Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля

УДК 667.64:662.465:66.013.8

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Закономірності впливу складу та способу отримання вибухової композиції і полімерного носія на властивості детонуючого хвилеводу

Закусило Роман Васильович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Шосткінському Державному науково-дослідному інституті хімічних продуктів (ДержНДІХП) Міністерства промислової політики України, м. Шостка

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Пащенко Євген Олександрович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ, завідувач лабораторії абразивно-полімерних композитів з надтвердих матеріалів

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Букетов Андрій Вікторович, Тернопільський Національний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, професор кафедри комп'ютерно-інтегрованих технологій

- доктор технічних наук, професор Кравець Віктор Георгійович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, завідувач кафедри геобудівництва та гірничих технологій

Захист відбудеться "10" червня 2010 р. о 13³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України.

Автореферат розісланий "06" травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Лавріненко В.І.

Анотації

Закусило Р.В. Закономірності впливу складу та способу отримання вибухової композиції і полімерного носія на властивості детонуючого хвилеводу.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - "Матеріалознавство". Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2010.

Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-господарську задачі створення вітчизняного детонуючого хвилеводу для вибухових робіт шляхом визначення закономірностей залежності детонаційних характеристик хвилеводу від композиції, густини та розміру кристалів детонуючого складу, кількості і характеристик шарів полімерної композиції-носія. Встановлено, що основними факторами, які визначають експлуатаційні характеристики детонуючого хвилеводу є склад полімерної композиції-носія, а також кристалічна будова і геометрія часток вибухових речовин, закріплених на полімерному носії. Визначено вплив полімерного матеріалу і способу одержання полімерної композиції на детонаційні характеристики вибухової речовини і доведено, що для повної локалізації детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу вона повинна бути тришаровою, складатися із системи лінійних полімерів. Встановлено, що вплив складу композиції, густини та розміру кристалів бризантної вибухової речовини на чутливість хвилеводу до початкового імпульсу і стабільність детонаційної хвилі апроксимується параболічними залежностями, що забезпечує можливість оптимізації характеристик хвилеводу. Доведено, що реалізація фазового переходу -модифікації октогену в -модифікацію безпосередньо в порожнині полімерного носія в процесі його екструзії підвищує чутливість детонуючого хвилеводу до початкового імпульсу. Створено нову технологію виготовлення вітчизняного ДХ, що дозволила підвищити безпеку підривних робіт.

Ключові слова: детонуючий хвилевід, полімер, носій, композиція, соекструзія, вибухова речовина, кристал, залежність, адгезія.

Закусило Р.В. Закономерности влияния состава и способа получения взрывчатой композиции и полимерного носителя на свойства детонирующего волновода.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - "Материаловедение". Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-хозяйственной задачи создания отечественного детонирующего волновода для взрывных работ путем определения закономерностей зависимости детонационных характеристик волновода от композиции, плотности и размера кристаллов детонирующего состава, количества и характеристик слоев полимерной композиции-носителя. Установлено, что основными факторами, которые определяют эксплуатационные характеристики детонирующего волновода являются состав полимерной композиции-носителя, а также кристаллическое строение и геометрия частиц взрывчатых веществ, закрепленных на полимерном носителе.

Исследованы физико-механические характеристики термопластичных полимеров, предназначенных для изготовления оболочки-носителя ДВ и определено, что допустимая нижняя граница разрушающего напряжения при растяжении полимерной трубки составляет 1,5 МПа, оптимальное относительное удлинение при разрыве - 600-800 %.

На основе сравнительного анализа водостойкости и физико-механических свойств показано, что по показателю относительного удлинения оптимальными являются полиэтилен высокого давления ПЭВД 15803-020, полиэтилен низкого давления ПЭНД 273-83 и сополимер этилена с метакриловой кислотой Сарлин 8940.

На основе температурных зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь определены диапазоны температур в которых структура исследованных полимеров является оптимальной для их адгезионного взаимодействия с дисперсными кристаллическими взрывчатыми веществами. Показано, что для полиэтилена высокого давления такой интервал составляет 120-150 єС, а для Сарлина 150-210 єС, что находится в пределах их термостойкости и может быть обеспечено при их экструдировании.

Установлено, что влияние состава композиции, плотности и размера кристаллов бризантного взрывного вещества на чувствительность волновода к начальному импульсу и стабильность детонационной волны аппроксимируется параболическими зависимостями, которые обеспечивают возможность оптимизации характеристик волновода по полученным экстремумам. Выведена зависимость чувствительности смеси октоген-тэн от ее состава, что позволило создать детонирующий состав с вероятностью отказа не превышающей 0,0007.

Определено влияние температур фазового перехода и геометрической формы кристаллов октогена и тэна на адгезионные, детонационные, физико-механические характеристики композиций взрывчатых материалов и доказано, что для возникновения стабильной детонационной волны в полости трубки волновода необходимо использовать кристаллы соответствующей формы и размеров: для октогена - тетраэдрической формы, причем не меньше 90 % (по массе) должно приходиться на кристаллы с длиной грани 40-60 мкм; для тэна - игольчатой формы, причем не меньше 85 % (по массе) должно приходиться на кристаллы с длиной грани 160-200 мкм. Установлено, что наиболее стабильно детонационные процессы протекают в волноводе с диаметром полости 1,3 мм при линейной плотности заряда 25 мг/м. Впервые установлено влияние характеристик полимера и диаметра полости волновода на детонационные характеристики дисперсной кристаллической смеси. Впервые разработан и успешно применен безопасный способ получения чувствительных кристаллов б-модификации октогена непосредственно в момент формирования полимерной основы ДВ.

Доказано, что реализация фазового перехода в-модификации октогена в б_модификацию непосредственно внутри полости полимерного носителя в процессе его экструдирования повышает чувствительность детонирующего волновода к начальному импульсу. Установлено, что предложенный в работе технологический процесс изготовления ДВ значительно менее опасен по сравнению с процессом изготовления детонирующего шнура ДШЭ-12, а содержание бризантных ВВ в волноводе в 600 раз ниже, чем у ДШЭ-12. Выброс в атмосферу вредных газов при использовании волновода в 1500 раз ниже, чем при использовании ДШЭ-12. По своим физико-механическим характеристикам волновод не уступает лучшим мировым аналогам производства фирмы Dyno Nobel, а по показателям термостойкости (_50…+85 єС) и безопасности превосходит их.

Создана новая технология изготовления отечественного ДВ, что позволило повысить безопасность взрывных работ.

Ключевые слова: детонирующий волновод, полимер, носитель, композиция, соэкструзия, взрывчатое вещество, кристалл, зависимость, адгезия.

Zakusilo R. V. The regularities of influence of composition and method of obtaining of explosive composition and polymeric carrier on the properties of shock-tube.

Dissertation for a scientific degree of the Candidate of Science (Engineering) in speciality 05.02.01 - Material science. V. N. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

Thesis is devoted to the solution of actual scientific-economic task of creation of domestic detonating shock-tube for blasting by determination of conformities of dependence of detonation behavior of shock-tube on composition, packing factor and size of crystals of detonating composition, amount and adjectives of layers of polymeric composition-carrier. Polymeric carrier composition, crystalline structure and the geometry of the particles of explosive substances fixed at the polymeric carrier where proved to be the basic factors determining operating characteristics of shock-tube. The influence of polymeric material and method of obtaining the polymeric composition on the detonation descriptions of explosive substance is determined and it is proven that for the complete localization of detonation wave in the cavity of the tube of shock-tube it must be three-layered, consist of the system of linear polymers. It is established that the influence of the composition of materials, density and size of the crystals of explosive substance on the sensitivity of shock-tube to the initial impulse and the stability of detonation wave is approximated by parabolic dependences, which provides the possibility of the optimization of the characteristics of shock-tube. It is proven that the realization of the phase transition of octogen в-modification into the б_modification directly in the cavity of polymeric carrier in the process of its extrusion increases the sensitivity of shock-tube to the initial impulse. The new technology of the production of the domestic of shock-tube is created, which allow to increase safety of blasting.

The keywords: shock-tube, polymer, carrier, composition, coextrusion, explosive substance, crystal, dependence, adhesion.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проведення вибухових робіт завжди пов'язано з високою небезпекою, що обумовлено самим фактом застосування для цих цілей вибухових речовин (ВР). Засоби ініціювання, які найчастіше застосовуються в даний час в Україні, такі як детонуючий шнур (ДШ) і електродетонатори (ЕД), не тільки не знижують, але і збільшують небезпеку проведення вибухових робіт. ЕД і ДШ небезпечні в процесі виробництва, транспортування і застосування. ЕД чутливі до статичної електрики і блукаючих струмів, що може викликати їхнє мимовільне ініціювання навіть при контакті з людським тілом. ДШ заповнений потужною і чутливою кристалічною бризантною ВР теном у кількості від 6 до 12 г/м, що саме по собі представляє високий фактор ризику при його використанні. Крім того, використання ДШ спричиняє втрату від 10 до 30 % потужності заряду ВР за рахунок його ущільнення і розкидання всередині свердловини в момент детонації. Внаслідок порушення режиму детонації виникає неякісне подрібнення гірської маси. Крім того, у випадку контакту детонуючих шнурів при комутації висока імовірність підбиття одного шнура іншим, що спричиняє неспрацьовування зарядів ВР. Так, тільки по Криворізькому округу за 2000-2001 рік, за даними Держгірпромнагляду, детонуючі шнури спричинили 151 відмову свердловинних зарядів (54,9 % від загальної кількості відмов).

В даний час розроблені і застосовуються більш безпечні іноземні неелектричні системи ініціювання (НСІ) з провідником детонаційної хвилі низькоенергетичного типу - детонуючим хвилеводом (ДХ), такі як: "Нонель" фірма Dyno Nobel (Швеція), "Эксел" фірма ICI (Канада), "Примадет" фірма Insine Bikford (США), а також ряд інших. Однак всі дані по виробництву цих систем, як і технологія їхнього виробництва в Україні невідомі. Закупівля вказаних систем за кордоном спричинила б щорічний відтік з України мільйонів доларів, притому, що Україна має величезні виробничі потужності та інтелектуальний потенціал. При цьому, основні науково-технічні завдання розробки надійного ДХ полягають в розробці полімерної композиції, як носія вибухового матеріалу, та в оптимізації будови, форми і дисперсності кристалів ВР.

Таким чином, задачею роботи є виявлення закономірностей, що пов'язують склад та будову полімерної оболонки хвилеводу, технологічні параметри її одержання та особливості порошків вибухових речовин з функціональними характеристиками ДХ. Вирішення цієї задачі є актуальним, оскільки дозволить створити високоефективну вітчизняну неелектричну систему ініціювання для потреб гірничодобувної промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана автором відповідно до цільової "Державної комплексної програми створення й розвитку виробництв для народного господарства ефективних екологічно чистих вибухових речовин і засобів ініціювання з використанням сировинних ресурсів і виробничої бази України", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України № 57-3 від 07.10.1992 р. (договір № 415-96/07, № ГР 0196U005293) та згідно "Державної програми утилізації звичайних видів боєприпасів, непридатних для подальшого використання й зберігання", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 20.01.1995 р. № 40/1, договір № 92069/07-34-98 від 05.01.1998 р., в яких автор брав участь в якості виконавця.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є визначення закономірностей впливу складу та способу отримання вибухової композиції і полімерного носія на властивості детонуючого хвилеводу для розробки технології його виробництва.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувалися наступні задачі:

- встановити склад полімерної композиції трубки хвилеводу, що забезпечує необхідний рівень його механічних характеристик;

- дослідити взаємодію шарів полімерної композиції для забезпечення локалізації фронту детонації в порожнині трубки хвилеводу і вплив експлуатаційних навантажень на стійкість детонації з метою забезпечення оптимальних параметрів волого-, тепло- і морозостійкості хвилеводу;

- дослідити залежності впливу розміру, форми, конфігурації кристалів октогену і тена на адгезійні, детонаційні, фізико-механічні характеристики композицій вибухової суміші;

- дослідити вплив допоміжних матеріалів (сенсибілізаторів, технологічних домішок) на властивості кристалів і композиції детонуючого складу;

- дослідити вплив полімерної та вибухової композицій хвилеводу на його експлуатаційні характеристики;

- розробити детонуючий хвилевід, безпечний при виробництві і використанні.

Об'єктом дослідження є процеси одержання полімерної композиції-носія, процеси фракційної кристалізації дисперсних вибухових матеріалів та процеси формування шару вибухової речовини на поверхні полімеру з оптимальними адгезійними та детонаційними характеристиками.

Предмет дослідження - закономірності впливу складу та способу отримання дисперсної кристалічної вибухової речовини і полімерного носія на властивості детонуючого хвилеводу.

Методи досліджень: спектроскопія діелектричних втрат для оптимізації характеристик полімерної композиції-носія; оптична мікроскопія для визначення геометричних характеристик кристалів ВР; комплекс лабораторних фізичних методик визначення характеристик кристалічних вибухових матеріалів і дослідження їх адгезійних та детонаційних властивостей; математичні методи обробки результатів досліджень і моделювання технологічного процесу, розрахунку критеріїв оцінки характеристик полімерної і вибухової композицій дх та технології його одержання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в дисертаційній роботі вперше:

1. Визначено, що максимальна стійкість детонаційної хвилі в порожнині хвилеводу досягається завдяки формуванню тришарової коаксіальної будови хвилеводу з полімерів на основі поліетиленів високого тиску (ПЕВТ 15803-020) і низького тиску (ПЕНТ 273-83) та сополімеру (Сарлін 8940), співвідношення модулів пружності яких відповідає умові (1-1,2):(4,5-6):(2-3,5), відповідно, внаслідок чого значення коефіцієнту надійності використання хвилеводу дорівнює 0,9993.

2. Встановлено, що адгезійна взаємодія кристалів вибухової речовини з внутрішньою поверхнею полімерної трубки детонуючого хвилеводу досягає максимуму, що визначається коефіцієнтом прилипання на рівні 0,96-0,97, при додержанні температури екструзії, яка відповідає максимуму на температурній залежності тангенсу кута діелектричних втрат полімеру Сарлін 8940 і становить 170-190 єС.

3. Визначено вплив температур фазового переходу та геометричної форми кристалів октогену і тена на адгезійні, детонаційні, фізико-механічні характеристики композицій вибухових матеріалів і доведено, що для забезпечення стабільності детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу необхідно використати кристали відповідної форми і розмірів: для октогену - тетраедрична форма, причому не менше 90 % (по масі) повинно припадати на кристали з довжиною грані 40-60 мкм; для тена - голчаста форма, причому не менше 85 % (по масі) повинно припадати на кристали з довжиною 160-200 мкм.

4. Показано, що реалізація фазового переходу -модифікації октогену в _модифікацію безпосередньо в порожнині полімерного носія в процесі його екструзії підвищує чутливість детонуючого хвилеводу до початкового імпульсу у 5 разів при одночасному підвищенні коефіцієнту безпеки технологічного процесу до 0,733 проти 0,105 для найближчого існуючого аналога.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено склад полімерної композиції-носія трубки хвилеводу і метод спільної екструзії, що підвищує міцність хвилеводу та визначено технологічні параметри процесу соекструзії, які забезпечують суцільність тришарової полімерної композиції.

Розроблено детонуючий склад на основі вибухової композиції кристалів октогену і тена та визначено оптимальні умови фракційної кристалізації порошків вибухових матеріалів із розчину, що забезпечують максимальну ефективність детонуючого складу.

Розроблено технологічний процес виготовлення детонуючого хвилеводу, що знижує рівень небезпеки, в порівнянні зі стандартним процесом виготовлення детонуючого шнура ДШЕ-12, та імовірність аварій, травматизму і професійних захворювань, за рахунок методу отримання чутливих кристалів б-модифікації октогену без контакту з ними працюючого.

Розроблено детонуючий хвилевід, що підвищує рівень безпеки і експлуатаційну надійність вітчизняної неелектричної системи ініціювання в порівнянні з використанням НСІ "Нонель" і ДШЕ-12, який становить 0,9993 проти 0,9991 та 0,9989 відповідно і перевершує аналог "Нонель" шведської фірми Dyno Nobel по температурному діапазону використання, причому експлуатаційна надійність застосування хвилеводу обумовлена особливостями властивостей тришарової полімерної оболонки, що забезпечує: температурний діапазон застосування - 50...+85 єС, вологонепроникнення протягом шести діб при тиску 0,2 МПа, міцність на розрив 160 Н для поверхневого і 230 Н для свердловинного хвилеводів, надійність детонації при розтягненні на 50 % і локалізацією детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу.

Розробки дисертаційної роботи впроваджено на дослідному виробництві ДержНДІХП та успішно пройшли приймальні випробування на гранітних кар'єрах Житомирської області ВАТ "Укрвибухбуд".

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів. Автором визначені мета і задачі досліджень, а також сформульовані основні наукові положення дисертаційної роботи. Проведено дослідження з вибору полімерної композиції хвилеводу, взаємодії полімерних матеріалів між собою та з детонуючим складом. Проведено дослідження з визначення оптимального розміру кристалів, вибору композиції і безпечних режимів одержання детонуючого складу. Досліджено технологічні характеристики і критерії надійності при виробництві та застосуванні ДХ. Автор брав безпосередню участь у розробці технологічного обладнання для одержання ДХ, був представником організації розробника і експертом на контрольних, промислових і приймальних випробуваннях хвилеводу до неелектричної системи ініціювання. Обґрунтування та аналіз отриманих результатів здійснено у співпраці з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертаційної роботи доповідалися на семінарах і науково-технічних радах Шосткінського Державного науково-дослідного інституту хімічних продуктів (м. Шостка, 2003-2009 р.), на IV і V Міждержавних наукових семінарах "Високоенергетична обробка матеріалів" Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2001 і 2003 рр.), на 1-ій спільній Україно-Російській конференції Шосткінського Державного науково-дослідного інституту хімічних продуктів (м. Шостка, 2002 р.), на семінарі проведеному асоціацією Укрвибухпром (м. Кривий Ріг, 2003 р.), на наукових семінарах в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля (м. Київ, 2009 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 статей (у спеціалізованих наукових журналах і збірниках) і отримано 4 патенти.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел зі 115 найменувань, містить 29 рисунків і 14 таблиць, а також 5 додатків на 10 сторінках. Загальний обсяг роботи - 170 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито актуальність теми дисертації, суть та стан науково-технічної задачі, показано її зв'язок з науковими програмами, планами і темами. Визначено основний напрямок та обґрунтовано необхідність проведення досліджень.

В першому розділі проаналізовано сучасний стан поставленої науково-технічної задачі. При цьому показано, що вагомий внесок в розв'язання різних науково-технічних задач, пов'язаних з вивченням кристалічних та полімерних матеріалів, удосконаленням засобів ініціювання для вибухових робіт, внесли українські вчені. Результати їх досліджень дозволили розробити велику кількість науково-практичних рекомендацій по вивченню і застосуванню кристалічних і полімерних матеріалів, вдосконаленню засобів ініціювання вибухових речовин. Однак, більшість досліджень мали на меті в основному вивчення полімерних і кристалічних матеріалів для використання їх в інших галузях, а не для застосування в засобах ініціювання. Цей факт було обумовлено відсутністю в Україні власної неелектричної системи ініціювання і власної технології виробництва детонуючого хвилеводу. У контексті вищезазначеного поза увагою залишилися багато аспектів пов'язаних з вивченням характеристик кристалів бризантних вибухових речовин, полімерних матеріалів та способів їх переробки, а також детонуючого хвилеводу на основі полімерної композиції та композиції з вибухових речовин та ін.

Дослідження закордонних вчених визначають основні критерії для працездатної ударно-хвилевої трубки (ДХ), описують велику кількість композицій різних детонуючих складів для ДХ, методів виробництва з різними кінцевими характеристиками одержуваних детонуючих хвилеводів. Однак практично не розглянуті питання оцінки адгезії композиції детонуючого складу до першого шару трубки хвилеводу, впливу фізико-хімічних і технологічних характеристик кристалів детонуючого складу на його чутливість до початкового імпульсу, впливу поверхневої густини композиції детонуючого складу на стабільність фронту детонації і можливість композиції полімерного матеріалу трубки хвилеводу локалізувати фронт детонаційної хвилі. При цьому, основна науково-технічна проблема розробки надійного ДХ полягає в розробці полімерної композиції, як носія вибухового матеріалу, та в оптимізації будови, форми і дисперсності кристалів ВР.

Залишилося відкритим питання виявлення закономірностей, що пов'язують склад та будову полімерної оболонки хвилеводу, технологічні параметри її одержання та особливості порошків вибухових речовин з функціональними характеристиками ДХ. Вирішення цієї задачі є актуальним, оскільки дозволить створити високоефективну вітчизняну неелектричну систему ініціювання для потреб гірничодобувної промисловості.

Виходячи з результатів аналізу сучасного стану питання і зроблених при цьому висновків, визначені напрямки подальших досліджень.

Розділ 2 присвячений загальній методиці досліджень дисертаційної роботи. Описано загальний методичний підхід до виконання досліджень, розглянуто умови їх проведення, методи дослідження полімерів, дисперсних кристалічних вибухових речовин та кінцевого продукту - детонуючого хвилеводу.

Характеристики полімерної композиції-носія вивчались з використанням спектроскопії діелектричних втрат; температурні залежності тангенсу кута діелектричних втрат для досліджуваних полімерів визначались на основі даних, одержаних з використанням широкополосного діелектричного спектрометру Broadband dielectric spectrometer - concept eight фірми NOVOCONTROL.

Оптична мікроскопія застосовувалась для визначення геометричних характеристик кристалів ВР (мікроскоп Neophot-30 фірми Carl Zeiss).

Були досліджені полімерні матеріали: поліетилени високого тиску ПЕВТ 15803-020, ПЕВТ 15313-003, ПЕВТ 158БК-15; поліетилени низького тиску ПЕНТ 277-73, ПЕНТ 273-79, ПЕНТ 273-83; поліамід ПА-12Е (пластифікований, стабілізований); полістирол блоковий; полівінілхлорид пластикат; поліетилентерефталат (лавсан); севілен; Сарлін 8940.

Для дослідження адгезійних та детонаційних властивостей кристалічних вибухових матеріалів був використаний комплекс розроблених у ДержНДІХП та існуючих лабораторних фізичних методик.

Дослідження вибухових речовин проводили, виходячи з затверджених стандартів: "Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к удару" - ГОСТ 4545-88, "Вещества взрывчатые. Методы определения скорости детонации" - ГОСТ В 3250-75.

Для аналізу експериментальних даних застосовувались математичні методи обробки результатів досліджень і моделювання технологічного процесу.

Розділ 3 присвячено дослідженням по розробці полімерної композиції-носія для трубки детонуючого хвилеводу.

Для проведення експерименту був виготовлений ряд зразків одно-, двох- і тришарового хвилеводу трьома основними методами: методом екструзії з наступним охолодженням трубки і нанесенням наступного шару з того ж або іншого полімерного матеріалу; методом екструзії з наступним охолодженням трубки і нанесенням наступного шару з того ж або іншого полімерного матеріалу із введенням проміж шарами трубки хвилеводу армуючих поліамідних ниток 93,5 текс; методом спільної екструзії (соекструзії) двох полімерів зі складного двохшнекового екструдера, або з двох з'єднаних екструдерів, через одну екструзійну голівку.

Дослідженнями обґрунтовано, що полімерна трубка ДХ, для надійності експлуатації, повинна забезпечувати достатні механічні, міцностні і фізичні характеристики, такі як: локалізація детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу; руйнівне напруження при розтягненні полімерної трубки складає 1,5-2,3 МПа, відносне подовження при розриві - 600-800 %; вологонепроникливість протягом шести діб при тиску 0,2 МПа; теплостійкість при температурі 85 єс; морозостійкість при температурі -50 єс; монолітність, тобто відсутність зсуву полімерних шарів відносно один одного; достатня адгезія між детонуючим складом і полімером основи.

На основі порівняльного аналізу водостійкості та фізико-механічних властивостей визначено, що за показником відносного подовження оптимальними є поліетилен високого тиску ПЕВТ 15803-020, поліетилен низького тиску ПЕНТ 273-83 та сополімер етилену з метакриловою кислотою Сарлін 8940. Співвідношення модулів пружності даних марок полімерів в діапазоні (1-1,2):(4,5-6):(2-3,5) може бути забезпечене оптимальним вибором умов екструзії. При цьому встановлено, що необхідну міцність оболонці - носію хвилеводу може надати поліетилен низького тиску, для якого водостійкість становить 0,1 доби у водному середовищі при тиску 0,2 МПа, що є недостатнім. Для поліетилену високого тиску міцність на розрив є недостатньою, але аналогічна водостійкість становить 6 діб, що відповідає вимогам для детонуючих хвилеводів. Оптимальні властивості полімерного носія забезпечує його тришарова будова, причому внутрішній шар необхідно виготовити з поліетилену високого тиску ПЕВТ 15803-020 (для поверхневого ДХ), або із сополімеру Сарлін 8940 (для свердловинного ДХ), другий шар - з поліетилену низького тиску ПЕНТ 273-83, зовнішній шар - з ПЕВТ 15803-020. хвилевод детонаційний вибуховий кристал

Для визначення оптимальних режимів екструдування полімерів основи хвилеводу та подальшого визначення адгезії кристалів ВР до полімера основи були виведені температурні залежності тангенса кута діелектричних втрат для полімерів внутрішнього шару хвилеводу - поліетилену високого тиску і сополімеру Сарлін.

На основі температурних залежностей тангенсу кута діелектричних втрат визначені діапазони температур, в яких структура досліджених полімерів є оптимальною для їх адгезійної взаємодії з дисперсними кристалічними вибуховими речовинами. Отримані інтервали ДТ_пэ і ДТ_с доводять, що сополімер Сарлін має більший діапазон оптимального режиму экструдування. Для поліетилену високого тиску такий інтервал становить 120-150 єС, а для Сарліну 150-210 єС (оптимально - 170-190 єС), що знаходиться в межах їх термостійкості та може бути забезпечене при їх екструзії.

Визначено оптимальні товщини кожного із шарів. Запропоновано другий і третій шари наносити методом соекструзії. Дані композиції еластичні, монолітні, витримують навантаження від 160 Н для поверхневого ДХ до 230 Н для свердловинного ДХ.

На основі визначених характеристик композицій полімерного носія були заплановані подальші дослідження з метою одержання порошків вибухових речовин, призначених для нанесення в порожнину трубки детонуючого хвилеводу.

Розділ 4 присвячено дослідженням кристалів дисперсних бризантних вибухових речовин та розробці рецептури композиції і способу нанесення детонуючого складу.

В роботі проаналізовано використання в детонуючому складі бризантних вибухових речовин, таких як: гексоген (циклотриметілентринітрамін), октоген (циклотетраметілентетранітрамін), тен (пентаерітриттетранітрат).

Аналіз експериментальних даних показав, що найбільш перспективним є використання октогену. Але використання штатних марок октогену в композиції детонуючого складу не забезпечує стабільних детонаційних характеристик складу. Нестабільність детонаційних характеристик пов'язана зі значною величиною і неоднорідністю кристалів октогену.

Для отримання дисперсних кристалів вибухових речовин було застосовано метод фракційної кристалізації з розчину. Як розчинник запропоновано використовувати ацетон, розчинність октогену в якому складає 2,2 г/100 мл при температурі 25 єс. В якості рідини для осадження використана дистильована вода.

За допомогою оптичної мікроскопії при збільшенні х 75 було визначено, що кристали октогену мають поперечний переріз від 40 до 500 мкм, тену - від 120 до 570 мкм. Густина кристалів октогену в-модифікації 1960 кг/м ³. Густина кристалів тена 1770 кг/м ³. Коливання маси кристалів штатного октогену складають 4 порядки, від 0,000066 до 0,13 мг, коливання маси кристалів штатного тена складають 3 порядки, від 0,0016 до 0,17 мг.

Кристали перекристалізованого октогену мають форму тетраедра, середня довжину грані кристала дорівнює 50 мкм, кристали перекристалізованого тена мають голчасту форму, середня довжина кристала дорівнює 185 мкм.

Середні маси кристалів перекристалізованого октогену і тена дорівнюють 0,000029 і 0,000026 мг відповідно, і відрізняються всього на 11 %, що дає можливість легко усереднити між собою суміш цих кристалів.

Встановлено, що вплив складу композиції, густини та розміру кристалів бризантної вибухової речовини на чутливість хвилеводу до початкового імпульсу і стабільність детонаційної хвилі апроксимується параболічними залежностями, що забезпечує можливість оптимізації характеристик хвилеводу за отриманими екстремумами.

З метою оптимізації детонуючих складів проведено ряд експериментів по їх одержанню з використанням різних технологічних додатків, що дозволило досягти підвищення чутливості до початкового імпульсу та швидкості детонації ДХ.

З метою визначення оптимального співвідношення кристалів бризантних ВР в детонуючому складі проведено дослідження суміші октоген-тен та виведено чітку залежність чутливості до удару суміші на проміжку від 80 до 100 % октогену.

Для підвищення чутливості композиції детонуючого складу використано ряд сенсибілізуючих добавок: алюмінієву пудру, діазоамінобензол, діоксид свинцю.

Найбільш працездатним виявився детонуючий склад, що має наступну рецептуру: суміш октогену, тена, алюмінієвої пудри і аеросилу у співвідношенні 53:23:21:3, його запропоновано використати для тришарового хвилеводу, перший шар якого (основа) виготовлений з поліетилену високого тиску ПЕВТ 15803-020.

Одержаний хвилевід не змінює вихідних властивостей: протягом шести діб у водному середовищі при тиску 0,2 МПа; після термостатування при +85 і -50 єс. Руйнівне навантаження ДХ становить 160-180 Н. Рекомендовано використання даного хвилеводу, як поверхневого.

Для виготовлення свердловинного хвилеводу необхідне підвищення характеристик міцності хвилеводу, в зв'язку з використанням його в більш жорстких умовах. Для цієї мети підходить сополімер Сарлін 8940 (поліетілметакрилат).

Температура переробки сополімеру Сарлін 8940 складає 150-230 єс, що перевищує температуру плавлення тена (141 єс) і навіть температуру спалаху тена (215 єс). Таким чином одночасне використання сополімеру Сарлін 8940 і кристалів тена неможливе.

Октоген має температуру плавлення 204,1 єС, температуру спалаху 230 єС, але детонуючий склад на основі в-модифікації октогену недостатньо чутливий до початкового імпульсу. Підвищення чутливості кристалів октогену можливе за рахунок зміни їх модифікації. Так чутливість до удару в -модифікації більш ніж у п'ять разів, в г-модифікації в сім разів, а в д-модифікації більш ніж в чотири рази вища порівняно з в-модифікацією октогену.

Проведено дослідження та встановлено, що октоген частково переходить з в- в -модифікацію під впливом плаву основи ДХ, після чого, стиснуті плавом полімеру кристали октогену, при швидкому охолодженні і затвердінні плаву, також частково не можуть повернутися в в-модифікацію, і згодом виконують в детонуючому складі ту ж саму роль, що і голчасті кристали тена - підвищують чутливість хвилеводу до початкового імпульсу.

Для визначення оптимальної насипної густини композиції детонуючого складу виготовлено ряд складів з різною густиною та хвилеводи на основі цих складів з різною лінійною густиною нанесення заряду і отримано залежність кількості спрацьовувань ДХ і лінійної густини заряду від насипної густини кристалів композиції детонуючого складу.

Пік на кривій КД(п) указує на густину 0,36 г/см ³, при якій відбувається найбільший відсоток спрацьовувань хвилеводу від початкового імпульсу.

Було виявлено, що розмір та густина кристалів октогену залежить від температури його розчину в ацетоні при кристалізації.

На основі результатів залежності отримано залежність форми кривої розподілу кристалів октогену по розміру від температури фракційної кристалізації. Залежність відображає відношення кількості кристалів, що попадають у визначений діапазон розмірів dN/dR до середнього розміру цього діапазону R. Отримані параболічні залежності підтверджують, що при довжині грані кристала 50 мкм і температурі кристалізації 26 єС розкид у величинах кристалів мінімальний.

Дослідження адгезії (прилипання кристалів октогену, отриманих при різних температурних режимах фракційної кристалізації, до розплаву полімеру основи ДХ) дозволили вивести залежність коефіцієнта прилипання кристалів октогену від параметра форми їх розподілу по розмірах. Як можна визначити з параболічних залежностей найбільший коефіцієнт прилипання 0,96-0,97 відповідає кристалам октогену з довжиною грані 50 мкм.

Використовуючи склад на основі кристалів октогену було отримано ряд хвилеводів, з характеристиками зведеними у табл. 1.

Таблиця 1. Характеристики типів детонуючих складів та хвилеводів на їх основі

№ досліду	Компоненти складу	Відсотковий вміст	Густина складу, г/см 3	Чутливість до удару, %	Матеріал полімерної основи	Діаметр порожнини, мм	Лінійна густина, мг/м	Поверхнева густина, г/м2	Засіб ініціювання ДХ	Кількість досліджених зразків ДХ, шт	Кількість відмов, шт
1	Октоген Порошок алюмінію Аеросил	76 21 3	0,35	100	Сарлін	1,3	40	9,8	КД	20	0
							25	6,12		60	0
2	Октоген Порошок алюмінію	79 21	0,36	100	Сарлін	1,3	38	9,3		10	0
							25	6,12		210	0

Визначено вплив температур фазового переходу та геометричної форми кристалів октогену і тена на адгезійні, детонаційні, фізико-механічні характеристики композицій вибухових матеріалів і доведено, що для виникнення стабільної детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу необхідно використовувати кристали відповідної форми і розмірів: для октогену - тетраедрична форма. При цьому технологічні параметри процесу фракційної кристалізації повинні забезпечувати таку форму кривих розподілу кристалів ВР, що для октогену не менше 90 % (по масі) повинно припадати на кристали з довжиною грані 40-60 мкм; для тена - не менше 85 % (по масі) повинні складати голчасті кристали з довжиною 160-200 мкм.

Для використання в свердловинному ДХ запропоновано застосовувати детонуючий склад (октоген і алюміній у співвідношенні 79:21 відповідно) при діаметрі порожнини хвилеводу 1,3 мм. Лінійну густину нанесення заряду необхідно тримати в межах 25+2 мг/м (оптимальна, з невеликим надлишком).

Одержані дані стали основою для проведення подальших досліджень процесу нанесення порошків вибухових речовин на полімерні носії.

В розділі 5 представлені дані досліджень з розробки технології виготовлення, технологічних режимів та комплексу обладнання для одержання ДХ, а також дані по вивченню характеристик розробленого ДХ і дослідженню параметрів безпеки при його виробництві та застосуванні.

Технологію одержання детонуючого хвилеводу можна розбити на три основних стадії: 1) приготування детонуючого складу; 2) одержання першого полімерного шару (основи) хвилеводу; 3) нанесення другого і третього шарів ДХ.

Розробка технологічного процесу одержання детонуючого складу. Для зниження небезпеки процесу одержання детонуючого складу всі операції, що включають у себе механічний або термічний вплив на ВР, виконуються дистанційно, у кабіні, що локалізує наслідки можливого ініціювання ВР.

Розробка технологічного процесу одержання першого шару (основи) хвилеводу. Мікродозування детонуючого складу здійснюється за допомогою пневматичного мікродозатора вузла формування, спеціально розробленого в рамках даної роботи.

Розробка технологічного процесу соекструзії композиції полімерів другого і третього шарів хвилеводу. Температурні режими переробки методом соекструзії поліетилену низького тиску ПЕНТ 273-83 і поліетилену високого тиску ПЕВТ 15803-020 зведені в табл. 2. Кількість зон типова для переробки поліетиленів.

Таблиця 2. Температура по зонах при соекструзії ПЕНТ 273-83 и ПЕВТ 15803-020

Номер шару	Марка полімеру	Температура, єС
		1 зони	2 зони	3 зони	4 зони
2	ПЕНТ 273-83	145	155	165	170
3	ПЕВТ 15803-020	125	135	140

Розроблений хвилевід успішно пройшов всі випробування і відповідає заданим характеристикам.

Як показали результати випробувань, ДХ не уступає за своїми характеристиками кращому світовому аналогу - хвилеводу Нонель. А в плані термостійкості (85 єс) перевершує. Крім того, хвилевід, який спрацював, помітно чорніє (за рахунок розробленої композиції детонуючого складу), що дає можливість відрізнити його без додаткових засобів аналізу.

Проведено розрахунок коефіцієнта безпеки технологічного процесу виготовлення ДШЕ-12 і ДХ:

К_без = А_без / (А_без + А_н + 2А_он).

Коефіцієнти безпеки технологічних процесів виготовлення ДШЕ-12 та ДХ відповідно дорівнюють: К_{без ДШЕ-12} = 0,105, К_{без ДХ} = 0,733.

Встановлено, що безпека і технологічність процесу виготовлення ДХ досягається при використанні методу одержання кристалів б-модифікації октогену безпосередньо в порожнині трубки хвилеводу без контакту працівника з ними, а також методу соекструзії полімерної композиції.

Запропонований у роботі технологічний процес виготовлення ДХ є значно безпечнішим у порівнянні із процесом виготовлення детонуючого шнура ДШЕ-12, що обумовлено вмістом бризантних ВР у хвилеводі в 600 разів нижчим, ніж у ДШЕ-12.

Для оцінки небезпеки для екології при застосуванні ДШЕ-12 і ДХ, і з метою визначення продуктів вибуху, проведено термодинамічний розрахунок для ВР, використовуваних у ДШЕ-12 і ДХ. Розрахунок проводився за методом Г.А. Авакяна. Найбільш небезпечним газоподібним продуктом вибуху є чадний газ СО. Кількість ВР у 100 м ДШЕ-12 - 1,2 кг, ДХ - 0,0025 кг. Виходячи з цього визначено, що:

- при детонації 100 м ДШЕ-12 викидається в атмосферу 152 л СО;

- при детонації 100 м ДХ в атмосферу викидається 0,1 л СО.

Розроблений хвилевід успішно пройшов приймальні випробування в промислових умовах як основний компонент вітчизняної неелектричної системи ініціювання.

Дослідження надійності застосування вітчизняної НСІ.

Для оцінки надійності спрацьовування вітчизняної неелектричної системи ініціювання був проведений порівняльний аналіз надійності спрацьовування свердловинного заряду ВР із застосуванням у системі висадження вітчизняної НСІ, системи ініціювання "Нонель" та детонуючого шнура ДШЕ-12.

Кожному елементу систем висадження відповідає значення Р_i - надійність спрацьовування i -го елемента системи в одному заряді ВР. Р_i' - те ж саме для елемента дублюючої системи.

Функцію надійності в роботі визначали відповідно до теорії надійності для однотипних елементів системи.

Надійність висадження одного заряду ВР:

Р_с = Р_iⁿ [1- (1-р_i')^m].

Число очікуваних подій відмови N_с:

N_с = (1-р_с)^.10000 шт/_{10000 вибухів.}

Для схеми ініціювання вітчизняною НСІ коефіцієнт надійності: Р_{а 1} = 0,9993. Число очікуваних відмов: N_а1 = 7 шт/_{10000 вибухів}. Для схеми ініціювання НСІ "Нонель": Р_б = 0,9991, N_б = 9 шт/_{10000 вибухів}. Для ініціювання (ДШЕ-12): Р_в = 0,9989. Для схеми ініціювання ДШЕ-12: N_в = 11 шт/_{10000 вибухів}. Таким чином, використання вітчизняної неелектричної системи ініціювання підвищує надійність висадження в 1,3-1,6 рази порівняно з наявними у світовій гірничій промисловості системами аналогічного призначення. Використання дубльованої схеми зарядки знижує імовірність відмов на три порядки. За комплексом показників розроблений ДХ не поступається кращим світовим аналогам виробництва фірми Dyno Nobel, а по показниках термостійкості (-50…+85 єС) та безпеки перевищує їх.

Розробки дисертаційної роботи впроваджено на дослідному виробництві ДержНДІХП та успішно пройшли приймальні випробування на гранітних кар'єрах Житомирської області. Очікуваний економічний ефект від використання хвилеводу становить 300 000 грн. на рік.

Загальні висновки

Дисертація вирішує актуальну науково-господарську задачу створення вітчизняного детонуючого хвилеводу для вибухових робіт шляхом визначення закономірностей залежності детонаційних характеристик хвилеводу від композиції, густини та розміру кристалів детонуючого складу, кількості і характеристик шарів полімерної композиції-носія.

Основні наукові результати і практичні рекомендації, отримані в дисертації:

1. Встановлено, що основними факторами, які визначають експлуатаційні характеристики детонуючого хвилеводу, є склад полімерної композиції-носія, а також кристалічна будова і геометрія часток вибухових речовин, закріплених на полімерному носії. Причому технологічне керування параметрами виготовлення хвилеводу забезпечує зниження кількості очікуваних відмов у 1,3-1,6 рази порівняно з кращими аналогами.

2. Досліджено фізико-механічні характеристики термопластичних полімерів, призначених для виготовлення оболонки-носія ДХ та визначено, що припустима нижня межа руйнівного напруження при розтягненні полімерної трубки складає 1,5 МПа, оптимальне відносне подовження при розриві - 600-800 %.

3. На основі порівняльного аналізу водостійкості та фізико-механічних властивостей показано, що за показником відносного подовження оптимальними є поліетилен високого тиску ПЕВТ 15803-020, поліетилен низького тиску ПЕНТ 273-83 та сополімер етилену з метакриловою кислотою Сарлін 8940. При цьому встановлено, що необхідну міцність оболонці-носію хвилеводу може надати поліетилен низького тиску, для якого водостійкість становить 0,1 доби у водному середовищі при тиску 0,2 МПа, що є недостатнім. Для поліетилену високого тиску міцність на розрив є недостатньою, але аналогічна водостійкість становить 6 діб, що відповідає вимогам для детонуючих хвилеводів.

4. Показано, що оптимальні властивості полімерного носія забезпечує його тришарова будова, причому внутрішній шар необхідно виготовити з поліетилену високого тиску ПЕВТ 15803-020, або із сополімеру Сарлін 8940, другий шар - з поліетилену низького тиску ПЕНТ 273-83, зовнішній шар - з ПЕВТ 15803-020.

5. На основі температурних залежностей тангенсу кута діелектричних втрат визначені діапазони температур, в яких структура досліджених полімерів є оптимальною для їх адгезійної взаємодії з дисперсними кристалічними вибуховими речовинами. Показано, що для поліетилену високого тиску такий інтервал становить 120-150 єС, а для Сарліну 150-210 єС, що знаходиться в межах їх термостійкості та може бути забезпечене при їх екструзії.

6. Встановлено, що вплив складу кристалічної будови, композиції, густини та розміру кристалів бризантної вибухової речовини на чутливість хвилеводу до початкового імпульсу і стабільність детонаційної хвилі апроксимується параболічними залежностями, що забезпечує можливість оптимізації характеристик хвилеводу за отриманими екстремумами. Визначено вплив температур фазового переходу та геометричної форми кристалів октогену і тена на адгезійні, детонаційні, фізико-механічні характеристики композицій вибухових матеріалів і доведено, що для виникнення стабільної детонаційної хвилі в порожнині трубки хвилеводу необхідно використовувати кристали відповідної форми і розмірів: для октогену - тетраедрична форма, причому не менше 90 % (по масі) повинно припадати на кристали з довжиною грані 40-60 мкм; для тена - голчаста форма, причому не менше 85 % (по масі) повинно припадати на кристали з довжиною 160-200 мкм.

7. Показано, що найбільш стабільно детонаційні процеси протікають у хвилеводі з діаметром порожнини 1,3 мм при лінійній густині заряду 25 мг/м. Вперше встановлено вплив характеристик полімеру і діаметра порожнини хвилеводу на детонаційні характеристики дисперсної кристалічної суміші. Вперше розроблений і успішно застосований безпечний спосіб одержання чутливих кристалів б-модифікації октогену безпосередньо в момент формування полімерної основи ДХ.

8. Встановлено, що запропонований в роботі технологічний процес виготовлення ДХ значно менш небезпечний в порівнянні із процесом виготовлення детонуючого шнура ДШЕ-12, а вміст бризантних ВР у детонуючому хвилеводі в 600 разів нижче, ніж у ДШЕ-12. Викид в атмосферу шкідливих газів при використанні хвилеводу в 1500 разів нижче, ніж при використанні ДШЕ-12. За своїми фізико-механічними характеристиками хвилевід не поступається кращим світовим аналогам виробництва фірми Dyno Nobel, а за показниками термостійкості (-50…+85^оС) і безпеки перевищує їх.

9. Вперше в Україні розроблено і отримано детонуючий хвилевід. Проведено комплекс випробувань на гранітних кар'єрах ВАТ "Укрвибухбуд", що підтвердили доцільність його використання для вибухових робіт. Очікуваний економічний ефект від використання хвилеводу становить 300 000 грн. на рік.

Список наукових праць, що відображають основні положення дисертації

Создание неэлектрической системы инициирования в Украине / Б.И. Шаров, В.Н. Филимонов, В.В. Банишевский, В.К. Лукашев, И.Н. Курганский, Р.В. Закусило // Научные труды Национальной горной академии Украины. - том 3, № 11. - Днепропетровск, 2001. - С. 108-113. Автором проведено підбір полімерів та технологічних режимів для виготовлення хвилеводу.

Закусило Р.В. Исследования по выбору полимерной оболочки детонирующего волновода // Вопросы химии и химической технологии. - 2002, № 6. - С. 69-73.

Закусило Р.В., Желтоножко А.А. Состояние разработки безопасной неэлектрической системы инициирования. Исследования по разработке рецептуры полимерной трубки волновода // Научные труды Национальной горной академии Украины. - № 18. - Днепропетровск, 2003. - С. 42-50. Автором проведено дослідження з вибору полімерної композиції хвилеводу, взаємодії полімерів між собою і з детонуючим складом.

Закусило Р.В., Желтоножко А.А. Сравнительные исследования опасности производства и применения детонирующего волновода к НСИ и детонирующего шнура ДШЭ-12 // ВІСНИК Національного технічного університету України "КПІ". Серія "Гірництво". - Київ: НТУУ "КПІ": ЗАТ "Техновибух". - 2004, Вип. 10. - С. 65-70. Автором проведено дослідження небезпеки виробництва детонуючих шнурів та детонуючого хвилеводу, розглянуто аспекти небезпеки їх застосування при вибухових роботах.

...