Пиротехнический аэрозолеобразующий состав и способ его изготовления

Группа изобретений относится к пиротехнике. Пиротехнический аэрозолеобразующий состав для образования дымовой маскирующей завесы содержит окислитель в форме водного раствора нитрата аммония, порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм в качестве металлического горючего и порошок фосфора красного с размером частиц 30-80 мкм, флегматизированный водным раствором двухлористого олова. Предложен также способ изготовления пиротехнического аэрозолеобразующего состава для образования дымовой маскирующей завесы. Готовят водный раствор двухлористого олова при соотношении воды и двухлористого олова 1:(7-13), флегматизируют порошок фосфора красного путем перемешивания его с водным раствором двухлористого олова, фильтрации полученной суспензии и сушки. После чего готовят водный раствор нитрата аммония, смешивают водный раствор нитрата аммония при его охлаждении до комнатной температуры с флегматизированным порошком фосфора красного. Затем добавляют порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм и перемешивают. Изобретение направлено на повышение безопасности производства аэрозолеобразующего состава, а также повышение эффективности аэрозоля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Предложенная группа изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, относится к средствам для образования дымовых завес, а более конкретно к составу, содержащему элементарный или технический красный фосфор, неорганическую соль и порошковый сплав металлов, и способу изготовления дымообразующего состава.

Использование красного фосфора в пиротехнических дымообразующих составах обусловлено рядом технологических трудностей, главными из которых являются высокая чувствительность составов к механическим воздействиям и необходимость применения в связи с этим специальных мер для обеспечения безопасности при их переработке и снаряжении приготовленными составами изделий.

Известен способ изготовления пиротехнических составов, содержащий смешивание компонентов с жидкой технологической добавкой, провялку, грануляцию и сушку (см., А.А.ШИДЛОВСКИЙ «Основы пиротехники», М., с.300-307).

Смешивание состава проводят в лопастном смесителе до получения однородной массы в течение 20-30 минут.

Провялку смеси для предварительного удаления растворителя осуществляют непосредственно в смесителе с открытыми люками при подаче в чашу смесителя на завершающей стадии нагретого до 70°С воздуха.

Грануляцию состава осуществляют после провялки протиранием через металлическую сетку с размерами ячеек 0,9-1,8 мм.

Сушку гранулированного состава производят сразу же после грануляции и осуществляют путем выдержки состава в течение 2-24 часов при температуре 30-80°C.

Обработанный связующим красный фосфор флегматизируется, что повышает его технологичность за счет снижения чувствительности к механическим воздействиям, а выполнение его гранулированным повышает безопасность в служебном обращении.

Однако недостатком описанного способа является длительность сушки, которая заметно увеличивает технологический цикл и трудоемкость процесса приготовления состава.

Кроме того, необходимость ворошения состава для гранулирования фосфора красного, которое проводится в изолированном помещении вручную, создает разрыв потока и, главное, определяет повышенную опасность технологии изготовления пиротехнических составов на основе фосфора красного.

Уровень данной области техники характеризует пиротехнический аэрозолеобразующий состав, описанный в патенте РФ 2083539, C06D 3/00, C06B 39/06, 21/00, 1997 г., включающий в оптимизированном массовом соотношении фосфор красный, нитрат щелочного металла, металлическое горючее и полисульфидное связующее.

Особенностью этого состава является использование фосфора красного с размером частиц 100-1000 мкм, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава с удельной поверхностью не менее 1000 с²/г, в качестве нитрата щелочного металла - натрий азотнокислый с удельной поверхностью не менее 400 см²/г, в качестве полисульфидного связующего тиокол и дополнительно эпоксидной смолы в качестве связующего.

При этом дополнительно вводят в гранулируемый состав отверждающие добавки марганца (IV) окиси и гексаметилентетрамина, дифенилгуанидин для ускорения полимеризации и технологическую добавку двуокиси кремния с удельной поверхностью не менее 300 м²/г (аэросил), повышающую сыпучесть композиции.

При взаимодействии компонентов термической смеси выделяется большое количество тепла, затрачиваемого на возгонку фосфора, основного аэрозолеобразующего компонента, что повышает эффективность формируемой маскирующей завесы.

Особенностью способа изготовления этого гранулированного пиротехнического состава является то, что не используется легколетучий растворитель, в результате чего обеспечивается безопасность при смешивании компонентов и сушке продукта, проводимой без ворошения.

Способ изготовления заключается в том, что в смесителе предварительно приготавливают связующее из тиокола и эпоксидной смолы, куда затем добавляют фосфор красный и перемешивают, после чего добавляют порошок алюминиево-магниевого сплава, который равномерно распределяют в объеме смеси.

Далее загружают натрий азотнокислый, марганца (IV) окись, уротропин и аэросил и перемешивают.

Затем добавляют раствор дифенилгуанидина в ацетоне, приготовленный непосредственно перед загрузкой в смеситель.

Состав с равномерно перемешанными компонентами выгружают на лотки слоем 2-3 см и провяливают, после чего гранулируют на сите и сушат до содержания влаги и летучих не более 0,4 мас.%.

Однако недостатками для серийного производства высокоэффективного по выходу дыма состава являются его многокомпонентность и технологическая трудность промышленной реализации в заданных пределах узких диапазонов содержания каждого компонента, влияющего на функционирование состава по назначению.

Отмеченные недостатки устранены в составе для получения маскирующего дыма по патенту США 3650856, нац. кл. 149-19, C06D 3/00, 1974 г., который выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному аэрозолеобразующему составу.

Известный состав включает (мас.%): 31-47 фосфора красного, 18-32 нитрата щелочного металла, 4-5 магния (металлическое горючее) и 25-35 полисульфидного связующего.

Основным недостатком известного состава, в массе которого 1/3-1/4 занимает технологическое связующее, является низкая маскирующая способность из-за ограниченного содержания основного аэрозолеобразующего компонента - фосфора красного и низкой температуры горения в конденсированной фазе (700°С), которая определяется положительным кислородным балансом термической пары «нитрат щелочного металла - металлическое горючее».

Технической задачей, на решение которой направлена настоящая группа изобретений, является усовершенствование пиротехнического аэрозолеобразующего состава, изготавливаемого по безопасной водной технологии, который при горении формирует плотную маскирующую дымовую завесу.

Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический аэрозолеобразующий состав для образования дымовой маскирующей завесы, содержащий фосфор красный, окислитель и металлическое горючее, согласно изобретению, содержит порошок фосфора красного с размером частиц 30-80 мкм, флегматизированный водным раствором двухлористого олова, окислитель в форме водного раствора нитрата аммония, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

фосфор красный	54-68
нитрат аммония	15-30
порошок алюминиево-магниевого сплава	6-15
двухлористое олово	0,7-1,3
вода	4-6

Предложенный состав дополнительно содержит натрий сернокислый в количестве 3-5 мас.% сверх 100%.

Особенностью предложенного способа изготовления пиротехнического аэрозолеобразующего состава для образования дымовой маскирующей завесы, включающего смешивание компонентов, является то, что готовят водный раствор двухлористого олова при соотношении воды и двухлористого олова 1:(7-13), флегматизируют порошок фосфора красного путем перемешивания его с водным раствором двухлористого олова, фильтрации полученной суспензии и сушки, готовят водный раствор нитрата аммония при температуре 70-80°С и соотношении нитрат аммония/вода=(5-6):1, смешивают водный раствор нитрата аммония при его охлаждении до комнатной температуры с флегматизированным порошком фосфора красного, затем добавляют порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм и перемешивают.

Для связывания свободной воды в кристаллогидрат в водный раствор нитрата аммония дополнительно вводят натрий сернокислый.

Отличительные признаки обеспечили повышение эффективности основного действия пиротехнического аэрозолеобразующего состава, водная технология изготовления которого является практически безопасной в серийном производстве.

Дополнительным техническим преимуществом, обеспеченным группой взаимосвязанных изобретений, является то, что приготовленную в общем смесителе композицию порционно выгружают непосредственно в снаряжаемые изделия, исключив провяливание, промежуточную выгрузку на лотки, гранулирование и сушку, что заметно сократило технологический цикл, упростив способ безопасного изготовления пиротехнического состава, при горении которого генерируется аэрозоль с повышенным содержанием дисперсной фазы, характеризующийся высокой маскирующей способностью.,

Обработка порошка фосфора красного водным раствором двухлористого олова, масса которого составляет 1,3-1,9 мас.% от массы фосфора, осуществляемая совместным перемешиванием, обеспечивает формирование на частичках фосфора пленочного покрытия, выполняющего антипирогенные функции и являющегося технологическим флегматизатором при дальнейшей переработке без защитной атмосферы.

При содержании в пиротехническом составе фосфора красного в количестве менее 54 мас.% не обеспечивается заданная эффективность аэрозолеобразования.

При содержании в пиротехническом составе фосфора красного в количестве более 68 мас.% наблюдается неполное использование целевого компонента по назначению, когда фосфор является балластом.

При содержании в пиротехническом составе нитрата аммония более 30 мас.% снижаются удельные показатели эффективности состава по аэрозолеобразованию.

При содержании в пиротехническом составе нитрата аммония менее 15 мас.% снижается динамика аэрозолеобразования, что снижает эффективность маскирующего действия состава.

Нитрат аммония вводят в форме водного раствора, что заметно снижает вязкость композиции в форме суспензии, облегчая ее безопасное равномерное перемешивание.

Размер кристаллов нитрата аммония на порядок больше, чем размер частиц компонентов состава, что затрудняет получение однородной смеси композиции при его применении в порошкообразной форме.

Нитрат аммония имеет высокую растворимость в воде при температуре 70-80°C в массовой доле, примерно в 5-6 раз превышающей содержание воды в растворе (см., например, Справочник азотчика, 2-е издание, М., Химия, 1987, с.146).

Использование при изготовлении предложенного пиротехнического состава водного раствора нитрата аммония обеспечило равномерность распределения окислителя на высокоразвитой поверхности частичек фосфора красного и при взаимодействии с активным металлическим горючим - повышение скорости горения состава в объеме, что сокращает время аэрозолеобразования и постановки маскирующей завесы.

Порошок алюминиево-магниевого сплава служит высокоэнергетическим металлическим горючим, часть которого окисляется технологической водой и образует элемент гидрореагирующего топлива, а совокупно с нитратом аммония обеспечивает его полное сгорание и максимальный выход аэрозоля.

Использование в качестве металлического горючего порошка алюминиево-магниевого сплава с размерами частиц в диапазоне 50-100 мкм, сопоставимыми с фракционностью фосфора красного, обеспечивает однородность смеси при механическом перемешивании.

При содержании в пиротехническом составе порошка алюминиево-магниевого сплава менее 6 мас.% не обеспечивается полнота возгонки фосфора красного, что влечет за собой снижение плотности дымовой завесы.

При содержании в пиротехническом составе порошка алюминиево-магниевого сплава более 15 мас.% резко увеличивается скорость горения состава, вследствие чего падает время аэрозолеобразования, то есть продолжительность постановки маскирующей завесы.

Экспериментально оптимизировано массовое соотношение компонентов флегматизирующего фосфор красный технологического раствора, составляющее: двухлористое олово/вода=1:(7-13), при котором обеспечивается равномерность покрытия частиц.

При содержании в составе двухлористого олова менее 0,7 мас %, что составляет относительно массы обрабатываемого фосфора красного в диапазоне 1,0-1,3%, не обеспечивается стабильность функциональных и технологических свойств аэрозолеобразователя из-за неполного покрытия его частичек флегматизирующей пленкой.

При содержании в составе двухлористого олова более 1,3 мас.% (1,9-2,4% относительно массы обрабатываемого фосфора красного) качественного улучшения аэрозолеобразователя не происходит, а избыток флегматизатора является балластным.

Содержание в предложенном составе воды более 6 мас.% приводит к экссудации воды в композиции при переработке состава и его хранении, что ухудшает структуру прессуемого из состава заряда, функционирующего нестабильно.

При содержании в пиротехническом составе воды менее 4 мас.% не обеспечивается требуемая условиями технологической безопасности флегматизация состава.

В серийном производстве, когда единовременно приготавливается большая масса состава, с целью исключения возможной экссудации воды из массы композиции, которую выгружают в снаряжаемые изделия без сушки, в состав сверх 100% дополнительно вводят натрий сернокислый в количестве 3-5 мас.%. При этом свободная вода связывается за счет образования кристаллогидрата общей формулы

Na₂SO₄×nН₂О, где n<10.

При введении в состав (сверх 100 мас.%) натрия сернокислого менее 3 мас.% свободная вода не свяжется полностью и может произойти экссудация воды в процессе снаряжения и эксплуатации изделий.

Содержание в составе (сверх 100 мас.%) натрия сернокислого более 5 мас.% является балластным и снижает эффективность аэрозолеобразования.

Приготовление смеси в жидковязком состоянии (до образования кристаллогидратов) улучшает технологичность, позволяя порционно выгружать ее без сушки непосредственно в снаряжаемые изделия, что заметно сокращает производственный цикл и снижает трудоемкость.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Предложенный пиротехнический аэрозолеобразующий состав изготавливается в следующей последовательности операций новой технологии по изобретению.

Предварительно готовят флегматизированный фосфор красный в атмосфере азота. В лопастной смеситель загружают навеску двухлористого олова (ТУ-09-5393-88) в количестве 1,0-2,4% от массы обрабатываемого фосфора красного и заливают водой в массовом соотношении (7-13): 1 и перемешивают до полного растворения.

Затем в смеситель загружают порошок фосфора красного (ГОСТ 8655) с размерами частиц 30-80 мкм и перемешивают в течение 10-15 минут при нормальной температуре.

Полученную суспензию флегматизированного фосфора красного фильтруют на подложке при нормальной температуре, после чего осадок сушат в шкафу при температуре 85-90°С в течение 5 часов.

Высушенный продукт расфасовывают для хранения и использования при изготовлении пиротехнического аэрозолеобразующего состава по водной технологии настоящего изобретения, без дополнительных мер безопасности.

Для приготовления состава по изобретению в лопастной смеситель загружают навеску нитрата аммония (ТУ 22867-97) и заливают воду в массовом соотношении соответственно (5-6):1, в количестве, необходимом для массы готового продукта. Перемешивание проводят до полного растворения нитрата аммония.

В случае необходимости, преимущественно для относительно большой массы состава в серийном производстве дымовых боеприпасов, в приготовленный водный раствор нитрата аммония добавляют натрий сернокислый (ГОСТ 4166-76) в количестве 3-5 мас.% сверх 100% массы изготавливаемого состава.

Затем в смеситель порционно загружают мерную дозу порошка флегматизированного фосфора красного и перемешивают до получения однородной суспензии в течение 5 минут. При этом раствор нитрата аммония охлаждается до комнатной температуры.

Далее добавляют навеску порошка алюминиево-магниевого сплава марки ПАМ-4, магний которого при нормальной температуре практически не взаимодействует с водой приготовленной суспензии.

Перемешивание композиции проводят в течение 5-7 минут до равномерного распределения компонентов в смеси.

Изготовленный пиротехнический аэрозолеобразующий состав дозированно выгружают в снаряжаемые изделия.

Предложенный состав, в зависимости от способа инициирования, может функционировать в дымокурящем режиме, а также и в режиме мгновенного действия, что расширяет область его использования по назначению.

Испытания опытной партии изделий, снаряженных составом, изготовленным при ручном перемешивании компонентов массой 2,5 кг, подтвердили повышение эффективности аэрозолеобразования и маскирующей способности формируемой дымовой завесы.

Предложенный порядок и режимы технологических операций обеспечили получение необходимого продукта по безопасной водной технологии с укороченным циклом, что целесообразно для применения в серийном производстве.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники показал, что группа изобретений не известна специалисту по пиротехнике, а с учетом возможности серийного изготовления на действующем оборудовании пиротехнического аэрозолеобразующего состава, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

1. Пиротехнический аэрозолеобразующий состав для образования дымовой маскирующей завесы, содержащий фосфор красный, окислитель и металлическое горючее, отличающийся тем, что он содержит порошок фосфора красного с размером частиц 30-80 мкм, флегматизированный водным раствором двухлористого олова, окислитель в форме водного раствора нитрата аммония, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

фосфор красный	54-68
нитрат аммония	15-30
порошок алюминиево-магниевого сплава	6-15
двухлористое олово	0,7-1,3
вода	4-6

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит натрий серно-кислый в количестве 3-5 мас.% сверх 100%.

3. Способ изготовления пиротехнического аэрозолеобразующего состава для образования дымовой маскирующей завесы, включающий смешивание компонентов, отличающийся тем, что готовят водный раствор двухлористого олова при соотношении воды и двухлористого олова 1:(7-13), флегматизируют порошок фосфора красного путем перемешивания его с водным раствором двухлористого олова, фильтрации полученной суспензии и сушки, готовят водный раствор нитрата аммония при температуре 70-80°С и соотношении нитрат аммония/вода=(5-6):1, смешивают водный раствор нитрата аммония при его охлаждении до комнатной температуры с флегматизированным порошком фосфора красного, затем добавляют порошок алюминиево-магниевого сплава с размером частиц 50-100 мкм и перемешивают.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в водный раствор нитрата аммония дополнительно вводят натрий серно-кислый для связывания свободной воды в кристаллогидрат.