислотой при разрежении от 0,53 кПа до 21 кПа и температуре 20 °С. Им удалось получить нитраты целлюлозы с 13,5 % азота. Реакция этерификациии в этих условиях протекает очень медленно (до 40 часов). Процесс сопровождается сильной деструкцией целлюлозы. В реакции участвуют адсорбированная азотная кислота. Вследствие разбавления реакционной водой азотной кислоты ее массовая доля внутри волокна резко уменьшается, что может вызывать протекание деструкции. Недостатком данного метода является сложность аппаратурного оформления (необходимость вакуума), опасность проведения процесса на стадии обработки целлюлозы парообразной азотной кислотой.

Степень этерификации, а также стойкость нитратов целлюлозы повышаются при добавлении к азотной кислоте азотнокислых солей щелочных металлов. Бушонне, Рогозин и Парадия получили нитраты целлюлозы с 13,8 % азота, добавляя к азотной кислоте от 10 до 15 % азотнокислого калия и азотнокислого натрия. Аналогичные результаты были получены также при использовании азотнокислого цинка и магния.

Отмечалась возможность создания непрерывных методов получения нитратов целлюлозы при использовании для этерификации азотной кислоты и ее солей.

Соли азотной кислоты облегчают проникновение нитрующего агента во внутрь целлюлозных волокон, а также препятствуют гидролизу целлюлозы и нитратов целлюлозы. Основной недостаток данного метода – сравнительно высокая стоимость.

Этерификация целлюлозы азотной кислотой в присутствии других водоотнимающих средств. Высокоазотные нитраты целлюлозы могут быть получены при введении в нитрационные смеси водоотнимающих средств, связывающих образующуюся в процессе реакции воду, - ангидридов кислот, а также фосфорной кислоты. Этерификация целлюлозы азотной кислотой и ее ангидридом изучалась Роговиным и Тихоновым. При добавлении 5 % азотного ангидрида к 96%-ной азотной кислоте содержание азота в нитрате целлюлозы достигает 13,8 %. Данный метод представляет большой интерес. При использовании фосфорного ангидрида и азотной кислоты удается получить предельно этерифицированные нитраты целлюлозы (14,14 %). Смесь 64 % азотной кислоты, 26 % ортофосфорной кислоты и 10 % фосфорного ангидрида, предложенная Митчелом и Александровым, также позволяет получить нитраты целлюлозы с предельным содержанием азота, высокой стабильностью и хорошей растворимостью в этилацетате и ацетоне.

Высокая химическая стойкость нитратов целлюлозы, полученная в присутствии фосфорной кислоты, объясняется тем, что фосфорная кислота в отличие от серной не образует эфиров с целлюлозой, а ее анионы, вследствие большого размера, не проникают внутрь целлюлозных волокон. Нитрационные кислотные смеси, в состав которых вместо серной кислоты входит фосфорная кислота, используются за рубежом для получения высокоазотных нитратов целлюлозы. Основной недостаток этого метода - сложность рекуперации отработанных кислотных смесей. Фосфорная кислота обладает более сильным коррозирующим действием, чем серная, поэтому создание экономически эффективного аппаратурного оформления, способного выдержать действие фосфорной кислоты при повышенных температурах, представляет очень сложную и нерешенную проблему.

Нитраты целлюлозы с содержанием азота близким к теоретическому пределу могут быть получены при использовании азотной кислоты и уксусного ангидрида, при этом получаются также достаточно стойкие продукты. Стабилизация сводится в этом случае к нескольким промывкам. Целлюлозу этерифицируют азотной кислотой с добавлением уксусного ангидрида при 0 °С, при более высоких температурах процесс проводить опасно.

Этерификация целлюлозы азотной кислотой в присутствии органических растворителей. Органические растворители в ряде случаев облегчают проникновение нитрующего агента в целлюлозные материалы как за счет снижения поверхностного натяжения кислотных нитрующих смесей, так и за счет увеличения диаметров капилляров. Кроме того, комплексообразование растворителя с азотной кислотой и целлюлозой может уменьшить энергию активации образования нитрующего агента. При этом может ускоряться собственно химическая реакция.

Широко изучалось использование в нитрационных кислотных смесях хлорированных углеводородов. В одной из первых работ в этой области Роговин и Парадия применили эмульсию азотной кислоты в четыреххлористом углероде и пентане с добавкой нафтенсульфоновых кислот (эмульгаторы). При использовании нитрующей кислотной смеси состава: 7,5 % азотной кислоты, 15 % серной кислоты, 75 % четыреххлористого углерода – получали нитраты целлюлозы с содержанием азота 10,9 %. Данный метод позволяет уменьшить расход азотной кислоты. При использовании смеси четыреххлористого углерода и азотного ангидрида можно получить стойкие высокоазотные нитраты целлюлозы с 14,1 % азота.

Ведутся работы по изучению этерификации целлюлозы азотной кислотой в присутствии хлористого метилена. Меняя соотношение компонентов нитрующей смеси, можно получать различные виды нитратов целлюлозы. Все нитраты целлюлозы, полученные в присутствии хлористого метилена, более стойки, чем образцы с тем же содержанием азота, полученные при использовании промышленных серно-азот-ных нитрационных кислотных смесей. Это позволяет упростить стабилизацию, сводя ее к многократным промывкам нитрата целлюлозы водой.

Наряду с хлорированными углеводородами для этерификации используются и другие индифферентные органические растворители. Так, высокоазотные нитраты целлюлозы могут быть получены при использовании смесей азотной кислоты с н-гептаном или нитробензолом. Особый интерес представляет процесс этерификации в нитрационных смесях, которые растворяют нитраты целлюлозы и в которых реакция может закончиться в гомогенной среде, например, в азотной кислоте и нитрометане. Нитраты целлюлозы в этом случае высаживают значительным количеством воды.

Гомогенно заканчивается этерификация и при использовании тройной системы – азотная кислота, хлористый метилен, хлороформ. При этом можно получать более однородные нитраты целлюлозы. Эти методы уже вышли из стадии лабораторных исследований.

1.9.4.4 Различные целлюлозосодержащие материалы,
используемые для изготовления целлюлозы

Вначале для изготовления целлюлозы применялся дорогостоящий хлопок. К 1904 г. целлюлозу начали изготовлять из линтера, снимаемого из хлопкового семени. Преимуществом линтера по сравнению с хлопком является его более низкая стоимость и легкость обработки при этерификации и последующем технологическом процессе.

Абель предложил также использовать хлопчатобумажные концы или угары с прядильных фабрик, которые предварительно должны пройти обработку. Для получения нитратов целлюлозы хлопок имеет наибольшее содержание α-целлюлозы. Другим наиболее целлюлозосодержащим видом сырья является древесина. Поэтому с самого начала промышленного производства НЦ, наряду с хлопковой целлюлозой, пытались применять древесную целлюлозу, в первую очередь в странах, не имеющих своего хлопка.

Еще в 1892 г. Орловский предложил для получения нитратов целлюлозы использовать древесную целлюлозу в виде тонкой бумаги. Однако при ее переработке в нитраты целлюлозы имелись трудности. Получаемые продукты не были хорошо проэтерифицированы, выход нитратов целлюлозы был на 15–20 % ниже. Поэтому во Франции и США применение древесной целлюлозы начали с ее переработки в смеси с хлопковой.

Лишь в Германии и Австрии во время войны 1914–1917 гг. впервые была применена древесная целлюлоза для изготовления нитратов целлюлозы в виде тонкой гофрированной бумаги - алигнина без дополнительного облагораживания. Эта форма целлюлозы применялась и на отечественных заводах, при этом, по сравнению с линтером, выход нитратов целлюлозы и производительность основных аппаратов на
10–15 % выше.

Была установлена возможность использования отбеленной сульфитной древесной целлюлозы с высоким содержанием α-целлюлозы, полученной из древесины хвойных деревьев. Физическая форма целлюлозы имеет большее значение для удовлетворительного и экономического ведения этерификации, чем ее химическая чистота. Отечественными и зарубежными учеными проводились работы по изысканию наиболее оптимальных форм целлюлозы.

Древесная целлюлоза, применяемая для изготовления нитратов целлюлозы, должна удовлетворять следующим требованиям:

- иметь хорошие сорбционные свойства;

- материал во время этерификации должен сохранять форму, не должен распадаться на отдельные волокна. Это обеспечит соответствующий выход нитратов целлюлозы;

- нитраты целлюлозы после этерификации должны сорбировать по возможности малые количества отработанных кислотных смесей, при этом расход кислот сокращается;

- насыпная плотность целлюлозного материала должна быть оптимальной. С повышением плотности увеличивается единовременная загрузка аппаратуры, а, следовательно, и ее производительность. При этом уменьшаются модуль этерификации и количество кислот, находящихся в обороте.

В 1928–1930 гг. во Франции был отработан процесс получения древесной целлюлозы в виде пушистой хлопкообразной массы, сос-тоящей из отдельных рыхлых жгутиков длиной до 10 мм, толщиной до 1–4 мм. Этот материал изготовлялся из высокооблагороженной древесной целлюлозы с содержанием около 96 % α-целлюлозы.

В 40-х годах в отечественной промышленности была обработана и нашла широкое применение в качестве сырья облагороженная сульфитная целлюлоза марки ЦА, которая по форме напоминает пушистую хлопковую массу, состоявшую из отдельных жгутиков. Эта целлюлоза широко применяется и в настоящее время для изготовления нитратов целлюлозы в пороховой промышленности. Однако тонкая рыхлая бумага алигнин и более уплотненная целлюлоза марки ЦА не в полной мере отвечают предельным технологическим требованиям к целлюлозе. Для изготовления ЦА нужны специальные цехи, которые почти бездействуют в мирное время. Кроме того, она неоднородна по вязкости, содержанию непронитрованного остатка, форме жгутика, неоднородна по плотности и размерам жгутика, поверхности целлюлозы разных партий отличаются друг от друга, что отрицательно сказывается на этерификации.

Форма древесной целлюлозы постоянно изменялась. В 1938 г. А.П. Закощиков, П.Д. Герасимов, Р.А. Малахов и другие разработали рациональные методы этерификации уплотненной целлюлозы в форме бумаги, измельченной на соответствующие элементы. Были установлены рациональные требования к ее свойствам в нитрующих кислотных смесях - необходимое содержание азотной кислоты. Целлюлоза в форме бумаги - перспективный материал. Целлюлоза РБ имеет большую, чем ЦА, насыпную массу (в 2 раза), что позволяет увеличить производительность отдельных фаз производства нитратов целлюлозы. Благодаря компактности РБ сокращаются складские помещения и транспортные расходы. Однако реакционная способность уплотненной целлюлозы ниже, чем целлюлозы ЦА. Кроме того, плотная форма затрудняет обратную диффузию кислот и отбор тепла гидратации. Увеличивается время этерификации, и повышается степень денитрации нитратов целлюлозы. Основной недостаток бумаги из сульфитной облагороженной целлюлозы – неравномерность полотна по плотности и толщине.

Применение данного вида целлюлозы было затруднено из-за отсутствия станка для резки целлюлозного полотна. В 1950 г. такой станок был создан (автор В.В. Кузьмин) и внедрен в промышленность.
С внедрением данного станка в пороховой промышленности началось широкое использование древесной целлюлозы уплотненной формы в виде бумаги.

Однако древесная сульфитная целлюлоза отличается повышенной жесткостью волокна, содержит много органических минеральных примесей, поэтому невозможно применение соответствующих нитратов целлюлозы в производстве, например, баллиститных ракетных порохов. Такие нитраты целлюлозы не обеспечивают стабильной баллистики наиболее ответственных изделий и непригодны для изготовления лаков.

За последнее время повысились тактико-технические требования к зарядам артиллерийских выстрелов и требования к выпускаемым порохам. Важным вопросом является улучшение химической чистоты древесной целлюлозы, доведение ее до уровня хлопковой.

Вместе с тем развитие пороховой промышленности требует новых сырьевых ресурсов. Высококачественные сорта беленой предгидролизной сульфатной целлюлозы имеют преимущества по сравнению с сульфитной. Поэтому для расширения сырьевой базы можно применять сульфатную целлюлозу. Ее в большом количестве выпускает целлюлозно-бумажная промышленность.

В отличие от сульфитной для варки сульфатной целлюлозы применяются не кислые растворы бисульфита кальция и свободная сернистая кислота, а щелочные растворы, содержащие в своем составе гидроксид натрия, сернистый натрий и ряд других солей. Сульфитную целлюлозу изготовляют из древесины ели, пихты и других, сульфатную – из лиственных пород деревьев, запасы которых у нас значительно большие.

Работы по изучению использования сульфатной целлюлозы в производстве нитратов целлюлозы для изготовления пироксилиновых и баллиститных порохов были начаты еще в довоенные годы. Были выпущены образцы в виде РБ, переработанные в пороха, которые отвечали всем тактико-техническим требованиям.

Сульфатная целлюлоза была рекомендована для внедрения в пороховую промышленность, однако из-за отсутствия производственной базы это решение не было реализовано.

В настоящее время для изготовления нитратов целлюлозы используются хлопковая и древесные сульфитная и сульфатная целлюлозы.

Хлопковая целлюлоза. В хлопковой целлюлозе содержание
α-целлюлозы больше, чем в древесных, что определяет ее химическую чистоту. Отсутствие в ней гидрофобных примесей (смол, лигнина) улучшает ее смачивающие свойства, увеличивает выход нитратов целлюлозы, а также обусловливает сохранение ее физико-химических свойств при длительном хранении. Благодаря высокой реакционной способности и химической чистоте хлопковую целлюлозу можно использовать для изготовления качественных нитратов целлюлозы, в основном, высококачественных коллоксилинов для производства баллиститных порохов, коллоксилинов типа BHBA, ПСВ, целлулоидного, пироксилина № 2, ацетил-целлюлозы.

Сульфитная древесная целлюлоза. Эта целлюлоза содержит меньшее количество α-целлюлозы по сравнению с хлопковой и значительное количество гидрофобных примесей (смол, лигнина). Эти примеси под действием кислорода воздуха и света способны изменяться, что приводит к нестабильности ее свойств при хранении (целлюлоза гидрофобизируется – «стареет»). Так, например, после 5–7 месяцев хранения смачиваемость целлюлозы значительно уменьшается, что отрицательно сказывается на процесс этерификации. Сульфитная целлюлоза ЦА и РБ выпускается двух марок: марки «К» для изготовления коллоксилинов; марки «П» – для изготовления пироксилина № 1.

Сульфатная древесная целлюлоза. Эта целлюлоза характеризуется лучшей степенью облагораживания, чем сульфитная, и содержит меньше целлюлозных гидрофобных примесей. Впитывающие свойства сульфатной целлюлозы в отличие от сульфитной в течение длительного времени не изменяются. По основным показателям (содержание
α-целлюлозы, смол, впитываемость для РБ, смачиваемость для ЦА) эта целлюлоза приближается к хлопковой. Степень набухания сульфатной целлюлозы больше, чем сульфитной, ее реакционная способность выше. По скорости этерификации, количеству адсорбированных кислот и скорости фильтрации она также приближается к хлопковой целлюлозе.

Сульфатная целлюлоза применяется для изготовления коллоксилинов «Н», лаковых коллоксилинов и других видов нитратов целлюлозы.

Композиционная бумага (КБ). Композиционная бумага состоит из 60 % целлюлозы из линта аэрохимического съема и 40 % древесной целлюлозы марки РБ и по своим физико-химическим показателям соответствует целлюлозе марки РБ. Рекомендованная для внедрения в пороховую промышленность, композиционная бумага позволяет использовать короткошпательный линт в промышленности.

1.9.4.5 Технология изготовления нитратов целлюлозы

Технологический процесс изготовления нитратов целлюлозы складывается из следующих операций:

- подготовка целлюлозы;

- подготовка рабочей кислотной смеси;

- нитрация целлюлозы;

- рекуперация кислот;

- стабилизация нитратов целлюлозы;

- смешение частных партий НЦ в общие;

- отжим НЦ от воды.

Подготовка целлюлозы. Подготовка целлюлозы к этерификации заключается в ее механической обработке с последующей сушкой. Известно, что форма и физическое состояние целлюлозы оказывают на результаты этерификации не меньшее влияние, чем степень ее химической чистоты или состав нитрационной кислотной смеси. Целлюлоза рыхлой формы марок ХЦ и ЦА поступает в производство в виде кип, а плотной формы в виде бумаги марки РБ в рулонах. Для придания целлюлозе хорошей смачиваемости нитрационными кислотными смесями и обеспечения равномерности ее этерификации предварительно все марки целлюлозы измельчаются и подсушиваются до влажности не более 5 %.

Хлопковую целлюлозу и древесную целлюлозу ЦА разрыхляют на кипорыхлителях, а древесную целлюлозу РБ разрезают на резательных станках СРЦ-К (автор В.В. Кузьмин).

Ранее рыхление кип и сушку целлюлозы осуществляли на отдельных аппаратах с последующим транспортированием на фазу этерификации.

В настоящее время на всех заводах установлены измельчительные станки целлюлозы вместе с пневмотранспортными сушильными агрегатами. Такие установки обеспечивают непрерывность процесса рыхления кип целлюлозы или резки бумаги, сушки и транспортирования подсушенной целлюлозы на фазу этерификации.

Установка (рисунок 9) состоит из кипорыхлителя 4 и резательного станка типа СРЦ-К 9, пневмотранспортного агрегата, включающего калориферную установку с вентилятором 1, конфузорно-диффузорные воронки 5, пневмотранспортную сушильную трубу (собственно сушку), приемные бункеры 7, 8, камеру улова пыли 3, вентилятор 2 для выброса отходящего воздуха в атмосферу.

Подготовка целлюлозы марок ХЦ и ЦА к этерификации. До подачи на этерификацию кипы целлюлозы марок ХЦ и ЦА должны быть разрыхлены, после чего она должна быть однородна по величине частиц и не иметь в своем составе неразрыхленных комков. Разрыхлением целлюлозе придается не только улучшенная реакционная способность, но обеспечивается транспортабельность ее в пневмотранспортной трубе. Рыхление целлюлозы осуществляется на кипорыхлителях.

Кипорыхлитель (рисунок 10) имеет три быстро вращающихся в одном направлении рыхлительных барабана, два из которых разрыхляют кипу целлюлозы, а один выбрасывает разрыхленную целлюлозу в разгрузочную воронку.

Кипорыхлитель состоит из механизма рыхлительных барабанов 1 и транспортера подачи кип целлюлозы к механизму рыхления 2. Рыхлительный механизм включает корпус 14, в котором смонтированы три рыхлительных барабана 9, 15, 18 с закрепленными на поверхности рыхлительными зубьями. Всем трем барабанам передается вращение от электродвигателя 13 через клиноременную передачу 12.

ПВ - подогретый воздух; ЦПВ - целлюлоза с подогретым

воздухом; ПВС - паровоздушная смесь; ОВ - осветленная вода

Рисунок 9 - Технологическая схема фазы измельчения и сушки
целлюлозы

Рисунок 10 - Кипорыхлитель

Рыхлительные барабаны закрыты кожухом-ловушкой 17, в котором имеется на шарнирах наклонная плоскость 16. Ловушка в нижней части заканчивается патрубком 11, присоединенным к загрузочному патрубку конфузорно-диффузорной воронки. Транспортер подачи кип к рыхлительному агрегату состоит из рамы 3, на которой смонтированы приводной 8 и натяжной 1 барабаны транспортерной ленты 2, и поддерживающих роликов 4. Для направления движения кипы целлюлозы со стороны рыхлительного механизма имеются боковые щеки 20, на которых смонтирована защитная заслонка 19. Вращение от электродвигателя 7 приводному барабану передается через клиноременную передачу 10 на редуктор 5 и клиноременную передачу 6 на приводной вал транспортера.

Работа кипорыхлителя. Распакованная кипа целлюлозы укладывается на транспортер вдоль оси движения транспортерной ленты 2 и подается в рыхлительный механизм. С помощью зубьев, закрепленных на передних рыхлительных барабанах 9, 18, при вращении последних кипа разрыхляется и разрыхленная целлюлоза попадает в ловушку 17, из ловушки по наклонной плоскости 16 – под воздействие барабана 15. Часть целлюлозы нижним барабаном 9 увлекается в патрубок 11, на пути вновь подхватывается зубьями барабана 15. Пройдя многократную обработку, разрыхленная целлюлоза марки ЦА и марки ХЦ поступает в загрузочный бункер конфузорно-диффузорной воронки пневмотранспортной сушильной трубы.

Степень рыхления можно регулировать скоростью транспортерной ленты, с увеличением скорости степень рыхления уменьшается, и, наоборот, с уменьшением скорости степень рыхления увеличивается.

Подготовка целлюлозы марки РБ к этерификации. Механическая подготовка полотна бумаги к этерификации сложнее, чем подготовка рыхлых форм целлюлозы. Высокая механическая плотность бумаги требует сложных конструкций измельчительных механизмов.

На этерификацию полотна бумаги влияют не только технологические, но и физические факторы, т.е. не только плотность, влажность бумаги, величина ее элементов, но и состояние поверхностей нитруемых элементов. Впитывающие свойства полотна бумаги со стороны образующих его плоскостей имеют меньшую степень, чем свежеобразованные торцевые поверхности. Реакционная способность у вновь образованной поверхности зависит от чистоты среза: чем чище поверхность среза, тем выше его реакционная способность. Чистота среза также необходима и для обеспечения одновременной пропитки кислотами волокон целлюлозы, расположенных в этой поверхности, лучшей отдачей кислоты при ее вытеснении. Кроме того, высокая степень чистоты характеризуется и меньшим количеством пыли. Таким образом, механическая подготовка полотна бумаги к этерификации должна заключаться не только в увеличении ее поверхности, но и в обеспечении ее высокой реакционной (впитывающей) способности. Это достигается раскрытием глубинны