научная статья по теме ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕКСАФТОРБУТАДИЕНА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕКСАФТОРБУТАДИЕНА»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 12, с. 42-44

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 541.126

ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕКСАФТОРБУТАДИЕНА © 2014 г. К. Я. Трошин, А. А. Борисов*

Институт химической физики Российской академии наук им. Н.Н. Семенова, Москва Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва *Е-таП: borisov@chph.ras.ru Поступила в редакцию 18.04.2014

Экспериментально определены предел распространения пламени разложения гексафторбутадиена (ГФБ) по давлению и минимальная энергия зажигания. Исследована возможность перехода пламени разложения ГФБ из газовой фазы в жидкую. Показано, что жидкая фаза ГФБ недетонационно-способна.

Ключевые слова: гексафторбутадиен, разложение, пламя, взрывоопасность.

Б01: 10.7868/80207401X14120127

ВВЕДЕНИЕ

Гексафторбутадиен (ГФБ) — соединение, которое используется в промышленности при плазмо-химическом травлении печатных микроэлектронных схем и как сшивающий агент при синтезе фторированных морозо-, термо- и хемостойких полимеров. Как непредельное соединение, содержащее фтор, гексафторбутадиен при его разложении образует в основном тетрафторметан и углерод. При этом выделяется значительное количество энергии, т.е. потенциально С4Р6 взрывоопасен. В связи с его промышленным применением возникает необходимость охарактеризовать степень его взрывоопасности, чтобы определить условия его безопасного хранения и транспортировки. В настоящей работе экспериментально определены предельные давления, при которых пламя разложения может распространяться в газообразном ГФБ, минимальные энергии зажигания, возможность перехода горения из газовой фазы в жидкую, а также выяснено, способна ли жидкая фаза ГФБ детонировать.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

При нормальных условиях ГФБ — газ, давление пара при 21°С равно 1.76 атм. Его температура кипения при нормальном давлении равна 6— 7°С. Количество энергии, выделяющееся при разложении ГФБ, приблизительно в 1.5 раза больше, чем при разложении тетрафторэтилена. При этом количество газа, выделяющегося при разложении ГФБ также в 1.5 раза больше. Следовательно, взрывное разложение ГФБ, если оно произойдет, существенно более опасно, чем взрыв такого по-

дробно исследованного мономера, как тетрафтор-этилен. В связи с этим в данной работе проведены эксперименты, аналогичные по постановке опытам с тетрафторэтиленом [1].

Экспериментальная установка схематически представлена на рис. 1. Опыты проводили в вертикальной трубе из нержавеющей стали внутренним диаметром 70 мм и высотой 300 мм с толщиной стенок 14 мм. Стенки реактора нагревались электрической печью, их температура измерялась термометром и поддерживалась постоянной в течение опыта. Разложение ГФБ инициировалось разрядом электрической емкости в 16 мкФ через нихромовую проволочку толщиной 0.1 мм общей длины 37 мм. Как и в [1], энергия зажигания определялась по напряжению на емкости, т.е. была несколько выше, чем энергия, реально введенная в исследуемый ГФБ. Воспламенение и распространение пламени регистрировались датчиком давления ЛХ-508, установленным на верхнем фланце реактора. Сигналы регистрировались на компьютере через АЦП Ь-1250 с временем оцифровки 0.167 мс и длительностью регистрации до 5 с. Конечное давление после взрыва измерялось также обычным механическим манометром. Для заполнения реактора в опытах при повышенных давлениях баллон с ГФБ помещался в водяную баню, нагретую до 80°С. Опыты проводились как с чисто газовой фазой, так и с газообразным ГФБ в присутствии его жидкой фазы. После каждого опыта реактор продувался азотом, открывался, очищался от сажи и промывался спиртом.

Возможность детонации жидкой фазы ГФБ исследовалась в стальной трубе длиной 305 мм и внутренним диаметром 25 мм с толщиной стенок

ВЗРЫВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕКСАФТОРБУТАДИЕНА

43

Р, атм 100 г

80

60 Ь

40

20 Ь

1000

3000

t, мс

5000

Рис. 1. Зависимость давления от времени при взрыве ГФБ в реакторе, содержащем газовую и жидкую фазы: начальные давление и температура — 6 атм и 60°С, энергия источника зажигания — 11.7 Дж, масса ГФБ — 100 г.

Р, атм 50 г

40 Ь

30

20 Ь

10 Ь

1000

3000

5000

t, мс

Рис. 2. Зависимость давления от времени при взрыве ГФБ в реакторе, содержащем газовую и жидкую фазу: начальные давление и температура — 2.5 атм и 30°С, энергия источника зажигания — 11 Дж, масса ГФБ — 54 г.

0

0

3.5 мм. На нижней части трубы закреплялась мембрана из медной фольги толщиной 0.05 мм. Для заполнения трубы ГФБ она помещалась в сосуд Дьюара с жидким азотом. Гексафторбутадиен, поступал в нижнюю часть трубы из баллончика, находящегося при комнатной температуре, через трубку малого диаметра. После заполнения труба вынималась из сосуда Дьюара и устанавливалась на толстую свинцовую пластину. Для возбуждения детонации в верхнюю часть трубы погружали навеску прессованного гексогена, снаряженную электродетонатором и помещенную в полиэтиленовый пакетик. Масса навески составляла 7.5 г. Навеска погружалась в жидкий ГФБ на глубину около 3 см, общая высота столба жидкого ГФБ составляла 28 см. После помещения инициатора в трубу ее верхний торец закрывался толстой свинцовой пластиной.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Энергия зажигания газообразного ГФБ

Опыты проводили в реакторе, нагретом до 60°С, при давлении ГФБ 6 атм. Энергия источника зажигания была равна 2, 4, 5.2, 5.85 и 6.5 Дж. Воспламенение наблюдалось только при энергии источника 5.85 и 6.5 Дж. Для выяснения влияния давления на энергию зажигания проведены эксперименты при различных температурах реактора: 1.75 атм (19°С ), 3.5 атм (40°С ) и 2.5 атм (30°С).

Энергия источника в этих опытах была постоянной и равной 11.6 Дж. При давлении 1.75 атм зарегистрированное повышение давления показывает, что только небольшая часть ГФБ (около 2%) сгорает вблизи взрывающейся проволочки, т.е. пламя не распространяется. Повышение начального давления до 3.5 атм привело к полноценному сгоранию ГФБ с максимальным давлением взрыва (около 40 атм), практически совпадающим с рассчитанным по термодинамической программе. При давлении 2.5 атм воспламенение также наблюдалось, однако снижение энергии источника до 6.5 Дж привело к практически полному отсутствию признаков разложения ГФБ. Таким образом, по-видимому, можно считать, что газообразный ГФБ при давлении около 2 атм взрывобез-опасен.

Возможность перехода горения ГФБ из газовой фазы в жидкую

Опыт проведен при давлении 6 атм и температуре 60°С в реакторе, на дне которого было 100 г жидкого ГФБ. Зажигание газовой фазы разрядом батареи конденсаторов с энергией 11.7 Дж привело к ее полному сгоранию, однако при этом жидкая фаза не зажглась. Об этом свидетельствует запись давления, представленная на рис. 1, и давление в реакторе, измеренное манометром после охлаждения продуктов. Как видно из рисунка, давление быстро, за 0.6 с, возрастает до значения, соответствующего сгоранию только газовой фазы

44

ТРОШИН, БОРИСОВ

(около 80 атм). Последующий быстрый спад давления связан с охлаждением продуктов. Этот спад затем компенсируется испарением ГФБ, которое медленно повышает давление до 88 атм. Конечное давление в охлажденном газе, включающее давление насыщенных паров ГФБ (6 атм) и давление СБ4 (9 атм), точно соответствует измеренному манометром. Если жидкая фаза сгорела бы полностью, это давление должно было возрасти до 27 атм.

Опыт, проведенный при 30°С (начальное давление — 2.5 атм), показал аналогичную картину (рис. 2). Таким образом, при выбранных начальных условиях горение из газовой фазы не переходит в жидкую фазу.

Возможность детонации жидкой фазы

После подрыва заряда ВВ в трубе, заполненной жидким ГФБ, в камере не было обнаружено следов сажи — основного продукта реакции разложения. Труба вблизи заряда была разрушена на крупные осколки, медная фольга на противоположном конце трубы не была повреждена, на свинцовой пластине не было никакого отпечатка. Все это свидетельствует о том, что взрыв заряда не вызвал детонацию жидкого ГФБ, но привел к разрушению части трубы как под действием продуктов детонации ВВ, так и ударной волны в жидкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты опытов показывают, что взрывчатые свойства ГФБ несколько отличаются от таковых для тетрафторэтилена, хотя и близки к ним. Как и следовало ожидать, максимальное повышение давления при взрыве ГФБ существенно выше (приблизительно в 1.5 раза). Скорость горения ГФБ (обратное время нарастания давления при взрыве в замкнутом объеме) приблизительно на 15% выше. Минимальная энергия зажигания ГФБ ниже; например, при давлении 2.5 атм разряд с энергией источника в 11 Дж зажигает ГФБ, но не зажигает ТФЭ. Что касается возможности перехода горения из газовой фазы в жидкую, который наблюдался в ТФЭ, необходимо дополнительное исследование в более широком диапазоне условий, чтобы обнаружить его в ГФБ. Таким образом, можно сделать вывод, что ГФБ более взрывоопасен, чем ТФЭ, хотя и незначительно. Оба мономера практически недетонационноспо-собны в жидкой фазе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бирюлин В.С., Борисов А.А., Маилков А.Е., Трошин К.Я., Хомик С.В. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 3. С. 35.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком