Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем



Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем
Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем
Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем
Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем

 


Владельцы патента RU 2449977:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)

Изобретение относится к окислителям твердотопливных энергетических конденсированных систем на основе двойного окислителя перхлорат - нитрат аммония. Способ заключается в смешении безводных солей нитрата аммония и перхлората аммония в виде кристаллов фракции менее 50 мкм при соотношении компонентов в смеси НА:ПХА=0,9-0,1:0,1-0,9 в термостойком сосуде и нагреве до 185°С в течение 20-30 минут, после чего температуру поднимают до 200-250°С и термостатируют смесь в течение 8-12 часов. Разработанный способ позволяет безопасно получать термически стабильный экологически чистый окислитель, содержащий нитрат аммония и не менее 10% перхлората аммония с улучшенными физико-химическими свойствами: фазостабильный, термически стабильный, обладающий более высокими энергетическими характеристиками. 3 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к области энергетических конденсированных систем (ЭКС). Окислитель, полученный по данному способу, может быть использован в твердотопливных составах газогенерирующих устройств нового поколения, например, в автомобильных подушках безопасности, твердотопливных огнетушителях, спасательных шлюпках, ракетных топливах и др.

Известен способ получения окислителя энергетических конденсированных систем, заключающийся в смешении перхлората аммония NH4ClO4 (ПХА) и нитрата аммония NH4NO3 (НА) с модифицирующими добавками (катализаторами термического разложения, фазовыми стабилизаторами и др.). (1. Gas-generating compositions. Пат. 6846373 США, МПК 7 C06B 31/28. NOF Corp., Takayama Shinsuke, Serizawa Kazuya, Takahashi Katsuhiko. N 10/027136; Заявл. 26.12.2001; Опубл. 25.01.2005; Приор. 27.12.2000, N 2000-397718 (Япония).

2. De Luca L.Т., Galfetti L., Severini F., Taiariol P., Babuk V.A., Kondrikov B.N., Vorozhtsov А.В., Klyakin G. Ballistic properties of solid rocket propellants based on dual-oxidizer (ammonium perchlorate and ammonium nitrate) mixtures // Progress in Combustion and Detonation: Proceedings of the International Conference on Combustion and Detonation (Zel'dovich Memorial), Moscow, Aug.30-Sept.3, 2004: Abstracts of Papers. Moscow: TORUS PRESS. 2004, с.151-152.

3. Баллистические свойства твердых ракетных топлив, основанных на смесях двух окислителей - перхлорат аммония - нитрат аммония Yoshida Saeko, Kohga Makoto (National Defense Academy, 1-10-20 Hashirimizu, Yokosuka, Kanagawa 239-8686, Japan) Sci. and Technol. Energ. Mater. 2006. 67, N 4, с.117-123.)

Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, который обеспечивается нашим изобретением, является неравномерное распределение компонентов, входящих в состав окислителя, в объеме горючего-связующего.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату и принятому за прототип является изобретение «Окислители с улучшенной термической стабильностью и метод их изготовления» (патент США №3708357, зарег. 21.04.1971 г., опубл. 02.01.1973 г. Morrow; Scott I. (Morris Plains, NJ) Oxidizers With Improved Thermal Stability And Method Of Making Same The United States of America as represented by the Secretary of the Army), заключающийся в смешивании НА и ПХА и нагревании этой смеси до температуры не выше 185°C. Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, который обеспечивает наше изобретение, является то, что согласно прототипу «…смесь компонентов, нагретая до вышеназванной температуры, будет плавиться без окисления, т.е. ПХА будет растворяться в образующейся жидкости (расплаве НА)». Исследования, проведенные нами и авторами (Посыпайко В.И., Алексеева Е.А., Васина Л.А. Диаграммы плавкости солевых систем. / Справочник, ч.III. - М.: Металлургия, 1979. - С.125; Трунин А.С., Макаров А.Ф., Юлина И.В., Зипаев Д.В. Физико-химические исследования систем на основе перхлората натрия и аммония. // Изв. Томского политехн. ун-та, 2007. - Т.310. №1), показывают, что ПХА может растворяться в плаве НА в количестве не более 8% с образованием эвтектики, а большее количество не растворяется в расплаве НА, а образует механическую смесь. Содержание НА в смеси до 8% не позволяет получить ожидаемого технического результата: фазовой стабильности до 50°C (замена полиморфного перехода IY-III на переход IY-II*), термической стабильности (температура начала интенсивного разложения системы повышается на 20°С), экзотермическим разложением в одну стадию, ростом энергетических характеристик системы (площадь экзотермического пика увеличивается более чем в 1,5 раза), отсутствием фазового превращения ПХА.

Ссылка авторов на возможность использовать другие методы для получения «совместных кристаллов НА и ПХА» неправомочна, так как из водных растворов в данной системе кристаллизуются только механические смеси исходных компонентов (Карнаухов А.С., Ганина Г.И., Заворуева Г.Н., Васильева С.И. Характеристика жидких и твердых фаз системы NH4NO3-NH4ClO4-H2O при 25°C. // Сб. научн. тр. Ярославского гос. пед. ин-т. - 1978. - №169. - С.20-22; Карнаухов А.С. Водная взаимная система из хлорнокислых и азотнокислых солей аммония и калия при 25°C. // Ж. неорг. химии. - 1957. - Т.2, вып.4. - С.915-927).

Основная задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке безопасного способа получения дешевого и экологически чистого окислителя ЭКС, представляющего собой совместные кристаллы перхлората и нитрата аммония с новыми физико-химическими свойствами.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в следующем: при сохранении основных преимуществ системы НА - ПХА, разработать безопасный способ получения совместных кристаллов НА и ПХА, представляющих собой устойчивую равновесную фазу с содержанием ПХА от 10-90% и обладающих новыми физико-химическими свойствами: фазовой стабильностью до 50°C (замена полиморфного перехода IY-III на переход IY-II*), термической стабильностью (температура начала интенсивного разложения системы повышается на 20°С), экзотермическим разложением в одну стадию, ростом энергетических характеристик системы (площадь экзотермического пика увеличивается более чем в 1,5 раза), отсутствием фазового превращения ПХА. Технический результат, достигаемый в результате описанного способа, обеспечивается проведением твердофазного процесса между кристаллами НА и ПХА в процессе длительного нагрева системы.

Поставленная задача решается разработкой способа проведением твердофазной реакции между кристаллами НА и ПХА:

способ получения окислителя энергетических конденсированных систем, включающий смешение безводных солей - НА и ПХА в соотношении НА:ПХА=0,9-0,1:0,1-0,9 в термостойком сосуде, нагреве смеси при интенсивном перемешивании до 185°C, причем для смешения берут фракцию кристаллов менее 50 мкм, а нагрев до температуры 185°C осуществляется в течение 20-30 мин, затем температуру поднимают до 200-250°C и образовавшуюся смесь термостатируют в течение 8-12 часов в стационарных условиях.

Контроль процесса осуществляют по дифференциально-термическому (ЛТА) и рентгено-фазовому анализам (РФА).

Авторами впервые установлено, что совокупность вышеназванных технологических операций позволяет решить техническую задачу за счет образования в результате термостатирования совместных кристаллов НА и ПХА в виде устойчивой системы, обладающей новыми физико-химическими свойствами. Особенность проведения данного процесса состоит в том, что нагреву подвергаются лабильные соли, причем температура нагрева близка к температуре разложения системы. Ингибирование термораспада системы в процессе нагрева обеспечивает наличие ионов NH4+ образующихся в процессе диссоциации НА.

Сущность изобретения поясняется примерами его реализации.

Пример 1 (прототип)

Процесс осуществлен по патенту США №3708357. НА марки «чда» в количестве 9 г и ПХА марки «хч» в количестве 1 г после смешения загружают в термостойкий стеклянный сосуд с регулируемым нагревом и смесь нагревают до 185°C (расплавляют до полного растворения твердой фазы). После завершения процесса смесь охлаждают, измельчают, при необходимости фракционируют и исследуют методом ДТА. Результаты представлены на рисунке 1.

Пример 2 (50:50) (механическая смесь-аналог)

НА марки «чда» в количестве 1 г и ПХА марки «хч» в количестве 1 г после смешения и механического истирания в фарфоровой ступке исследуют методом дифференциально-термического анализа (рис.1).

Пример 3 (50:50)

НА марки «чда» в количестве 1 г и ПХА в количестве 1 г после смешения загружают в стеклянный сосуд с регулируемым нагревом и при температуре 185°C нагревают в течение 20-30 мин, постоянно перемешивая систему стеклянной мешалкой. После завершения процесса смесь охлаждают, измельчают, при необходимости фракционируют и исследуют методом дифференциально-термического анализа (рис.1).

Пример 4 (50:50) (предлагаемый способ)

Процесс ведут по примеру 3, но со следующими отличиями: после нагрева системы до 185°C в течение 20-30 мин при интенсивном перемешивании температуру поднимают до 200-250°C и выдерживают при этой температуре в стационарных условиях в течение 8 ч. Полученный образец исследуют методом ДТА (рис.1).

Образец, полученный по предлагаемому способу (пример 4) имеет набор термоэффектов, отличающихся от механической смеси исходных компонентов и от образцов, полученных по примеру 2 и 3 (рисунок 1). В образце отсутствует полиморфный переход IY-III НА, а имеется переход IY-II* при температуре 56°C (что увеличивает фазовую стабильность смеси). Кроме этого, появляется новый термоэффект при 130°C (инконгруэнтное плавление двойной соли), а также отсутствует полиморфный переход ПХА при 240°C (из орторомбической модификации в кубическую). Экзоэффект термораспада системы превышает по площади таковой для примеров 2 и 3 в 1,5 раза и происходит в 1 стадию (что подтверждено дериватографическими исследованиями).

Основной проблемой при проведении данного процесса получения совместных кристаллов является безопасность, так как оба соединения лабильны, причем НА начинает разлагаться при температуре 220°C. Действительно, в процессе нагрева системы при температуре 200-250°C наблюдается потеря массы образца (рисунок 2), которая зависит от времени термостатирования. При нагреве системы до 1 ч потеря массы не превышает 1-2%, что можно отнести к потере влаги (адсорбционной и внутрикристаллической). Дальнейшее термостатирование приводит к росту потери массы образца до 3-5%, что можно отнести к возгонке ПХА. При термостатировании образцов более 8 ч начинается более активное разложение, что может привести к автокаталитическому распаду системы, поэтому оптимальным временем проведения твердофазного процесса является 8 ч. Удачное соотношение двух лабильных солей и предварительный нагрев системы до температуры 185°C позволяет провести твердофазный процесс при температурах 200-2 50°C без разложения системы за счет аммиака, который ингибирует термораспад аммониевых солей.

Плотность образца состава 50:50 1,76 г/см3, что близко к плотности ПХА высокотемпературной (кубической) модификации, что является подтверждением предположения об образовании в системе сложной композиции.

Основным достоинством разработанного способа является безопасность проведения твердофазного процесса, так как НА - лабильное соединение, диссоциирующее на аммиак и азотную кислоту уже при температуре более 160°C.

На рисунке 3 представлены штрихрентгенограммы образцов, подтверждающие индивидуальность соединения, полученного после 8 ч нагрева при температуре 200-250°C.

Способ получения окислителя энергетических конденсированных систем, включающий смешение безводных солей - нитрата аммония (НА) и перхлората аммония (ПХА) в термостойком сосуде, нагрев до 185°С, отличающийся тем, что смешивают кристаллы фракции менее 50 мкм, соотношение компонентов в смеси НА:ПХА=0,9-0,1:0,1-0,9, а нагрев осуществляется в течение 20-30 мин, после чего температуру поднимают до 200-250°С и термостатируют смесь в течение 8-12 ч.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к средствам для образования аэрозоля, а более конкретно к пиротехническим составам, горение которых происходит в пульсирующем режиме, с периодическими вспышками цветного пламени, создающими эффект мерцания, и предназначенных для изготовления сигнальных и фейерверочных изделий.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке термопластичного твердотопливного состава, используемого для интенсификации и добычи нефти, а также в качестве источника энергии твердотопливных ракетных двигателей.
Изобретение относится к области газогенерирующих составов и может быть использовано в различных системах пожаротушения на основе газогенераторов, автономных системах подъема затонувших объектов, подушках безопасности автомобилей, системах интенсификации добычи нефти, для получения селективных газов.

Изобретение относится к способам получения термопластичных взрывчатых составов, которые благодаря своим свойствам могут быть использованы при производстве зарядов разнообразной геометрической формы методами, используемыми для обработки термопластичных материалов.

Изобретение относится к области пиротехники, в частности медленной генерации газа, применяемой при тушении возгораний в зданиях и транспортных средствах, генерации газа в приводах или для надувания или деформирования надувных средств.
Изобретение относится к области создания смесевых твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в температурном диапазоне от 60 до минус 70°С и применяемых в различных ракетных системах.
Изобретение относится к низкотемпературным твердотопливным газогенерирующим составам на основе нитрата аммония, предназначенным для газогенераторов, используемых в средствах пожаротушения, в устройствах надува различных оболочек и для механизмов, работающих под действием сжатых газов.

Изобретение относится к области газогенерирующей техники, в частности к высокоэнергетическим твердотопливным газогенерирующим составам, и может быть использовано в различных системах пожаротушения на основе газогенераторов, автономных системах подъема затонувших объектов, подушках безопасности автомобилей, системах интенсификации добычи нефти.
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к бронесоставу для покрытия заряда твердого ракетного топлива. .
Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к способу изготовления высоконаполненного твердого ракетного топлива баллиститного типа. .
Изобретение относится к области технологии промышленных взрывчатых веществ (ПВВ), применяемых в горных видах взрывных работ на открытой поверхности и в подземных выработках.
Изобретение относится к области взрывных работ в горной промышленности на земной поверхности с ручным и механизированным заряжанием скважин любой степени обводненности, а именно взрывчатым веществам по крепким, средним, слабым породам и углю.

Изобретение относится к промышленным взрывчатым веществам. .

Изобретение относится к технологии получения пористой гранулированной аммиачной селитры для приготовления взрывчатых веществ. .
Изобретение относится к безопасным способам изготовления неводоустойчивых гранулированных промышленных взрывчатых веществ. .
Изобретение относится к безопасным способам изготовления в процессе пневматического заряжания неводоустойчивых гранулированных промышленных взрывчатых веществ.
Изобретение относится к безопасным водоустойчивым смесевым эмульсионным промышленным взрывчатым веществам. .

Изобретение относится к безопасным способам механизированного изготовления неводоустойчивых смесевых гранулированных промышленных взрывчатых веществ (ВВ). .

Изобретение относится к эмульсионным взрывчатым веществам (ЭВВ). .
Изобретение относится к области создания смесевых твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в температурном диапазоне от 60 до минус 70°С и применяемых в различных ракетных системах.
Наверх