Study of the effect of accelerated ageing on the properties of modified nitrocellulose propellants

• Autorzy: Cieślak Katarzyna , Tomaszewski Waldemar , Gańczyk-Specjalska Katarzyna

Identyfikatory

DOI

10.22211/matwys/0238

Warianty tytułu

PL

Badanie wpływu przyspieszonego starzenia na właściwości prochów nitrocelulozowych modyfikowanych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study investigated the stability of nitrocellulose (NC) powders modified with nitroglycerine (NG) and/or polyos 250 (polyester polyol) or centralite I (CI) and determined the changes in physicochemical properties before and after accelerated ageing. Six NC modified powders stabilized with diphenylamine (DPA) or CI were tested. Accelerated ageing of the powders was carried out in accordance with AOP-48, under isothermal heating at 71 °C for 35 days, which corresponds to storing the powders at 25 °C for 10 years. The initial powder samples and those aged under the above conditions were examined by high-performance liquid chromatography (HPLC) for loss of initial stabilizer (DPA or CI), calorimetry, and manometric bomb. The geometric changes of gunpowder grains and their densities, were also compared before and after accelerated ageing. Tests on the stability of the powders by means of heat flow microcalorimetry (HFC) conducted in accordance with STANAG 4582 at 90 °C for 3.43 days, showed that the tested powders did not exceed the permissible limit of a released heat power of 350 μW/g, which means that they should be stable for the next 10 years of storage at 25 °C. This diagnosis was confirmed by chromatographic (HPLC) analyses of stabilizer loss. After accelerated ageing, the content of modifiers and stabilizers was lower compared to the initial powders. Ageing at elevated temperatures did not change the geometry of the aged powders relative to the starting powders. For most of the tested powders, accelerated ageing resulted in a slight increase in calorific value relative to the starting powders. Comparable helium density values were obtained for the powders before and after ageing, all of which were within error limits. Accelerated ageing did not significantly affect the changes in dynamic vivacity between the aged and initial powders. The tested NC modified powders should not change their properties enough during 10 years of storage at 25 °C to become unstable, i.e. unsafe when stored and/or to fail to meet ballistic requirements.

PL

Celem pracy było badanie stabilności nitrocelulozowych (NC) prochów modyfikowanych nitrogliceryną i/lub poliosem 250 (poliolem poliestrowym) albo centralitem I (CI) oraz określenie zmian właściwości fizykochemicznych przed i po przyspieszonym starzeniu. Badaniom poddano 6 NC prochów modyfikowanych stabilizowanych difenyloaminą (DFA) lub CI. Sztuczne starzenie prochów przeprowadzono według normy AOP-48, w ramach izotermicznego ogrzewania w 71 °C przez 35 dni, co odpowiada przechowywaniu prochów w temperaturze 25 °C przez 10 lat. Wyjściowe próbki prochów oraz starzone w ww. warunkach badane były za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) pod kątem ubytków stabilizatora wyjściowego (DFA albo CI), kalorymetrii, bomby manometrycznej. Porównano również przed i po przyspieszonym starzeniu zmiany geometryczne ziaren prochowych i ich gęstości. Badania stałości prochów za pomocą mikrokalorymetrii przepływowej (HFC) prowadzone według STANAG-u 4582 w temp. 90 °C przez 3,43 doby wykazały, że badane prochy nie przekroczyły dopuszczalnego limitu wydzielonej mocy cieplnej wynoszącego 350 μW/g, co oznacza, że powinny być stabilne przez następne 10 lat przechowywania w temperaturze 25 °C. Diagnozę tę potwierdziły analizy chromatograficzne (HPLC) w zakresie ubytków stabilizatorów. Po przyspieszonym starzeniu zawartość modyfikatorów i stabilizatorów uległa obniżeniu w stosunku do prochów wyjściowych. Starzenie w podwyższonej temperaturze nie wpłynęło na zmianę geometrii prochów starzonych w stosunku do prochów wyjściowych. Dla większości badanych prochów, przyspieszone starzenie spowodowało nieznaczne podwyższenie kaloryczności względem prochów wyjściowych. Uzyskano porównywalne wartości gęstości helowej dla prochów przed i po starzeniu, wszystkie mieściły się w granicach błędu. Przyspieszone starzenie nie wpłynęło znacząco na zmiany żywości dynamicznej pomiędzy prochami starzonymi i wyjściowymi. A zatem, badane NC prochy modyfikowane nie powinny zmienić na tyle swoich właściwości w trakcie 10 lat przechowywania w temperaturze 25 °C, aby stać się niestabilne, tj. niebezpieczne podczas przechowywania i/lub aby nie spełnić wymogów balistycznych.

Słowa kluczowe

EN

nitrocellulose powders; accelerated ageing; HFC; HPLC; stabilizer loss

PL

prochy nitrocelulozowe; przyspieszone starzenie; HFC; HPLC; ubytek stabilizatora

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Organicznego
• Czasopismo: Materiały Wysokoenergetyczne
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 15
• Strony: 48--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Cieślak Katarzyna

• Department of High Energy Materials, Faculty of Chemistry, Warsaw University of Technology, 3 Noakowskiego St., 00-664 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5418-5763

autor

Tomaszewski Waldemar

• Department of High Energy Materials, Faculty of Chemistry, Warsaw University of Technology, 3 Noakowskiego St., 00-664 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2275-2479

autor

Gańczyk-Specjalska Katarzyna

• Łukasiewicz Research Network – Institute of Industrial Organic Chemistry, 6 Annopol St., 03-236 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8394-1513

Bibliografia

• [1] Cieślak K., Gołofit T., Tomaszewski W., Chmielarek M., Maksimowski P., Pawłowski W. Modification of the Burning Layer of Nitrocellulose Powders with Liquid Nitroesters. Mater. Wysokoenerg. (High Energy Mater.) 2021, 13: 48-58; https://doi.org/1022211/matwys/0209.
• [2] Gańczyk-Specjalska K., Cieślak K., Zembrzucka K. Thermal Properties of Modified Single-base Propellants. Mater. Wysokoeneg (High Energy Mater.) 2021, 13: 59-69; https://doi.org/1022211/matwys/0212.
• [3] Cieślak K., Gańczyk-Specjalska K. Methods of Modifying Single Base Propellants Using Centralite I, Dibutyl Phthalate and Rosin. Mater Wysokoenerg. (High Energy Mater.) 2022, 14: 107-116; https://doi.org/1022211/matwys/0221.
• [4] Cieślak K., Gańczyk-Specjalska K., Drożdżewska-Szymańska K., Uszyński M. Effect of Stabilizers and Nitrogen Content on Thermal Properties of Nitrocellulose Granules. J. Therm. Anal. Calorim. 2021, 143: 3459-3470; https://doi.org/10.1007/s10973-020-09304-8.
• [5] Lindblom T. Reactions in the System Nitrocellulose/Diphenylamine with Special Reference to the Formation of a Stabilizing Product Bonded to Nitro-cellulose. Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, Uppsala, 2004, https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2: 164030/ FULLTEXT01.pdf [retrieved 01.08.2023].
• [6] de Klerk W.P.C. Assessment of Stability of Propellants and Safe Lifetimes. Propellants Explos. Pyrotech. 2015, 40(3): 388-393; https://doi.org/10.1002/ prep. 201500040.
• [7] Vogelsanger B. Chemical Stability, Compatibility and Shelf Life of Explosives. CHIMIA. 2004, 58: 401-408.
• [8] Bohn M.A., Volk F. Aging Behaviour of Propellants Investigated by Heat Generation, Stabilizer Consumption, and Molar Mass Degradation. Propellants Explos. Pyrotech. 1992, 17(4): 171-178; https://doi.org/10.1002/prep. 19920170405.
• [9] Chovancová M., Očko P., Pechová A., Lopuch J. Lifetime Prediction of Propellants According to NATO Standards. Problemy Techniki Uzbrojenia 2006, 35(98): 7-14.
• [10] Maj J. Explosives, Nitrocellulose Based Propellants, Stability Test Procedures and Requirements Using Stabilizer Depletion – Implementation of AOP-48. STANAG 4620 Ed. 2, 2008.
• [11] Explosives, Nitrocellulose Based Propellants, Stability Test Procedure and Requirements Using Heat Flow Calorimetry. STANAG 4582, 2003.
• [12] Definition and determination of ballistic properties of gun propellants. STANAG 4115, Ed. 2, 1997.
• [13] Lindblom T. Reactions in Stabilizer and Between Stabilizer and Nitrocellulose in Propellants. Propellants Explos. Pyrotech. 2002, 27(4): 197-208; https://doi.org/10.1002/1521-4087(200209)27:4<197::AID-PREP197>3.0.CO;2-W.