Пиротехнический состав для образования гигроскопического аэрозоля

Изобретение относится к области активного воздействия на гидрометеорологические процессы, в частности для рассеивания тумана и облаков посредством генерирования адсорбирующего аэрозоля при горении пиротехнического заряда, включающего соли галогенов кислородсодержащих кислот. Пиротехнический состав включает, мас.%: перйодат калия 55-65, порошок алюминиево-магниевого сплава 5-15, йодид калия 10-20, фенолформальдегидная смола 12-18. Технический результат: повышение эффективности пиротехнического состава за счет кратного увеличения удельного объема генерирования аэрозоля с более крупными конденсированными частицами, которые являются продуктивными центрами конденсации атмосферной влаги, что приводит к их быстрому водонасыщению. 1 табл.

 

Изобретение относится к области активного воздействия на гидрометео-рологические процессы, в частности для рассеивания тумана и облаков посредством генерирования адсорбирующего аэрозоля при горении пиротехнического заряда, включающего соли галогенов кислородсодержащих кислот.

Уровень данной области техники характеризуют пиротехнические составы, предназначенные для воздействия на переохлажденные облака и туман (ниже -5°С), которые содержат окислитель, горючее, льдообразующий реагент и технологические добавки, при горении которых генерируется аэрозоль на основе йодида серебра или йодида свинца, активно формирующие центры льдообразования (патенты США №3677841, С06В 15/02; Англии №1110768, С10G 5/00; Франции №1460540, A01G 15/00; России №2175185, А 0115/00, С06 В 29/00).

В качестве окислителя в указанных составах применяют перхлораты и нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, а также аммония.

В качестве технологических добавок, обеспечивающих технологичность изготовления и переработки пиротехнических составов, используются различные масла, графит, аэросил, окись титана, окись железа и другие химические вещества.

Недостатком указанных пиротехнических составов является температурный порог применения реагентов, составляющий температуру кристаллизации -4°С, -6°С, и их неэффективность для теплых (выше 0°С) облаков и туманов, где, как правило, перечисленные составы нейтральны.

Для этой цели используют пиротехнический состав по патенту RU №2090549, С06D 3/00, A01G 15/00, включающий, мас.%: 10-18 карбамида, 35-55 нитрата щелочного металла, 27-53 порошка магниевого сплава.

Введение в состав карбамида продиктовано необходимостью снижения температуры горения термической основы для увеличения выхода аэрозоля.

Разложение при пиролизе участвующего в горении состава карбамида не образует вредных веществ, поэтому целевое применение этого пиросостава является экологически безвредным.

Основным недостатком описанного универсального (от -30 до +22°С) пиротехнического состава по использованию для рассеивания туманов и облаков является низкий выход целевых продуктов в виде аэрозоля.

В качестве наиболее близкого аналога предложенному составу по назначению и числу совпадающих признаков выбран описанный в патенте US №3630950, A01G 15/00, 1971 г., который содержит (мас.%): 29 нитрат калия (кислородосодержащий окислитель), 35 порошок алюминия или магния в качестве металлического горючего, 21 галогенид - поваренную соль и 15 органическое связующее - парафин для прессования зарядов.

Этот состав характеризуется повышенным выходом целевых веществ, в результате чего сгорание заряда массой 200 г состава достаточно, чтобы вызвать диссипацию тумана и облаков объемом 0,5 км³, которые в течение 5 мин рассеиваются.

Недостатком известного пиротехнического состава является малый выход целевых веществ в волне горения (максимальный выход центров конденсации составляет 5,45 моль на 1 кг состава), что определяет неудовлетворительную эффективность действия по назначению и большой расход зарядов для рассеяния в заданном районе тумана и облаков.

Это, в частности, объясняется тем, что в продуктах сгорания образуются только хлориды калия и натрия, которые к тому же засоляют почву территории активных действий.

Мелкодисперсный порошок металлического горючего способствует увеличению коагулирующих способностей генерируемого при горении пиротехнического состава аэрозоля, который активно адсорбирует водный туман.

Порошок алюминия в качестве металлического горючего в термической основе состава является доступным на рынке и относительно дешевым, при стабильном горении обеспечивает достаточно высокую температуру и хорошую дисперсность аэрозоля. Недостатком является сложность инициирования воспламенения из-за окисной пленки на поверхности частиц порошка.

Использование порошка магния обеспечивает высокую химическую активность взаимодействия с компонентами смеси при комнатной температуре, что требует обязательных мер безопасности при переработке. По этой причине в состав введен парафин, который наносится на частички порошка магния перед смешиванием с нитратом калия, чтобы предотвратить взрыв, особенно при сушке смеси.

Мелкие частицы генерируемого аэрозоля неэффективны для использования в качестве центров конденсации атмосферной влаги из-за относительно продолжительного времени насыщения.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности действия по назначению функционального пиротехнического состава, более технологичного при изготовлении смешиванием компонентов.

Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический состав для образования гигроскопического аэрозоля, включающий кислородсодержащий окислитель, металлическое горючее, галогенид и органическое горючее связующее, согласно изобретению, содержит в качестве окислителя перйодат калия, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава, в качестве галогенида - йодид калия и фенолформальдегидную смолу в качестве органического горючего связующего, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

перйодат калия	55-65
порошок алюминиево-магниевого сплава	5-15
йодид калия	10-20
фенолформальдегидная смола	12-18.

Отличительные признаки обеспечивают повышение эффективности основного действия по назначению за счет кратного увеличения удельного объема генерирования аэрозоля с более крупными конденсированными частицами, которые являются продуктивными центрами конденсации атмосферной влаги, что приводит к их водонасыщению вдвое быстрее, чем в прототипе.

Введение в функциональный пиротехнический состав в качестве кислородосодержащего окислителя перйодата калия (KIO₄) направлено на получение в результате термодеструкции йодида калия (KI), который возгоняется с формированием аэрозольных частиц более эффективного действия, как высоко гигроскопичное вещество, активно адсорбирующее влагу тумана и облаков.

При содержании в составе перйодата калия больше 65 мас.%, при сопутствующем избытке кислорода, резко снижается выход KI - продуцента функционального аэрозоля.

При содержании в составе перйодата калия меньше 55 мас.% снижается скорость и температура химических реакций горения, что приведет к замедлению выхода йодида калия и, следовательно, диссипации.

Использование в качестве металлического горючего порошка алюминиево-магниевого сплава (ПАМ) позволило нейтрализовать негативные свойства унитарных порошков алюминия и магния при сохранении их положительных качеств как компонента термической основы пиротехнического состава.

При содержании в составе ПАМ менее 5 мас.% скорость горения недостаточна для эффективного воздействия на облака и туман.

При содержании в составе ПАМ более 15 мас.% резко возрастает температура горения, при которой большая часть генерируемого йодида калия не возгоняется, а термически разлагается, в результате чего значительно снижается выход функционального аэрозоля.

Йодид калия в качестве продуцента гигроскопичного вещества по определению лучше, чем поваренная соль (NaCl) в структуре состава по прототипу, при этом исключается засоление почвы в районе применения.

Выбор фенолформальдегидной смолы (промышленной марки СФ-0112А) в качестве органического горючего связующего определен тем, что при ее термодеструкции образуются частицы сажи, которые служат дополнительными центрами конденсации, что повышает эффективность предложенного пиротехнического состава.

Содержание в составе фенолформальдегидной смолы больше 20 мас.% является балластным, так как не приводит к росту скорости рассеяния тумана и облаков, потому что уменьшается масса термической основы и генерируемых при горении состава аэрозольных частиц.

При содержании в пиротехническом составе фенолформальдегидной смолы меньше 10 мас.% резко падает скорость его горения и уменьшается выход функциональных веществ аэрозоля.

Предложенная пиротехническая композиция приготавливается на действующем оборудовании пиротехнического производства простым смешиванием навесок компонентов и является взрывобезопасной при переработке и в служебном обращении.

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

Количественное соотношение выбранных компонентов предложенного пиротехнического состава было оптимизировано расчетами по математической модели планирования эксперимента и подтверждено испытаниями опытных образцов зарядов, в которых содержание компонентов варьировалось в пределах заявленных количественных диапазонов, на их границах и за границами этих диапазонов.

Достигнутые результаты сравнительных с прототипом испытаний составов по изобретению и параметры генерируемых при их горении гигроскопичных аэрозолей ниже приведены в таблице.

Таблица
Компонент состава	Значение параметра
прототип	изобретение
температура горения, °С	2050	1400
количество целевых продуктов сгорания, моль/кг	5,45	6,85
скорость горения при атмосферном горении, мм/с	3,12	2,80
относительное содержание ядер конденсации, %	23	67
счетная концентрация в 1 см3:
- до 1 мкм (мелкие)	более 100	5
- до 10 мкм (крупные)	0,02	0,12
эффективный диаметр частиц аэрозоля, мкм	1-2	3-5
выход ядер конденсации с 1 г состава	4×1011	1,5×1012

Из таблицы следует, что более активные гигроскопичные центры по предложенному техническому решению количеством в шесть раз больше (крупных), чем по прототипу, которые при этом быстрее и вчетверо большем относительном количественном выходе при горении состава обеспечивают скорейшее формирование дождевых капель и, соответственно, рассеивание тумана и облаков.

Уменьшение скорости горения предложенного пиротехнического состава, сравнительно с прототипом, обеспечивает более длительное выделение активных центров конденсации атмосферной влаги и равномерность их распределения в зоне воздействия в течение всего времени горения заряда.

При этом время рассеяния обработанных облаков и тумана сокращается до трех минут.

100 г предложенного пиротехнического состава обеспечивает обработку облака объемом 1 км³, против 0,5 км³ по прототипу, за время в 2-3 раза более короткое.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности практического серийного изготовления состава, генерирующего гигроскопический аэрозоль по действующей в отрасли технологии, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Достигнутые значительно более высокие показатели назначения предложенного целевого функционального состава сопоставимой стоимости позволяют рекомендовать его для промышленного изготовления новых технических средств активного воздействия на теплые облака и туман с целью их рассеяния и вызывания осадков.

Пиротехнический состав для образования гигроскопического аэрозоля, включающий кислородсодержащий окислитель, металлическое горючее, галогенид и органическое горючее связующее, отличающийся тем, что он содержит в качестве окислителя перйодат калия, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава, в качестве галогенида - йодид калия, а в качестве органического горючего связующего - фенолформальдегидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

перйодат калия	55-65
порошок алюминиево-магниевого сплава	5-15
йодид калия	10-20
фенолформальдегидная смола	12-18