Caracterização cinética de uma pólvora envelhecida aceleradamente

Abstract

Os materiais energéticos são compostos bastante reativos, que são largamente usados em aplicações civis e militares. Estes apresentam como um dos seus principais componentes uma matriz polimérica energética que é uma mistura química complexa, altamente instável e facilmente degradável devido a fatores ambientais (ex. temperatura, humidade, oxigénio) ao longo do seu tempo de vida. Na presente Dissertação de mestrado, vão ser estudados Propergóis baseados em Ésteres de Nitrato, que pertencem à principal classe de material energético, para determinar o impacto da temperatura ao longo ao longo do seu tempo de vida nas suas propriedades térmicas, apesar de também se fazer uma breve caracterização ao nível físico e químico. Neste estudo, amostras de pólvoras vão ser sujeitas a ensaios de castigo térmico, de modo a recriar o seu estado para um armazenamento correspondente a 10 anos para uma isotérmica de 25°C. Os critérios a servir de base neste estudo, são as normas NATO (STANAG 4582, AOP-48 e STANAG 4515). Seguidamente, análises térmicas como a DSC e TG serão realizadas com taxas de aquecimento de 3, 5 e 7.5°C/min, para amostras de massa até 2 mg, e aplicação dos modelos matemáticos de Kissinger e Ozawa para obter os parâmetros cinéticos do propergol: a Energia de Ativação e o Fator Pré-Exponencial. Os mesmos testes foram realizados para as pólvoras no seu estado atual, isto é, sem castigo térmico. Nas análises realizadas, foi evidenciado que com o envelhecimento a pólvora ficava mais instável, resultando em temperaturas de início de combustão mais baixas e picos exotérmicos superiores, ou seja, há maiores quantidades de energia libertada. Aas taxas de aquecimento mais baixas resultam numa diminuição da temperatura do pico exotérmico e aumento de perda de massa. Por fim, no que toca aos parâmetros cinéticos, a Energia de Ativação e Fator Pré-Exponencial diminuem com o envelhecimento.

Energetic materials are very reactive compounds, which are widely used in civil and military applications. One of their main components is an energetic polymeric matrix that is a chemical mixture, highly unstable and easily degradable due to environmental factors (e.g., temperature, humidity, oxygen) over its lifetime.In this master’s Thesis, Propellants based on Nitrate Esters, which belong to the main class of energetic material, will be studied to determine the impact of temperature over their lifetime on their thermal properties, although a brief characterization will also be made at the physical and chemical level. In this study, samples of gunpowder will be subjected to thermal punishment tests in order to recreate their state for storage corresponding to 10 years at an isothermal temperature of 25ºC. The criteria to be used as a basis for this study are the NATO standards (STANAG 4582, AOP-48, and STANAG 4515). Then, thermal analyses such as DSC and TG will be performed with heating rates of 3, 5, and 7.5ºC/min, for samples with mass up to 2 mg, and application of the Kissinger and Ozawa mathematical models to obtain the propellant kinetic parameters: the Activation Energy and the Pre-Exponential Factor. The tests were performed for the gun powders in their current state, that is, without thermal punishment. In the analyses performed, it was evident that with aging the gunpowder became more unstable, resulting in lower combustion onset temperatures and higher exothermic peaks, in other words, there are greater amounts of energy released. Lower heating rates in a decrease in exothermic peak temperature and increased mass loss. Finally, regarding the kinetic parameters, the Activation Energy and Pre-Exponential Factor decrease with aging.