Способ гидрофобизации перхлората аммония

Способ гидрофобизации перхлората аммония

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области физической химии: к способу получения гидрофобного дисперсного материала, а именно неорганических окислителей, применяемых при изготовлении смесевого твердого ракетного топлива и пиротехнических составов. Широко известен способ химической модификации различных дисперсных материалов органилхлорсиланами - мономерными кремнийорганическими соединениями: патенты США 3190776, 3551222, 4124418; патенты Англии 1161609, 1496553; патент РФ 2211207.

Недостатком способов, описанных в этих патентах, является то, что в результате реакции органилхлорсиланов с адсорбированной водой частицами дисперсного материала выделяется хлористый водород, что приводит к замедлению процесса химической модификации, загрязнению среды, коррозии оборудования и материалопроводов и увеличению кислотности получаемого продукта. В патенте РФ 2089499 описан способ получения гидрофобного дисперсного материала на основе диоксида кремния или оксида металла путем химической модификации различными хлорсиланами с предварительной активацией поверхности исходного материала карбонатами щелочных металлов. При этом образуется хлористый натрий или калий, загрязняющий основной продукт. В патенте РФ 2066297 излагается способ получения гидрофобной дисперсии таких материалов, как аэросил, перлит, графит, оксид металла, тальк, асбест, цемент, слюда путем механического перемешивания их с порошком гидроксида или карбоната натрия (калия или аммония) с дальнейшей химической модификацией на медных или латунных решетках. Недостаток: загрязнение исходных материалов хлористым натрием (калием), низкая температура разложения карбоната аммония (˜40°С). Для перхлората аммония недопустимо использование в качестве катализатора медных или латунных решеток в связи с повышением чувствительности его к механическим воздействиям (удару и трению).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является "Способ гидрофобизации перхлората аммония" (патент РФ №2211207), выбранный авторами в качестве прототипа.

Данный способ заключается в том, что обработка перхлората аммония метилтрихлорсиланом осуществляется в паровой фазе в две стадии: с подачей гидрофобизатора на первой стадии от 1 до 2,5 мас.% от массы перхлората аммония и на второй стадии от 0,9 до 4,5 г на 1 кг перхлората аммония.

Образование гидрофобного покрытия происходит за счет взаимодействия паров метилтрихлорсилана с влагой, адсорбированной на поверхности кристаллов перхлората аммония. В результате гидролиза выделяется хлористый водород - достаточно агрессивная среда. Количество выделяющегося хлористого водорода определяется расходом гидрофобизатора (метилтрихлорсилана) на двух стадиях обработки перхлората аммония.

Технической задачей является снижение расхода гидрофобизатора (метилтрихлорсилана) путем его дозирования из расчета создания мономолекулярного слоя покрытия на поверхности частиц и нейтрализации выделяющегося хлористого водорода за счет ввода бикарбоната аммония.

Техническая задача решена в способе гидрофобизации перхлората аммония, который включает обработку перхлората аммония гидрофобизатором - метилтрихлорсиланом в паровой фазе в две стадии. На первой стадии перхлорат аммония смешивают с бикарбонатом аммония в количестве от 0,09 до 0,35 мас.% от массы перхлората аммония, полученную смесь измельчают при одновременной подаче гидрофобизатора в количестве от 0,25 до 0,6 мас.% от массы перхлората аммония.

На второй стадии для получения мономолекулярного слоя покрытия полученную измельченную смесь усредняют и смешивают с бикарбонатом аммония в количестве от 0,092 до 0,27 мас.% от массы перхлората аммония и обрабатывают гидрофобизатором в количестве от 0,075 до 0,222 мас.% от массы перхлората аммония (это же содержание в граммах составляет от 0,6 г до 1,7 г на 1 кг перхлората аммония). Процесс гидрофобизации на второй стадии заканчивают при pH газообразных продуктов не менее 6.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - "Схема предлагаемого способа гидрофобизации перхлората аммония в производственных условиях";

1 - смеситель; 2 - бункер; 3 - шнековый питатель; 4 - помольные камеры; 5 - циклон; 6 - аппарат для гидрофобизации; 7, 8 - испаритель; 9, 10 - насос-дозатор; 11, 12 - бачок для гидрофобизатора;

фиг.2 - "Общий вид испарителя ротационного ИР-1М";

1 - привод для сообщения вращательного движения; 2 - водяная баня с нагревательным элементом; 3 - колба; 4 - крышка; 5 - сосуд для гидрофобизатора; 6 - блок управления; 7 - тумблер включения аппарата в сеть; 8 - тумблер включения привода; 9 - регулятор числа оборотов; 10 - регулятор температуры; 11 - тумблер включения нагревателя, водяной бани; 12 - кран; 13 - выход газообразных продуктов.

Реакция метилтрихлорсилана с водой, сорбированной на поверхности частиц перхлората аммония, - это быстро протекающий процесс гидролиза и конденсации с образованием кремнийорганической пленки, имеющей структурную формулу

Полное покрытие поверхности кристаллов (частиц) перхлората аммония мономолекулярным слоем с ориентированным расположением углеводородных радикалов (СН₃) от поверхности наружу будет соответствовать максимальной гидрофобности. Понятие о мономолекулярном слое является условным, так как сорбция и химическое связывание молекул метилтрихлорсилана происходят как на гидрофильных, так и на уже гидрофобных участках поверхности, и может образоваться плотная замкнутая оболочка - капсула вокруг частицы. Для получения монослоя кремнийорганической пленки на поверхности частиц перхлората аммония необходимо, чтобы последние были покрыты монослоем влаги. Принимая во внимание, что форма частиц перхлората аммония близка к сферической и исходя из размера молекулы воды ⊘=3 А, рассчитывается количество граммолей воды при ее монослое на поверхности частиц с учетом удельной поверхности (размер частиц) перхлората аммония. Затем производится расчет потребного количества гидрофобизатора - метилтрихлорсилана, выделяющегося хлористого водорода, нейтрализатора - бикарбоната аммония.

Реакции гидролиза (1) и поликонденсации (2) на основе метилтрихлорсилана приведены ниже:

Реакция нейтрализации хлористого водорода (3)

Учитывая, что влага перхлората аммония, поступающего на измельчение (первая стадия гидрофобизации), составляет от 0,01% - 0,04%, в таблице 1 приведены расчетные количества гидрофобизатора - метилтрихлорсилана, выделяющегося хлористого водорода, нейтрализатора - бикарбоната аммония.

Таблица 1
№п/п	Количество веществ, %
Влага(Н2O)	СН3SiCl3	HCl	NH4HCO3	NH4Cl
1	0,01	0,25	0,04	0,09	0,081
2	0,04	0,6	0,16	0,35	0,23

Расход веществ на второй стадии гидрофобизации перхлората аммония после его измельчения до требуемой удельной поверхности с учетом получения мономолекулярного слоя покрытия приведен в таблице 2.

Таблица 2
№п/п	Sуд., см2/г	Количество веществ, %	СН3SiCl3г/кг
Влага(Н2O)	HCl	NH4HCO3	NH4Cl	CH3SiCl3
1	2500	0,0105	0,0425	0,0918	0,0623	0,058	0,58
2	3000	0,013	0,0520	0,112	0,0762	0,071	0,71
3	4000	0,017	0,0695	0,150	0,102	0,095	0,95
4	5000	0,021	0,0878	0,189	0,129	0,120	1,20
5	6000	0,025	0,104	0,225	0,152	0,142	1,42
6	7000	0,030	0,122	0,263	0,179	0,166	1,66
7	7300	0,031	0,125	0,270	0,183	0,171	1,71

Процесс предлагаемого способа гидрофобизации перхлората аммония в производственных условиях представлен на схеме (фиг.1).

В смеситель (1) загружается порция перхлората аммония (М) и расчетное количество бикарбоната аммония (m₁), и производится перемешивание. Затем смесь через бункер (2) подается в питатель (3), настроенный на определенную производительность в зависимости от требуемой дисперсности. Из питателя смесь поступает на измельчение в помольные (последовательно установленные) камеры (4), одновременно подается осушенный воздух, которым из испарителя (7) увлекается гидрофобизатор - метилтрихлорсилан, подаваемый насосом-дозатором (9). Измельченный перхлорат аммония через циклон (5) выгружается в аппарат (6). В зависимости от потребного количества, с учетом емкости аппарата (6), производится второй, третий и т.д. цикл измельчения и гидрофобизации на первой стадии. Следует отметить, что при измельчении скорость частиц в разгонных трубах камер измельчения достигает более 200 м/с. Поэтому время контакта с метилтрихлорсиланом частиц перхлората аммония слишком мало и реакция гидролиза практически не происходит. Необходимость подачи метилтрихлорсилана на стадии измельчения позволяет исключить агломерацию частиц и налипание на ударные плиты помольных камер.

Таким образом, по сравнению с прототипом расход гидрофобизатора - метилтрихлорсилана на стадии измельчения с учетом его частичной конденсации снижается с (1÷2,5)% до (0,250÷0,60)%, т.е. в 4 раза. На второй стадии гидрофобизации после набора требуемого количества измельченного перхлората аммония в аппарат (6) загружается дисперсный бикарбонат аммония (m₂) с учетом удельной поверхности окислителя и влаги мономолекулярного слоя. Производится перемешивание при температуре 20-35°С, и затем подается насосом-дозатором метилтрихлорсилан в испаритель (8), из которого, за счет создания "глухого" вакуума, он поступает в аппарат (6), где осуществляется вторая стадия (основная) гидрофобизации при вращении аппарата с определением pH среды отходящих газообразных продуктов через каждые 30 минут. При pH, равном 6-6,5, аппарат останавливается, продувается воздухом, после чего производится выгрузка готового порошка.

Экспериментальная проверка проведена на образцах с использованием испарителя ротационного ИР-1М, общий вид которого показан на фиг.2.

Образцы готовились следующим образом: в колбу (3) загружалась навеска измельченного перхлората аммония в количестве 100 гр и бикарбонат аммония для нейтрализации выделяющегося хлористого водорода. Затем включался привод вращения (1) и проводилось смешение при 60 об/мин в течение 15-20 минут. Предварительно водяная баня нагревалась до температуры 60-62°С. В сосуд (5) наливался гидрофобизатор (метилтрихлорсилан) из расчета получения мономолекулярного слоя покрытия с учетом возможной его конденсации на участке от сосуда (5) до входа в привод (1). Затем осуществлялся нагрев сосуда до 65°С и открывался кран (12) для подачи метилтрихлорсилана в колбу (3) для гидрофобизации в течение не менее 15 минут. После чего на выходе (13) замерялось pH отходящих газообразных продуктов.

В таблице 3 приведены результаты анализа качества образцов, изготовленных предлагаемым способом.

Таблица 3
Характеристики образцов	образцы
1	2	3	4	5
Удельная поверхность, см2/г	2500	4000	5000	6000	7300
Состав образцов: перхлорат аммония, %	99,99	99,98	99,98	99,97	99,97
Количество воды в образцах, %	0,01	0,02	0,02	0,03	0,03
Количество метилтрихлорсилана, %	0,075	0,123	0,156	0,185	0,222
Количество бикарбоната аммония, %	0,092	0,150	0,190	0,225	0,270
pH газообразных продуктов	6,5	6,5	6,2	6,0	6,0
Способность к водооталкиванию, мин	125	140	130	122	160
Содержание перхлората аммония в продукте после гидрофобизации, %	99,75	99,70	99,64	99,68	99,6

Данные таблицы показывают, что основные показатели качества: способность к водооталкиванию и содержание основного вещества после гидрофобизации удовлетворяют установленным требованиям - соответственно не менее 120 минут и не менее 99,6%.

Возможность снижения расхода гидрофобизатора - метилтрихлорсилана на первой стадии - стадии измельчения подтверждена в производственных условиях при получении перхлората аммония с удельной поверхностью 6000-7000 см²/г и расходом гидрофобизатора в количестве 0,6% от порции в 170 кг, измельченной для дальнейшей гидрофобизации. Налипание частиц перхлората аммония на ударные плиты и материалопроводы не наблюдалось.

Способ гидрофобизации перхлората аммония, включающий обработку перхлората аммония гидрофобизатором - метилтрихлорсиланом в паровой фазе в две стадии, отличающийся тем, что на первой стадии перхлорат аммония смешивают с бикарбонатом аммония в количестве от 0,09 до 0,35 мас.% от массы перхлората аммония, а полученную смесь измельчают при одновременной подаче гидрофобизатора в количестве от 0,25 до 0,6 мас.% от массы перхлората аммония, на второй стадии полученную измельченную смесь усредняют и смешивают с бикарбонатом аммония в количестве от 0,092 до 0,27 мас.% от массы перхлората аммония и обрабатывают гидрофобизатором в количестве от 0,075 до 0,222 мас.% от массы перхлората аммония, процесс гидрофобизации на второй стадии заканчивают при pH газообразных продуктов не менее 6.