Способ получения дисперсии окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы
Владельцы патента RU 2287511:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" (RU)
Изобретение относится к способам получения компонентов для твердых ракетных топлив баллиститного типа с улучшенными характеристиками горения. Дисперсию окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы получают по реакции взаимодействия ацетата меди с едким натром, но дополнительно вводят незначительное количество полиакриламида в виде водного раствора с целью уменьшения потерь высаженной окиси меди. Способ позволяет получить выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы на уровне 96-99,5% с практическим отсутствием солей меди в технологических водах. Полученный продукт используется для приготовления топливных композиций баллиститного типа. 1 табл.
Изобретение относится к способам получения компонентов твердого ракетного топлива (ТРТ) баллиститного типа с улучшенными характеристиками горения и может быть использовано при создании быстрогорящих и малоградиентных топлив.
Известно, что регулирование характеристик горения ТРТ осуществляется за счет использования различных катализаторов горения, эффективность которых определяется либо способом их подготовки, либо способом ввода в топливную массу. Одним из наиболее эффективных способов модификации катализаторов горения является метод их химического осаждения на волокна нитроцеллюлозы (НЦ) в виде мелкодисперсного порошка.
Известен способ улучшения характеристик горения ТРТ за счет модификации соединений металлов путем их химического или физического осаждения на полимерную основу топлива (патент ФРГ №2754855, С 06 D 5/00, 5/06 от 4.09.80 г). К недостаткам указанного способа относятся отсутствие данных выхода осаждаемого модификатора и условий его получения.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ получения дисперсии окиси меди на волокнах НЦ по патенту RU №2167137, С 06 В 25/26, С 06 D 5/00 от 20.05.2001 г., согласно которому дисперсию окиси меди на волокнах НЦ получают в результате реакции гидролитического распада ацетата меди в среде водной взвеси НЦ при весовом соотношении НЦ:вода не менее 1:18 при температуре 80...105°С. Существенным недостатком метода является наличие потерь осаждаемого катализатора при осуществлении технологического процесса, главным образом, при промывках получаемой композиции - НЦ с осажденной окисью меди, обусловленных малой адгезией окиси меди к НЦ. Данное обстоятельство приводит к загрязнению сточных вод соединениями меди.
Общим признаком заявляемого способа и ближайшего аналога, который выбран в качестве прототипа, является получение дисперсии окиси меди на волокнах НЦ путем нагревания суспензии НЦ в водном растворе ацетата меди.
Техническая задача изобретения заключается в получении высокого выхода осаждаемой на волокна НЦ окиси меди и уменьшении ее потерь при осуществлении техпроцесса.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается способом получения дисперсии окиси меди на волокнах НЦ путем нагревания суспензии НЦ в водном растворе ацетата меди при весовом соотношении ацетата меди и воды 1:25...100 при непрерывном, равномерном перемешивании и дозировании в суспензию водного раствора едкого натра при температуре 90...100°С в течение 50...70 минут и мольном соотношении ацетата меди и едкого натра. 1:0,5...1,0, ввода в суспензию полиакриламида в виде 1...2% водного раствора в количестве 0,01...0,5% от веса НЦ в течение 10...20 минут с последующей выдержкой реакционной массы при температуре 90...100°С в течение 50...70 минут.
Поскольку полиакриламид является органическим флокулянтом, то введение его в реакционную массу способствует интенсификации процесса осаждения за счет формирования мостиков полимера между отдельными частицами твердой фазы (CuO) и НЦ и их более надежного закрепления на поверхности волокон НЦ. То есть введение полиакриамида в реакционную массу приводит к более полному осаждению получаемой окиси меди путем ее закрепления на волокнах НЦ за счет механизма флокуляции и, следовательно, уменьшению потерь окиси меди как при синтезе, так и при промывках.
Температурные пределы процесса ограничены 90...100°С. Снижение температуры процесса менее 90°С приводит к замедлению реакции гидролитического распада.
Пределы мольных соотношений ацетата меди и едкого натра 1:0,5...1,0 обеспечивают высокий выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы. При меньшем количестве едкого натра снижается выход окиси меди. Увеличение количества едкого натра экономически нецелесообразно.
Исследования показали, что уменьшение весового соотношения ацетата меди и воды способствует увеличению производительности аппарата в 2-4 раза.
Временные пределы дозирования едкого натра обеспечивают необходимую дисперсность окиси меди - на уровне 3-20 микрон.
Выдержка реакционной массы в пределах 50-70 минут позволяет окиси меди полностью "прилипнуть" к нитроцеллюлозе. Выбранное время достаточно для полноты прохождения процесса.
Использование флокулянта в количестве 0,01...0,5% полиакриламида позволяет очистить технологические воды от оксида меди и создать практически безотходную технологию.
Пример выполнения заявляемого изобретения.
Пример 1.
В обогреваемый реактор, снабженный механической мешалкой, термометром и воронкой для дозирования, помещают 1250 вес.ч. воды и 25,0 вес.ч. ацетата меди, одноводной, включают перемешивание и загружают 100 вес.ч. нитроцеллюлозы, нагревают до температуры 90°С и дозируют водный раствор едкого натра при мольном соотношении ацетата меди и едкого натра 1:1 в течение 50 минут, загружают 1%-ный водный раствор полиакриламида, содержащий 0,01 вес.ч. сухого полиакриламида в течение 20 минут. По окончании смешения реагентов реакционную массу выдерживают при перемешивании в течение 50 минут и сливают маточный раствор. Влажную нитроцеллюлозу с осажденной окисью меди дважды промывают водой при соотношении (НЦ:Н2O=1:10 вес.ч.) при температуре 70...80°С, отжимают от воды и анализируют на содержание окиси меди. Выход окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы составляет 98,3%. Размер частиц окиси меди составляет 2...5 микрон.
Остальные примеры для наглядности представлены в таблице 1, в которой приведены конкретные температурно-временные и мольно-весовые параметры техпроцесса осаждения окиси меди на волокнах НЦ, осуществляемого в рамках заявляемого изобретения.
| Таблица | |||||||||
| Примеры выполнения заявляемого изобретения | |||||||||
| № п.п. | Cu (СН3СОО)2:Н2O 1:25...100 (вес. ч.) | Cu (CH3COO)2:NaOH 1:0,5...1 (моли) | Т, °С, 90...100 | Время дозировки NaOH, мин 50...70 | Концент-рация ПАА, в % | Количество ПАА, % от НЦ | Время дозиров-ки ПАА, мин 10...20 | Время выдержки, мин 50...70 | Выход CuO, % |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 1 | 1:50 | 1:1 | 90 | 50 | 1 | 0,01 | 10 | 50 | 96,7 |
| 2 | 1:50 | 1:1 | 100 | 60 | 2 | 0,5 | 15 | 65 | 99,2 |
| 3 | 1:50 | 1:0,5 | 100 | 70 | 2 | 0,3 | 10 | 50 | 99,3 |
| 4 | 1:100 | 1:0,75 | 95 | 60 | 1,5 | 0,01 | 20 | 70 | 96,8 |
| 5 | 1:25 | 1:1 | 90 | 50 | 2 | 0,15 | 15 | 70 | 97,3 |
| 6 | 1:50 | 1:0,5 | 100 | 70 | 2 | 0,2 | 20 | 70 | 99,1 |
| 7 | 1:100 | 1:1 | 90 | 50 | 2 | 0,2 | 10 | 50 | 98,0 |
| 8 | 1:100 | 1:1 | 100 | 70 | 1 | 0,5 | 20 | 65 | 99,5 |
| Количество нитроцеллюлозы во всех экспериментах взято по 100 кг. |
Положительный эффект изобретения состоит в получении и сохранении высокого выхода окиси меди (до 99,5%) в течение всего техпроцесса изготовления дисперсии. При использовании полиакриламида в качестве флокулянта потери окиси меди сокращены на 18-20%.
Полученный продукт - нитроцеллюлоза с осажденным на ее волокнах окисью меди используется для приготовления топливных композиций баллиститного типа, изготовление которых осуществляется известным способом, включающим основные фазы технологии получения баллиститного топлива - изготовление топливной массы, отжим, вальцевание, сушку и формование топливных элементов. Данный способ проверен в промышленных условиях ФГУП "Пермский завод им. С.М.Кирова".
Топлива, изготовленные с использованием нитроцеллюлозы, модифицированной по предлагаемому изобретению, имеют улучшенные характеристики горения: высокую скорость горения - 26...32 мм/с при Т=20°С и Р=100 кгс/см2, низкую зависимость скорости горения в области Р=150÷350 кгс/см2, показатель ν в законе горения (u=u1·Pν) составляет 0,20-0,22, температурный коэффициент в температурном интервале ±50°С равен 0,10-0,12% /°С. Улучшение характеристик горения достигается за счет осаждения катализаторов горения на волокнах нитроцеллюлозы на молекулярном уровне и его равномерного распределения по всей поверхности.
Способ получения дисперсии окиси меди на волокнах нитроцеллюлозы путем нагревания суспензии нитроцеллюлозы в водном растворе ацетата меди, отличающийся тем, что процесс ведут при непрерывном, равномерном перемешивании и дозировании в суспензию водного раствора едкого натра при температуре 90...100°С в течение 50...70 мин при мольном соотношении ацетата меди и едкого натра 1:0,5...1,0, затем в суспензию нитроцеллюлозы при постоянном перемешивании вводят в течение 10...20 мин полиакриламид в виде 1...2% водного раствора в количестве 0,01...0,5% от веса нитроцеллюлозы при весовом соотношении ацетата меди и воды 1:25...100 с последующей выдержкой при температуре 90...100°С в течение 50...70 мин.
