книги / Химия и технология бризантных взрывчатых веществ.-1

Е. Ю. Орлова

химия

И ТЕХНОЛОГИЯ

бризантных

взрывчатых

веществ

Издание 3-е, переработанное

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов химико-технологических специальностей высших учебных заведений

Ленинград

«Химия»

Ленинградское отделение

1981

ВВЕДЕНИЕ

Взрывчатыми веществами (ВВ) называются химические соединения или смеси, склонные под влиянием внешнего воздей­ ствия к чрезвычайно быстрому химическому превращению, сопро­ вождающемуся выделением большого количества теплоты и высо­ конагретых газов. Сжатые газы при расширении способны совер­ шать работу перемещения или разрушения окружающей среды. В отличие от горения обычных топлив, реакции взрывного превра­ щения ВВ протекают без участия кислорода воздуха.

Взрывчатые вещества являются концентрированными источни­ ками энергии и поэтому широко применяются в различных отрас­ лях техники. Старейшей областью применения их является горная промышленность. В настоящее время ВВ широко используются при строительстве, на гидромелиоративных работах, в сельском хозяй­ стве и в других отраслях народного хозяйства. Уже применяются методы резки, штамповки, сварки, упрочнения металлов взрывом, ВВ широко применяются в военном деле и поэтому особого разви­ тия эта отрасль промышленности достигла в период второй миро­ вой войны.

В настоящее время промышленность ВВ представляет собой высокоразвитую область техники, имеющую огромное значение для обороны страны и в общей системе народного хозяйства.

Атомная энергия не сможет полностью заменить ВВ в военном

иособенно в мирном применении их в качестве источника энергии.

Ктому же энергия взрыва ВВ дешевле атомной энергии.

Военное значение ВВ также сохраняется. Помимо обычного применения в таких боеприпасах, как артиллерийские снаряды, бомбы, торпеды, мины и боевые части ракет, ВВ используются так­ же для приготовления твердого ракетного топлива, для возбужде­ ния взрыва атомных бомб, для оборонительных заграждений тер­ ритории и др.

Технология ВВ изучает заводское оформление химических и физических процессов превращения исходных материалов в гото­ вое ВВ. Многие ВВ можно получить из различных исходных мате­ риалов и несколькими методами. При выборе наиболее рацио­ нального из них для заводского оформления необходимо знать все возможные варианты синтеза, а также механизм и кинетику про­ исходящих при этом химических превращений. Сравнение этих ва­ риантов по всем показателям позволяет сделать правильный вы­ бор технологического процесса для завода.

4

и составить математическое описание процессов. Это позволит про­ водить моделирование процессов и устанавливать оптимальные условия интенсификации и автоматизации производства.

Возникновение и развитие промышленности взрывчатых веществ

базе бурного роста основной химической промышленности, а так­ же коксохимической и нефтеперерабатывающей отраслей промыш­ ленности— источников сырья для бризантных. ВВ.

Первыми возникли производства нитратов спиртов — пирокси­ лина и нитроглицерина. Нитроглицерин начали производить в 1854 г. Н. Н. Зинин и В. Ф. Петрушевский для снаряжения гранат, а затем для подрыва породы на золотых приисках Сибири. В 1861 г. А. Нобель в Швеции открыл первый завод по производству нитро­

Абель ввел стадию измельчения волокна в присутствии соды, улуч­ шив тем самым стойкость пироксилина. Несколько позже Д. И. Менделеев предложил заменить сушку пироксилина обезво­ живанием его спиртом, что резко снизило опасность изготовления пироксилина и позволило значительно увеличить его выпуск.

Развитие производства ВВ тормозилось также низким качест­

тротил, тетрил и др.), свойства которых обусловливали значитель­ но меньшую опасность производства и обращения с ними, что по­ зволяло широко применять эти соединения для снаряжения снаря­ дов.

Большой расход боеприпасов во время первой мировой войны вызвал рост промышленности ВВ. На вооружение были приняты многие полинитропроизводные ароматических углеводородов, по­ лучающихся при коксовании каменного угля и пиролизе нефти. Чтобы удовлетворить возросшие потребности во взрывчатых ве­ ществах, для снаряжения снарядов стали широко применять сме­ си главным образом на основе нитрата аммония (аммиачной се­ литры) .

Вторая мировая война потребовала еще большего количества ВВ. Расход их значительно превысил расход ВВ во время первой мировой войны. Так, в 1910 г. мировое производство ВВ составля­ ло 390 тыс. т., а во время второй мировой войны только в Герма­ нии выпускалось гораздо больше ВВ: в 1944 г. 495 тыс. т ВВ и 268 тыс, т пороха, В США за время второй мировой войны было

6

изготовлено 331 млн. снарядов, 377 млн. мин, 5,9 млн. t авиабомб, десятки миллионов тонн прочих боеприпасов.

Основным бризантным взрывчатым веществом во время второй мировой войны явился тротил илй взрывчатые смеси на его основе (аммониты, сплавы тротила с гексогеном и др.). Это стало возмож­ ным вследствие увеличения добычи нефти й ее ароматизации, а также благодаря созданию промышленных установок по получе­ нию синтетического толуола.

Широкое применение нашли наиболее мощные ВВ — гексогей и ТЭН, которые в первой мировой войне не применялись. Их появ­ ление обязано развитию химической промышленности, осуществле­ нию сложных синтезов исходных продуктов для мощных ВВ с при­ менением высокого давления, температур и катализаторов.

В послевоенные годы научные исследования значительно рас­ ширили ассортимент ВВ. Для мирного использования получили применение ВВ, обладающие высокой термической стойкостью: гексанитродифениламин, гексанитродифенилсульфид, тринитрофенилендиамин, октоген и др.

В настоящее время вооруженные силы стран НАТО для сна­ ряжения снарядов и бомб используют как индивидуальные ВВ [тротил (ТНТ), ТЭН, пикрат аммония (или ВВ «Д»), гексоген, ок­ тоген], так и взрывчатые смеси [тритонал (ТНТ + А1), пикронал (ТНТ + пикрат аммония), торпекс (ТНТ + гексоген + А1), НВХ (флегматизированный торпекс), бониты, ВВ «В» (ТНТ + гексо­ ген)]. Согласно единой официальной статистике ежегодный рост производства промышленных ВВ оценивается для США в 4%, для ФРГ в 3% и для Японии в 3%. При этом в оценке общей мощно­ сти ВВ нужно учитывать и научные исследования, направленные к более эффективному их использованию.

Потребление ВВ для мирных целей из года в год возрастает: в 1977 г. общий расход промышленных ВВ достиг нескольких мил­ лионов тонн, однако их ассортимент меняется. Так, максимальное потребление индивидуальных бризантных взрывчатых веществ в промышленности отмечено в 1950—1952 гг. Затем им на смену пришла более дешевая взрывчатая смесь из нитрата аммония с дизельным топливом, и применение бризантных ВВ в промыш­ ленности стало падать.

Классификация бризантных взрывчатых веществ

В настоящее время известно большое число бризантных ВВ, однако практическое значение имеют лишь немногие из них.

Вмирной технике и в военном деле применяются только твердые

ижидкие ВВ.

Взрывчатые вещества по применению можно разбить на четыре группы: 1) инициирующие ВВ, 2) бризантные ВВ, 3) метательные ВВ, или пороха, 4) пиротехнические составы. В настоящей книге рассматриваются только бризантные ВВ.

7

По составу бризантные ВВ разделяются на две большее груп­ пы! индивидуальные вещества и взрывчатые смеси.

Первую группу составляют преимущественно органические вещества, содержащие одну или несколько групп NO2. Разли­ чают: С-нитросоединения С—NO2, N-нитросоединения (нитрамины) N—NO2 и О-нитросоединеиия (нитраты спиртов) О—NO2.

Среди С-нитросоединеиий наибольшее значение имеют арома­ тические полинитропроизводные. Многие алифатические нитросоедннения также обладают взрывчатыми свойствами, но лишь в по­ следние годы некоторые из них (например, бистринитроэтилформаль, бистринитроэтилэтилендинитрамин, бисфтординитроэтилформаль, простейшие нитропарафины — нитрометан, нитроэтан) пред­ ложены для применения в твердых ракетных топливах в качестве высокоэиергетических пластификаторов. Некоторые из этих ве­ ществ помимо высоких взрывчатых характеристик обладают и дру­ гими важными свойствами: низкой температурой плавления, плас­ тичностью и др.

Ароматические нитрамины (например, тетрил) в настоящее время вытесняются гетероциклическими (гексоген, октогеи), а в перспективе и алифатическими (бистринитроэтилкарбамид, бистринитроэтилиитрамии) аминами.

Среди эфиров азотной кислоты (нитратов спиртов) помимо давно известных нитроглицерина и нитратата целлюлозы, приме­ няемых в настоящее время преимущественно лишь в качестве ком­ понентов пороха, большое значение приобретает ТЭН, а также ряд новых перспективных ВВ.

Взрывчатые свойства индивидуальных соединений обусловле­ ны наличием в их молекулах вышеуказанных групп в определен­ ном соотношении с числом атомов углерода и водорода, входящих в молекулу. Это соотношение должно обеспечивать необходимый для проявления взрывчатых свойств кислородный баланс.

Вторую группу составляют взрывчатые смеси, содержащие и не содержащие ВВ. Смеси, как правило, составляют по принципу получения нулевого или близкого к нему кислородного баланса.

К важнейшим классам взрывчатых смесей, содержащих взрыв­ чатые компоненты, относятся:

а) аммониты или аммиачиоселитренные ВВ, состоящие из сме­ си аммиачной селитры с нитросоединениями;

б) сплавы и смеси иитросоединений; в) нитроглицериновые ВВ (динамиты);

г) хлоратные и перхлоратные ВВ — смеси солей хлорноватой или хлорной кислоты с нитросоединениями и др.

В состав смесей, состоящих из невзрывчатых компонентов, вхо­ дят горючие вещества и соединения, содержащие значительное ко­ личество кислорода или. другого окислителя. Реакция взрыва в этом случае заключается в окислении элементов, входящих в горю­ чие вещества, окислителем. Взрывчатые смеси из невзрывчатых компонентов могут быть разбиты на следующие классы:

а) дымные пороха — смеси селитры, серы и угля;

8

б) оксиликвиты — смеси жидкого кислорода с горючими веще­ ствами;

в) смеси твердого окислителя с горючими веществами (амми­ ачная селитра с дизельным топливом — состав, получивший в на­ стоящее время очень широкое применение для промышленных це­ лей).

Разнообразные условия применения ВВ в мирной и военной технике предъявляют подчас очень жесткие требования к бризант­ ным ВВ. Они должны обладать большой мощностью, быть безопас­ ными в обращении, иметь достаточную чувствительность к началь­ ному импульсу, быть стойкими при хранении в определенных условиях их применения. Кроме того, бризантное ВВ, принятое на вооружение, должно быть обеспечено сырьевой базой и метод про­ изводства его должен быть достаточно прост и безопасен.

Исходным сырьем при синтезе бризантных ВВ в соответствии с их химической природой являются ароматические углеводороды и фенолы (бензол, толуол, ксилол, нафталин, фенол, резорцин, кре­ зол), алифатические предельные углеводороды (метан, этан), али­ фатические непредельные углеводороды (ацетилен), алифатиче­ ские спирты (глицерин, гликоль, пентаэритрит), альдегиды, угле­ воды (целлюлоза, крахмал), ароматические и алифатические ами­ ны (диметиланилин, гексаметилентетрамин, этилендиамин, гуани­ дин и др.), аминоспирты (диэтаноламин) и др.

Наиболее доступным сырьем являются продукты, получаемый промышленностью переработки каменного угля, нефтехимического и основного органического синтеза. Это алифатические и аромати­ ческие углеводороды, полиспирты, амины, кислоты. Поэтому объем производства и стоимость сырья определяются не только природ­ ными запасами нефти и каменного угля, но и степенью развития этих отраслей промышленности.

В настоящее время многие ВВ имеют широкую сырьевую базу. Если раньше основным источником толуола и ксилола была коксо­ химическая промышленность, поставлявшая сравнительно неболь­

мышленный синтез сырья для ВВ на основе алифатических соеди­ нений. Так, значительная часть формальдегида, необходимого для получения уротропина и пентаэритрита (сырья для гексогена, октогена и ТЭНа), получается прямым окислением метана. Пиролизом метана получают ацетилен —сырье для производства тринитрометана — важнейшего полупродукта при синтезе мощных взрывчатых веществ. Этилен и ацетилен являются сырьем для получения уксус­ ной кислоты и уксусного ангидрида, которые используются при производстве гексогена и октогена. В последние годы доступным сырьем становится глицерин, который получают из пропилена че­ рез аллиловый спирт, при взаимодействии которого с перекисью водорода образуется очень чистый глицерин, пригодный для полу­ чения нитроглицерина.

8