آیا رزین فنولیک با سایر مواد شیمیایی آتش بازی سازگار است؟

وقتی فرمول‌سازان و متخصصان تدارکات با رزین فنولیک در فرمولاسیون‌های پیروتکنیک مواجه می‌شوند، سؤالی که واقعاً باید به آن پاسخ دهند اغلب این نیست که "آیا بی اثر است؟" بلکه:آیا در طول ذخیره سازی پایدار است و به چه صورت در واکنش احتراق شرکت می کند؟این دو پاسخ مستقیماً تعیین می‌کنند که آیا دسته‌ای از ستارگان می‌توانند در یک فصل مرطوب زنده بمانند یا خیر، و آیا میزان سوختن پوسته هوایی در پنجره طراحی آن قرار می‌گیرد یا خیر.

1. نقش رزین فنولیک در سیستم های پیروتکنیک

رزین فنولیکاز پلی تراکم فنل و فرمالدئید تولید می شود و پس از پخت، یک شبکه سه بعدی غیرقابل حل و غیر قابل انحلال تشکیل می دهد. وظیفه اصلی آن اتصال اکسید کننده و ذرات سوخت به یک جامد هندسی پایدار است. با این حال، یک تصور غلط رایج باید روشن شود:رزین فنلی تحت همه شرایط "از نظر شیمیایی بی اثر" نیست.مطالعه Ouyang بر روی سیستم Ba(NO3)2/Mg نشان داد که بایندر رزین فنلی یک برهمکنش گرمازا با اکسید کننده را نشان می دهد.قبل ازواکنش اکسید کننده منیزیم رخ می دهد، که منجر به سرعت سوختگی (12.5 میلی متر در ثانیه) و دمای سوختگی (1594.5 درجه سانتی گراد) برای سیستم PR در مقایسه با سیستم نیتروسلولزی می شود.^[1]. بنابراین بیان دقیق تر این است:رزین فنولیکدارای پایداری شیمیایی کافی در شرایط ذخیره سازی محیطی است، اما در قسمت جلوی احتراق با دمای بالا، یک جزء سوخت هیدروکربنی گرمازا شرکت کننده است - نه یک تماشاگر.

این تمایز پیامدهای عملی برای طراحی فرمولاسیون دارد. Mojsilović و همکاران، در مطالعه خود بر روی ترکیبات تاخیری تولید کننده گاز پودر سیاه - رزین فنولیک گزارش کردند کهترکیبات حاوی نیترات پتاسیم 75 تا 80 وزنی، زغال چوب 5 تا 15 وزنی، گوگرد 5 تا 10 درصد وزنی، و رزین فنولیک تقریباً 5 درصد وزنی، حداقل نیازهای ترکیبات تاخیری تولید گاز را برآورده می کند. ^[2]. [به چارچوب خود منبع توجه کنید: این یک پاکت حداقل الزامات برای کاربردهای تاخیری است، نه یک پنجره بهینه جهانی.] در این سیستم، رزین فنولیک هم به عنوان یک اتصال دهنده و هم به عنوان کمک کننده در سرعت سوزاندن و خروجی گاز از طریق ارزش حرارتی خود عمل می کند. پرسنل تدارکاتی که تامین کنندگان را ارزیابی می کنند نباید فقط بپرسند "آیا رزین با اکسید کننده واکنش می دهد؟" اما باید نیاز داشته باشدداده های عملکرد احتراق برای رزین در سیستم فرمولاسیون هدف، به جای اتکای صرف به یک برچسب "بی اثر".

2. پایداری حرارتی و سناریوهای "ناسازگاری" که واقعاً مهم هستند

تجزیه و تحلیل مادون قرمز تبدیل فوریه- گرما گرانشی (TG-FTIR) نشان می دهد کهمتقابلرزین فنولیکتحت پیرولیز چند مرحله ای قرار می گیرد که رفتار آن در مقیاس مولکولی قابل حل است ^[3]. به عنوان یک ماده شیمی رزین عمومی،دمای شروع تخریب در اتمسفر بی اثر به طور قابل توجهی بالاتر از شرایط اکسید کننده است و مقادیر دقیق به سیستم رزین خاص، سرعت گرمایش و جو بستگی دارد.- آنها باید از منحنی های TG اصلی در ژنگ و همکاران خوانده شوند. (2021) برای رفتار پیرولیز، و از مراجع استاندارد رزین برای محیط های اکسیداتیو، به جای تعمیم به عنوان اعداد ثابت^{[3] [4]}. این بدان معنی است که رزین در طول ذخیره سازی خود به خود تجزیه نمی شود، اما پس از احتراق، آنطور که طراحی شده است، تحت پیرولیز و اکسیداسیون قرار می گیرد.سناریوهای "ناسازگاری" که واقعاً توجه را ایجاب می کند، اغلب زمانی به وجود می آیند که رزین به طور کامل درمان نشده باشد:فنل یا فرمالدئید آزاد باقیمانده می تواند در تماس طولانی مدت، به آرامی با اکسید کننده های خاصی تعامل کند. بنابراین،فنل آزاد و فرمالدئید آزاد باید به صراحت در مشخصات خرید محدود شوند; شاخص‌های کنترل بالغ برای رزین‌های فنولی صنعتی وجود دارد و درجه‌های پیروتکنیک باید بر این اساس دقیق‌تر مشخص شوند.^[4].

3. نحوه تأیید سازگاری به روشی قابل تأیید

کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) و تست پایداری خلاء ابزارهای غربالگری استاندارد در زمینه پیروتکنیک هستند.با مخلوط کردن رزین با اکسید کننده هدف (نیترات پتاسیم، پرکلرات ها، یا نیترات استرانسیم و غیره) در نسبت فرمولاسیون واقعی و مقایسه دمای گرمازای شروع مخلوط با اجزای جداگانه از طریق DSC، می توان تشخیص داد که آیا رویدادهای حرارتی غیرمنتظره در محدوده دمای ذخیره سازی رخ می دهد یا خیر.یک مثال تایید شده از آنچه که چنین غربالگری نشان می دهد: اندازه گیری DTA اویانگ از جفت رزین فنلی/Ba(NO3)2 گرمازایی شروعی را در 380 درجه سانتی گراد نشان داد که به واکنش شیمیایی بین گروه های متیلن آزاد آزاد شده توسط تخریب حرارتی رزین و اکسید کننده نسبت داده می شود. ^[1]. [این مقدار شروع مخصوص آن جفت رزین-اکسیدکننده و شرایط آزمایش است. نباید آن را تعمیم داد.]آزمایش پایداری خلاء رفتار تکامل گاز را در شرایط آب بندی طولانی مدت منعکس می کند و در STANAG 4556 (مواد منفجره: تست پایداری خلاء) استاندارد شده است.که روش های آن 0.2-5.0 گرم نمونه را در 100 درجه سانتیگراد (یا 120 درجه سانتیگراد) به مدت 40 ساعت گرم می کند.^[5];سازمان مللراهنمای آزمون ها و معیارها، تست 3(c)، به طور جداگانه به پایداری حرارتی در دمای 75 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت می پردازد- این دو آزمون هم از نظر اصل و هم از نظر شرایط متفاوت هستند و باید به صورت جداگانه ذکر شوند، نه با هم ترکیب شوند^[6]. هزینه این آزمایش‌ها بسیار کمتر از رد دسته‌ای ناشی از جذب رطوبت ستاره یا رانش سرعت سوختن است. واجد شرایطرزین فنولیک درجه حرارتتامین کننده باید بتواند داده های غربالگری سازگاری یا یک پروتکل تست توصیه شده به وضوح تعریف شده را برای ترکیب اکسیدکننده و سوخت خاص مشتری ارائه دهد، نه اینکه صرفاً یک کیسه رزین را تحویل دهد.

4. مشخصات تدارکات و ارزش تجاری

از دیدگاه زنجیره تامین، مزیت تجاری اصلی رزین فنولیک نسبت به چسباننده های طبیعی مانند دکسترین و صمغ عربی درآبگریزی و قوام دسته به دسته: چسب های طبیعی با جذب رطوبت نرم می شوند و منجر به رانش سرعت سوختن و کاهش ماندگاری می شوند، در حالی که شبکه آبگریز رزین فنولیک یکپارچگی ساختاری و تکرارپذیری نرخ سوختن دانه را در محیط های مرطوب حفظ می کند.^[7]. با این حال، اینکه آیا این مزیت می تواند محقق شود بستگی به این دارد که آیا مشخصات خرید به اندازه کافی خاص باشد:محدوده دمایی تجزیه حرارتی، محدودیت‌های فنل آزاد/فرمالدئید آزاد، برنامه پخت (اینکه آیا پنجره پخت معمولی با دمای متوسط ​​با خط تولید موجود مطابقت دارد)، و اینکه آیا تامین‌کننده مایل است در فرمول واقعی مشتری به جای پودر سیاه استاندارد تأیید کند.

سازگاری هرگز یک ویژگی "بله/خیر" باینری نیست. این مجموعه ای از پارامترهای فنی قابل اندازه گیری و قابل تعریف قراردادی است.برای تولیدکنندگان پیروتکنیک که جایگزینی بایندر یا توسعه فرمولاسیون جدید را ارزیابی می‌کنند، گام بعدی محتاطانه این است که اکسیدکننده و لیست سوخت مورد نظر را به تامین‌کننده ارائه دهند و به جای تکیه بر توصیفات عمومی محصول، غربالگری DSC و مقایسه عملکرد احتراق را به عنوان مبنایی برای انتخاب درجه مورد نیاز کنند. یک بسته داده سازگاری خاص برای یک فرمول مشخص، ارزش تصمیم گیری خرید بسیار بیشتر از هر ادعای کلی «سازگار» است. ما می‌توانیم نمونه‌ها و پروتکل‌های غربالگری سازگاری DSC را بر اساس فرمول‌بندی هدف مشتری ارائه کنیم و به تیم‌های تدارکاتی در تبدیل «سازگاری» به معیارهای پذیرش که می‌تواند در برگه مشخصات نوشته شود کمک کنیم.

حداقل پروتکل غربالگری سازگاری DSC

آنچه این مقاله ادعا نمی کند

این مقاله ادعا نمی‌کند که رزین فنولیک نسبت به سایر بایندرها در هر سیستم پیروتکنیک برتری دارد.مقایسه در Ouyang (2013) مختص سیستم Ba(NO3)2/Mg است.

این مقاله ادعا نمی‌کند که گرمازای شروع DTA 380 درجه سانتی‌گراد جفت PR/Ba(NO3)2 یک آستانه قابل انتقال است.این یک مقدار اندازه گیری شده برای ترکیب رزین-اکسیدکننده خاص تحت شرایط آن آزمایش است. دمای شروع برای جفت های دیگر باید اندازه گیری شود و شروع تخریب TG نیز به سیستم رزین، سرعت گرمایش و جو بستگی دارد.

این مقاله ادعا نمی کند که محدوده ترکیب 75-80 / 5-15 / 5-10 / 5 wt٪ یک بهینه جهانی است.منبع آن را به عنوان ترکیباتی قاب می کند که حداقل الزامات ترکیبات تاخیری تولید گاز را برآورده می کند، نه به عنوان یک پنجره فرمولاسیون کلی.^[2].

این مقاله ادعا نمی کند که غربالگری پایداری DSC یا خلاء/حرارتی می تواند جایگزین اعتبارسنجی عملکرد احتراق در فرمول واقعی شود.تست های غربالگری ضروری هستند اما شرایط کافی نیستند.

این مقاله نسبت های فرمولاسیون خاصی یا منحنی های دمای پخت را ارائه نمی دهد.اینها باید توسط سازنده طبق مقررات قابل اجرا توسعه داده شوند.

مراجع

اویانگ، دی.-اچ. "تاثیر بایندرهای مختلف بر ویژگی‌های احتراق مخلوط‌های پیروتکنیک حاوی Ba(NO3)2/Mg."مجله مواد انرژی زا اروپای مرکزی، 2013، 10 (2): 209-215.[سیستم PR: 12.5 میلی متر بر ثانیه، 1594.5 درجه سانتی گراد، 47235.6 سی دی؛ سیستم NC: 9.0 میلی متر بر ثانیه، 1432.6 درجه سانتی گراد; واکنش گرمازا بین رزین فنلی و Ba(NO3)2 قبل از واکنش Mg/Ba(NO3)2 رخ می دهد. DTA جفت PR/Ba(NO3)2 گرمازایی شروع را در 380 درجه سانتیگراد نشان می دهد که به گروه های متیلن آزاد ناشی از تخریب حرارتی رزین نسبت داده می شود. فرمول PR: Ba(NO3)2 56.5 وزنی، Mg 38.5 وزنی، PR 5 wt٪.]

Mojsilović، J.، Krstović، M.، Petković-Cvetković، J.، و همکاران. "تحقیق در مورد ترکیبات پیروتکنیک تاخیر زمانی تولید گاز بر اساس پودر سیاه و رزین فنل فرمالدئید."بررسی فنی علمی، 2023، 73 (1): 8-12. DOI: 10.5937/str2301008M.[ترکیبات با KNO3 75-80 وزنی، زغال چوب 5-15 وزنی، گوگرد 5-10 درصد وزنی، و رزین فنل فرمالدئید 5 درصد وزنی حداقل الزامات برای ترکیبات تاخیری تولید گاز را برآورده می کند.]

ژنگ، اف.، رن، زی، و همکاران. "توضیح رفتارهای واکنش در مقیاس چندگانه پیرولیز رزین فنلی از طریق شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی TG-FTIR و ReaxFF."مجله تجزیه و تحلیل حرارتی و کاربردی، 2021, 157: 105222.[مشخصات TG-FTIR تجزیه در اثر حرارت رزین فنلی تحت جو بی اثر. رفتار تخریب چند مرحله ای دمای شروع تخریب خاص باید از منحنی های TG اصلی خوانده شود.]

Gardziella، A.، Pilato، L.A.، Knop، A.رزین های فنولیک: شیمی، کاربردها، استانداردسازی، ایمنی و اکولوژی. ویرایش دوم کاملاً اصلاح شده برلین: اسپرینگر، 2000.[مرجع برای فنل آزاد و شاخص های کنترل فرمالدئید آزاد، استانداردسازی پایداری حرارتی، و تمایز اتمسفر بی اثر در مقابل اکسید کننده برای رزین های فنلی.]

آژانس استاندارد سازی ناتوSTANAG 4556: مواد منفجره - تست پایداری خلاء. بروکسل: ناتو، 1999 (با اصلاح).[روش‌های تست پایداری خلاء استاندارد؛ شرایط معرف: 0.2-5.0 گرم نمونه در 100 درجه سانتیگراد (یا 120 درجه سانتیگراد) به مدت 40 ساعت گرم می شود.]

سازمان ملل متحدراهنمای آزمون ها و معیارها، ویرایش هفتم اصلاح شده. نیویورک و ژنو: سازمان ملل متحد، 2019.[تست 3(c): تست پایداری حرارتی در دمای 75 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت. توجه: این یک تست متمایز از تست پایداری خلاء در STANAG 4556 است و باید جداگانه ذکر شود.]

Kosanke، K.، Kosanke، B.، Kubota، N.، Sturman، B.، Jennings-White، C.، Shimizu، T.، و همکاران.شیمی پیروتکنیک. Whitewater, CO: Journal of Pyrotechnics, Inc., 2004.[مرجع شبکه آبگریز رزین فنلی و تأثیر آن بر یکپارچگی ساختاری و تکرارپذیری سرعت سوختن در محیط‌های مرطوب.]