Твердый пиротехнический газогенерирующий элемент

Изобретение относится к пиротехнике. Твердый пиротехнический газогенерирующий элемент (ГГЭ) выполнен из тетразолсодержащего полимера, пластифицированного диметилформамидом, в качестве связующего, бифункционального ароматического динитрилоксида в качестве отвердителя, азида щелочного металла, нитрата щелочного металла и хлорида щелочного металла. Изобретение позволяет снизить процент токсичных газообразных продуктов, увеличить газопроизводительность, понизить температуру отходящих газов до 400-600 К, снизить температуру отверждения ГГЭ до 60°С. 2 табл.

 

Изобретение относится к пиротехническим составам, в частности к пиротехническому газогенерирующему элементу (ГГЭ), способному к протеканию самоподдерживающейся реакции полной или частичной газификации. Последние используются для функционирования автономных средств спасения (понтоны, надувные трапы, прыжковые устройства), различные механические устройства (домкраты для поднятия плит, ножницы для резки арматуры и др.).

Пиротехнический ГГЭ представляет собой конденсированные энергоемкие системы, состоящие из горючего полимерного связующего, окислителя и специальных эксплуатационных и технологических добавок, предназначенных для формирования и регулирования технических и эксплуатационных характеристик.

Общими требованиями к пиротехническим ГГЭ являются:

- отсутствие либо минимальное содержание токсичных и взрывоопасных газов, твердых шлаков в продуктах их сгорания;

- большой объем генерируемого газа с рабочей температурой 300-600 К;

- удовлетворительный уровень механической прочности.

Известны безазидные пиротехнические составы, которые запатентованы. Так, в патенте [1] описывается газогенерирующий состав для вытеснения огнетушащих средств, содержащий фенолформальдегидную смолу резольного типа и нитрат калия. В авторском свидетельстве [2] описывается твердое газогенерирующее топливо, содержащее перхлорат калия, ацетилцеллюлозу, сажу, алюминий и пластификатор. Данные технические решения технологически реализуются следующим образом. В смесителе проводят пластификацию полимерной основы через предварительную стадию ее растворения в растворителе (как правило, ацетон), затем в полученное полимерное связующее загружают в определенной последовательности дисперсные наполнители, перемешивают, полученную технологическую массу формуют в изделие требуемых размеров и отверждают его при повышенных температурах 150-160°С. Завершающей стадией является распрессовка изделия из технологической формы.

Всему вышеописанному присущи недостатки. А именно:

- в качестве связующего используется фенолформальдегидная смола, которая относится ко второму классу опасности. При загрузке выделяются пары фенола, формальдегида, аммиака, пыль уротропина и смолы;

- в составе продуктов сгорания присутствует оксид углерода;

- температура отверждения наполненных систем с фенолформальдегидной смолой в качестве связующего находится в диапазоне 150…155°С;

- генерируют незначительный объем газообразных продуктов (360-600 л/кг);

- использование токсичного, легковоспламеняющегося ацетона в технологическом цикле;

- высокое содержание перхлоратов щелочных металлов;

- наличие твердой фазы в продуктах сгорания;

- высокая температура продуктов горения 1300-1450 К.

В качестве прототипа к предлагаемому техническому решению авторы выбрали пиротехническое топливо по [3], содержащее в своем составе, наряду с азидами и перхлоратами щелочных металлов в качестве связующего, производные тетразола или амид азомуравьиной кислоты и двуокись кремния, которая обеспечивает удаление окислов натрия из шлаков. Однако данное техническое решение обладает рядом недостатков. В частности, большое количество азида щелочного металла в составе топлива (47,5-54,8 вес.%) чрезвычайно опасно из-за высокой токсичности самих азидов и возможности выделения в процессе газификации взрывоопасной газообразной азотистоводородной кислоты. Кроме того, наличие аэрозольных частиц в продуктах сгорания (оксид и карбонат натрия) требует установки дорогостоящих фильтров для очистки газа, а также при термическом распаде входящих в состав перхлоратов металлов происходит выделение хлористого водорода, который является весьма токсичным веществом. Ко всему прочему, указанный прототип обладает неудовлетворительной газопроизводительностью (0,45 г/л) и не обеспечивает требуемый уровень прочностных характеристик готовых изделий.

Предлагаемое авторами техническое решение направлено на создание твердого пиротехнического газогенерирующего элемента, отличающегося отсутствием в продуктах сгорания токсичных компонентов и высоким уровнем прочностных характеристик.

Предлагаемый состав пиротехнического газогенерирующего элемента содержит в качестве горючего связующего пластифицированный диметилформамидом тетразолсодержащий полимер совместно с низкотемпературным динитрилоксидным отверждающим агентом. Нужно отметить, что данная система тетразолсодержащий полимер - низкотемпературный отвердитель впервые предложена для подобных составов. Выбор связующего был сделан неслучайно, так как тетразолсодержащие полимеры отличаются высокими энергетическими характеристиками, наряду с относительно низкой чувствительностью к удару, трению, относительно высокой термостабильностью при значительных энергоемкостях и содержании азота и большим газообразованием. Кроме того, в предлагаемом техническом решении азид щелочного металла частично заменен на нитрат щелочного металла и не содержит в своем составе перхлората металла. Варианты составов предлагаемого газогенерирующего элемента представлены в табл.1.

Вследствие существенного снижения содержания азида щелочного металла и использования нового связующего газогенерирующий элемент позволяет получить газообразные продукты сгорания, не содержащие в своем составе оксида углерода, а содержание взрывоопасного водорода составляет всего 1%. При этом выделяющийся объем газообразных продуктов по сравнению с прототипом практически в три раза больше и составляет 1,2 л/г, а его температура в два раза ниже, чем у прототипа, и составляет 600 К.

Таблица 1
Компоненты пиротехнического газогенерирующего элемента
Компоненты	Состав
	№1	№2	№3	№4
мас., %	мас., %	мас., %	мас., %
N-метилаллил-5-винилтетразол	14,8	15,8	16,8	18,8
N,N-диметилформамид	14,8	15,8	16,8	18,8
Азид натрия	32	30	28	24
Нитрат калия	18	18	18	18
Хлорид калия	20,4	20,4	20,4	20,4
Бифункциональный ароматический динитрилоксид (от массы полимера, пластифицированного диметилформамидом)	0,45	0,45	0,45	0,45

Использование предлагаемой системы полимер-отвердитель позволяет: во-первых, изготавливать элементы не в стеклообразном состоянии, а в вязкоупругом, что, в свою очередь, приводит к существенному повышению механической прочности изделия и их устойчивости к образованию трещин при транспортировке и эксплуатации (физико-механические характеристики пиротехнического ГГЭ определялись на машине ПИРС-9М в условиях статического растяжения и для каждого предлагаемого состава представлены в табл.2); во-вторых, избавиться от такого негативного фактора, как усадка изделия на завершающей стадии его изготовления - отверждения, что, в свою очередь, повышает целостность изделия и обеспечивает строгое соблюдение закона горения и стабильное газовыделение при эксплуатации пиротехнического ГГЭ; в-третьих, посредством использования низкотемпературного отверждающего агента снизить на 25-30% энергозатраты на проведение завершающей стадии технологического процесса изготовления пиротехнического ГГЭ - отверждения за счет снижения температуры отверждения по сравнению с существующим прототипом со 155°С до 50-60°С.

Таблица 2
Физико-механические характеристики предлагаемого ГГЭ
Наименование характеристик	Требуемый уровень	Состав
№1	№2	№3	№4
σu, МПа	≥0,2	0,7	1,12	1,31	2,7
ξc, %	3-5	3,5	4,5	6,0	7,0
Е2%, МПа	≥10	17,1	25,7	15,6	13,1

где σ_u - разрушающее напряжение на разрыв, МПа;

ξ_с - предельная относительная деформация, %;

Е_2% - модуль упругости, МПа.

Еще одной отличительной особенностью предлагаемого технического решения является исключение из технологического цикла изготовления пиротехнического ГГЭ стадии предварительного связующего в токсичном пожаровзрывоопасном ацетоне и его дальнейшего удаления из состава. Последнее существенно повышает безопасность изготовления ГГЭ и частично упрощает технологический процесс.

Предлагаемое техническое решение осуществляется в следующем порядке.

Масса газогенерирующего элемента, изготавливаемого в лабораторных условиях, составила 50 г. Первая стадия изготовления заключалась в предварительной подготовке компонентов, конкретно в приготовлении полимерного связующего и подготовке дисперсных компонентов. Приготовление полимерного связующего проводили путем непосредственного смешения полимера и пластификатора. Для этого навеску полимера взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,0001 грамма. В фарфоровой ступке полимер смешивали с предварительно взвешенным диметилформамидом в соотношении, указанном в табл.1. Смешение проводили до полного растворения полимера и получения гомогенного раствора без видимых включений. Дисперсные материалы на стадии подготовки подвергали измельчению (перетиру), сушке при температуре 60°С и рассеву для выбора нужной фракции. Следующая стадия изготовления пиротехнического ГГЭ заключалась в приготовлении технологической массы. Для этого в полимерное связующее последовательно вводили дисперсные компоненты в соответствии с табл.1. Время смешения определяли визуально по равномерности распределения сыпучих компонентов в объеме полимерного связующего. После получения однородной массы ее подвергали вакуумированию в течение 20 минут при остаточном давлении 100 кПа для удаления летучих веществ. Далее технологическую массу заливали в пресс-форму для придания готовому изделию требуемой формы и геометрических размеров. Так, для определения физико-механических характеристик образцы изготавливались в виде двухсторонних лопаток, а для определения характеристик горения образцы изготавливались в виде цилиндров, диаметр и высота которых равна была 20 мм. В последнем случае образцы в форме подпрессовывались давлением 12,5 кгс/см² в течение 60 секунд. Затем пресс-формы с технологической массой помещались в воздушный термостат ТС-80М-2 для отверждения массы при температуре 60°С в течение 24 часов. По истечении времени отверждения проводили завершающую стадию распрессовки - извлечение готовых образцов из пресс-форм. Полученные образцы испытывались по стандартным методикам: физико-механические характеристики определялись на машине ПИРС-9М, а характеристики горения газогенерирующих элементов определялись посредством сжигания образцов в приборе постоянного давления в атмосфере азота.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в средствах аварийного спасения, в различных пневматических и газовых системах и механических устройствах, функциональность которых основывается на работе газов избыточного давления, в системах быстрого наполнения и развертывания эластичных надувных оболочек и заградительных устройств.

Источники информации

1. Патент SU №1445739 А1, 23.12.1988.

2. Авторское свидетельство SU №520028, 30.06.1976.

3. Авторское свидетельство SU №559638, 25.05.1977.

Твердый пиротехнический газогенерирующий элемент (ГТЭ), отличающийся тем, что он выполнен из тетразолсодержащего полимера, пластифицированного диметилформамидом в качестве связующего, бифункционального ароматического динитрилоксида в качестве отвердителя, азида щелочного металла, нитрата щелочного металла и хлорида щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:

тетразолсодержащий полимер	14,8-18,8
диметилформамид	14,8-18,8
азид щелочного металла	32-24
нитрат щелочного металла	18
хлорид щелочного металла	20,4
бифункциональный ароматический
динитрилоксид (от массы
тетразолсодержащего полимера,
пластифицированного диметилформамидом)	0,45