ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ: ОБЗОР
Аннотация
Представлены результаты анализа литературных данных об актуализированных методах определения химической стойкости нитратов целлюлозы. Актуальность исследований обусловлена необходимостью контроля эксплуатации и хранения широко распространенного компонента твердых ракетных топлив и взрывчатых составов. Критерием химической стойкости являются величина скорости разложения или временная зависимость степени разложения образца. Показано, что методы оценки химической стойкости нитратов целлюлозы базируются на определении скорости ее термического разложения, которая замеряется по конкретному параметру, сопровождающему разложение. К таким параметрам относятся потеря массы, количество выделяющихся газообразных продуктов разложения, температура разложения или тепловые эффекты. Исследования проводятся при повышенной температуре и позволяют контролировать величину или скорость изменения параметра, сопровождающего термический распад. Показана возможность применения для оценки химической стойкости современных аналитических методов: дифференциальной сканирующей калориметрии, термогравиметрического анализа, хемилюминесцентного анализа, инфракрасной спектроскопии, высокоэффективной жидкостной и тонкослойной хроматографии, газовой хроматографии, электронного парамагнитного резонанса, масс-спектрометрии, рентгеноструктурного анализа. Обосновано предпочтение методам дифференциальной сканирующей калориметрии или дифференциального термического анализа. Приведены результаты исследований по повышению химической стойкости нитратов целлюлозы и составов на ее основе с использованием новых стабилизаторов анилинового ряда, стабилизаторов природного происхождения с преимуществом последних на примерах куркумина и лигнинов. В связи с недостаточной стойкостью нитратов целлюлозы добавленные в рецептуру взрывчатых составов стабилизаторы удлиняют индукционный период распада нитросоединений и не позволяют развиваться стадии автокаталитического разложения. Представлены методы определения химической стойкости нитратов целлюлозы, полученных из альтернативных источников сырья.
Для цитирования:
Вдовина Н.П., Корчагина А.А., Будаев И.А. Химическая стойкость нитратов целлюлозы: обзор. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 5. С. 6-20. DOI: 10.6060/ivkkt.20236605.6725.
Литература
Pavlovets G.Ya., Kostochko А.V., Valishina Z.Т., Meleshko V.Yu., Grek А.А. Raw sources for the manufacture of gun propellants and ballistic solid propellants. Pro-ceedings of the Xth All-Russian Conference on Intrachamber Processes and Combistion in Solid Propulsions and Barrelled Systems (ICOC'2020) (17-19 March 2020, Russia, Izhevsk). Izhevsk: UdmFITs UrO RAN. 2020. 3. P. 247-253 (in Russian).
Zhegrov Е.F., Milekhin Yu.М., Berkovskaya Е.V. Chemistry and Engineering of Ballistic Gun Propellants, Solid Rocket and Specialty Propellants. V. 2. M.: RITs MGUP im. I. Fedorov. 2011. 551 p. (in Russian).
Meleshko V.Yu., Pavlovets G.Ya., Grobachev V.А., Gladyshev А.I. Directions in solving the problem of re-source supply for the manufacture of NC-based gun propellants and ballistic solid propellants. Izv. RARAN. 2020. N 4. P. 111-116 (in Russian).
Sakovich G.V., Budaeva V.V., Korchagina А.А., Gismatulina Yu.А., Zolotukhin V.N., Bychin N.V., Vdovina N.P., Budaev I.А., Lyukhanova I.V., Aleshina L.А. Cellulose nitrates from two varieties of Russian Miscanthus. Boyepripasy. 2021. N 2. P. 5-14 (in Russian).
Chen L., Cao X., Gao J., He W., Liu J., Wang Y., Zhou X., Shen J., Wang B., He Y., Tan D. Nitrated bacterial cel-lulose-based energetic nanocomposites as propellants and explosives for military applications. ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4(2). Р. 1906-1915. DOI: 10.1021/acsanm.0c03263.
Piterkin R.N., Prosvirin R.Sh., Petrov Е.А. A technology for nitro esters and industrial nitro explosives. Biysk: Polzunov AltSUТ. 2012. P. 252-258 (in Russian).
Manelis G.B., Nazin G.М., Rubtsov Yu.I., Strunin V.А. Thermal decomposition and burning of explosives and gun propellants. M.: Nauka. 1996. P. 92-95 (in Russian).
Elbasuney S., Fahd A., Mostafa H.E., Mostafa S.F., Sadek R. Chemical stability, thermal behavior, and life as-sessment of extruded modified double-base propellants. Defence Technology. 2018. V. 14(1). P. 70-76. DOI: 10.1016/j.dt.2017.11.003.
Romanova S.M., Fatykhova L.A. Investigation of reactions of interaction of cellulose nitric esters with carboxylic acid chlorides. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 5. P. 30-34 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216405.6313.
Cherif M.F, Trache D., Benaliouche F., Tarchoun A.F., Chelouche S., Mezroua A. Organosolv lignins as new sta-bilizers for cellulose nitrate: thermal behavior and stability assessment. Internat. J. Biolog. Macromol. 2020. V. 164. P. 794-807. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.07.024.
Trache D., Tarchoun A.F. Analytical methods for stability assessment of nitrate esters-based propellants. Critical Rev. Analyt. Chem. 2019. V. 49(5). P. 1-24. DOI: 10.1080/10408347.2018.1540921.
Vogelsanger B. Chemical stability, compatibility and shelf life of explosives. CHIMIA Internat. J. Chem. 2004. V. 58(6). P. 401-408. DOI: 10.2533/000942904777677740.
Chai H., Duan Q., Cao H., Li M., Sun J. Effects of nitrogen content on pyrolysis behavior of nitrocellulose. Fuel. 2020. V. 264. N 116853. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116853.
Nguyen T.T., Phan D.N., Nguyen D.C., Do V.T., Bach L.G. The chemical compatibility and adhesion of energetic materials with several polymers and binders: an experimental study. Polymers. 2018. V. 10(12). N 1396. DOI: 10.3390/polym10121396.
Trewartha S., Shapter J., Gibson C.T., Mikajlo E., Jones A. Determination of deterrent profiles in nitrocellulose propellant grains using confocal raman microscopy. PEP. 2011. V. 36(5). P. 451-58. DOI: 10.1002/prep.201000081.
Lin C.P., Chang Y.M., Gupta J.P., Shu C.M. Comparisons of TGA and DSC approaches to evaluate nitrocellulose thermal degradation energy and stabilizer efficiencies. Process Safety Environ. Protect. 2010. V. 88(6). P. 413-419. DOI: 10.1016/j.psep.2010.07.004.
Myburgh A. Standardization on stanag test methods for ease of compatibility and thermal studies. JTAN. 2006. V. 85(1). P. 135-139. DOI: 10.1007/s10973-005-7357-5.
Rodrigues R.L.B., Buitrago P.A.G., Nakano N.L., Peixo-to F.C., Lemos M.F., França T.C.C., Filho L.G.M. Can green nitrocellulose-based propellants be made through the replacement of diphenylamine by the natural product curcumin. J. Energ. Mater. 2022. V. 40(2). Р. 218-241. DOI: 10.1080/07370652.2020.1859646.
Chu Y.C., Tsai F.C., Chen W.T., Tsai L.C., Shu C.M., Lin C.P. Thermal stability determination, anti-biodegradation, and thermal degradation of nitrocellulose with various nitrogen content by DSC and FT-IR. Adv. Ma-ter. Res. 2011. V. 189. P. 1417-1420. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.189-193.1417.
Zeman S., Elbeih A., Yan Q.L. Notes on the use of the vacuum stability test in the study of initiation reactivity of attractive cyclic nitramines in the C4 matrix. JTAN. 2013. V. 112(3). P. 1433-1437. DOI: 10.1007/s10973-012-2710-y.
Chovancova M., Zeman S. Study of initiation reactivity of some plastic explosives by vacuum stability test and non-isothermal differential thermal analysis. Thermochim. Acta. 2007. V. 460(1-2). P. 67-76. DOI: 10.1016/j.tca.2007.05.018.
Fidanovski B.M., Dimić M., Milojković A., Rodić V. Determination of chemical stability of propellants using the vacuum stability test method. Sci. Tech. Rev. 2016. V. 66 (1). P. 18-22. DOI: 10.5937/STR1601018F.
Elbeih A., Abd-Elghany M., Elshenawy T. Application of vacuum stability test to determine thermal decomposition kinetics of nitramines bonded by polyurethane matrix. Acta Astronautica. 2017. V. 132. P. 124-130. DOI: 10.1016/j.actaastro.2016.12.024.
Trache D., Tarchoun A.F. Stabilizers for nitrate ester-based energetic materials and their mechanism of action: A state-of-the-art review. JMSC. 2018. V. 53(1). P. 100-123. DOI: 10.1007/s10853-017-1474-y.
Trache D., Tarchoun A.F. Stabilizers for nitrate ester-based energetic materials and their mechanism of action: A state-of-the-art review. J. Mater. Sci. 2018. V. 53(1). P. 100-123. DOI: 10.1007/s10853-017-1474-y.
Chelouche S., Trache D., Tarchoun A.F, Khimeche K., Mezroua A. Compatibility of nitrocellulose with aniline-based compounds and their eutectic mixtures. JTAN. 2020. V. 141(2). Р. 941-955. DOI: 10.1007/s10973-019-09048-0.
Luo L., Jin B., Chai Z., Huang Q., Chu S., Peng R. The effects of aniline stabilizers on nitrocellulose based on isothermal thermal decomposition. PEP. 2020. V. 45(6). P. 880-888. DOI: 10.1002/prep.201900390.
Chai H., Duan Q., Cao H., Li M., Qi K., Sun J., Yang X. Experimental study on the effect of storage conditions on thermal stability of nitrocellulose. Appl. Therm. Eng. 2020. V. 180. N 115871. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115871.
Wei R., He Y., Zhang Z., He J., Yuen R., Wang J. Effect of different humectants on the thermal stability and fire hazard of nitrocellulose. JTAN. 2018. V. 133(3). P. 1291-1307. DOI: 10.1007/s10973-018-7235-6.
Pourmortazavi S.M., Hosseini S.G., Rahimi-Nasrabadi M., Hajimirsadeghi S.S., Momenian H. Effect of nitrate content on thermal decomposition of nitrocellulose. J. Hazard. Mater. 2009. V. 162(2-3). P. 1141-1144. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.05.
Cieślak K., Gańczyk-Specjalska K., Drożdżewska-Szymańska K., Uszyński M. Effect of stabilizers and nitro-gen content on thermal properties of nitrocellulose granules. JTAN. 2021. V. 143(5). P. 3459-3470. DOI: 10.1007/s10973-020-09304-8.
Chelouche S., Trache D., Tarchoun A.F., Khimeche K. Effect of organic eutectic on nitrocellulose stability during artificial aging. J. Energ. Mater. 2019. V. 37(4). P. 387-406. DOI: 10.1080/07370652.2019.1621407.
Korchagina А.А., Budaeva V.V., Gismatulina Yu.А., Zolotukhin V.N., Lyukhanova I.V., Aleshina L.А., Budaev I.А., Vdovina N.P., Bychin N.V., Sakovich G.V. New cellulose nitrates: synthesis and characterization. Butlerov Commun. 2021. V. 67. N 9. P. 81-85 (in Russian). DOI: 10.37952/ROI-jbc-01/21-67-9-81.
Vdovina N.P., Budaeva V.V., Yakusheva А.А. Nitrocellulose chemical stability measurement by ampule-chromatographic method. Polzunov. Vestn. 2013. N 3. P. 220-224 (in Russian).
Budaev I.А., Vdovina N.P. Application of chromatographic analytical method for nitrocellulose chemical stability measurement. Proceedings of XIII All-Russian Scientific-Practical Conference on Technologies and Equipment of Chemical, Biotechnological and Food Industries for Students, Post-graduates and Young Scientists with international participants. Biysk: BTI. 2020. P. 183-186 (in Russian).
Budaev I.А., Vdovina N.P., Korchagina А.А. Stability of new cellulose nitrates. Proceedings of XV All-Russian Scientific-Practical Conference on Technologies and Equipment of Chemical, Biotechnological and Food Industries for Students, Postgraduates and Young Scientists with international participants. Biysk: BTI. 2022. P. 110-114 (in Russian).
