Пиротехнический замедлительный состав
Владельцы патента RU 2532572:
Открытое акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Научно-исследовательский институт прикладной химии" (RU)
Изобретение относится к пиротехническим термическим составам, содержащим неорганические соли кислородсодержащих кислот, и может быть использовано в качестве воспламенительного средства исполнительных элементов конструкций с временной задержкой горения заряда. Пиротехнический замедлительный состав включает, мас.%: окислитель в виде смеси бария хромовокислого (58-90) и калия хлорнокислого (8-30), а в качестве горючего - фенолформальдегидную смолу (2-12), которая предпочтительно используется в виде раствора в ацетоне, спирте или их смеси. Решение обеспечивает высокую чувствительность состава к инициирующему импульсу, низкую скорость горения и формирование при горении объемно-пористого шлакового остатка, газопроницаемого для продуктов горения, которые дополнительно фильтруются для полного дожигания внутри устройства в течение заданного промежутка времени. При этом обеспечено стабильное горение зарядов диаметром, сопоставимым с критическим диаметром горения (3-6 мм), а также стабильное функционирование по назначению в широком температурном диапазоне, что расширяет область использования замедлительного состава для надежной передачи огневого импульса на исполнительный элемент. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к термическим составам, содержащим неорганические соли кислородсодержащих кислот, не являющихся взрывчатыми, и может быть использовано в качестве воспламенительного средства исполнительных элементов конструкций через временную задержку горения заряда.
Уровень данной области техники характеризуют пиротехнические замедлительные составы, содержащие окислитель в виде смеси бария хромовокислого и калия хлорнокислого, горючее и замедлитель горения, описанные в патентах RU №2225385 и US №4963204, которые содержат перечисленные компоненты в следующем соотношении (мас.%) соответственно:
| 2225385 - | барий хромовокислый | 25-70 |
| калий хлорнокислый | 6-25 | |
| дисульфид молибдена | 0,5-8 (горючее) | |
| фторопласт | 0,5-5 (замедлитель горения) | |
| 4963204 - | барий хромовокислый | 62 |
| калий хлорнокислый | 10 | |
| вольфрам | 20 (горючее) | |
| гексахлорсиликат бария | 4 (замедлитель горения) | |
| нитроцеллюлоза | 2, связующее | |
| технологическая добавка | 2 |
Эти составы характеризуются низкой чувствительностью к механическим воздействиям, то есть технологичны в приготовлении и переработке в заряды, которые стабильно горят с малым газовыделением.
Недостатками описанных замедлительных составов являются соответственно: разброс времени задержки (30-40%) при высокой зависимости от температуры в диапазоне ±60°C и высокая скорость горения (1,5-2,5 мм/с) зарядов малых диаметров, что ограничивает область их использования.
В качестве наиболее близкого предложенному пиротехническому замедлительному составу, по числу совпадающих признаков, выбран состав, описанный в патенте US №2457860, нац. кл. 149-40, 1949 г., который содержит окислитель в виде смеси бария хромовокислого и калия хлорнокислого и металлическое горючее в виде смеси порошков циркония (легко воспламеняющегося горючего) и никеля (основного горючего).
Перечисленные компоненты содержатся в известном пиротехническом замедлительном составе в следующем соотношении, мас.%:
| барий хромовокислый | 42-75 |
| калий хлорнокислый | 7-22 |
| цирконий | 5-3 |
| никель | 31-15 |
Характерные примеры выполнения известного замедлительного состава сведены в таблицу.
| состав | компоненты | |||
| BaCrO4 | KClO4 | Zr | Ni | |
| 1 | 42 | 22 | 5 | 31 |
| 2 | 63 | 12 | 5 | 20 |
| 3 | 75 | 7 | 3 | 15 |
Известный пиротехнический состав за счет варьирования содержанием и соотношением порошков циркония и никеля обеспечивает возможность регулирования времени горения прессованных зарядов в широких пределах, при этом он хорошо воспламеняется и стабильно горит.
Недостатком известного пиротехнического замедлительного состава является высокая чувствительность к механическим воздействиям, а также низкая технологичность: из-за отсутствия связующего происходит пыление при смешивании компонентов и низкая степень уплотнения при прессовании зарядов.
При этом заряды в объеме недостаточно однородны, что определяет большой разброс времени горения и задержки по передаче импульса тепловой энергии, неустойчивость горения зарядов малого диаметра, соизмеримого с критическим диаметром горения (3-6 мм).
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение показателей назначения и улучшение технологичности состава.
Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический замедлительный состав, включающий горючее и окислитель в виде смеси бария хромовокислого и калия хлорнокислого, согласно изобретению содержит в качестве горючего фенолформальдегидную смолу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| барий хромовокислый | 58-90 |
| калий хлорнокислый | 8-30 |
| фенолформальдегидная смола | 2-12 |
Другой особенностью предложенного состава является то, что фенолформальдегидная смола предпочтительно используется в виде раствора в ацетоне, спирте или их смеси.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили формирование при горении состава с кратно сниженной скоростью объемно-пористого шлакового остатка, газопроницаемого для продуктов горения, которые дополнительно фильтруются для полного дожигания внутри устройства в течение заданного промежутка времени.
При этом обеспечено стабильное горение зарядов диаметром, сопоставимым с критическим диаметром горения (3-6 мм), что расширяет область использования замедлительного состава для надежной передачи огневого импульса на исполнительный элемент.
Количественное соотношение компонентов состава было оптимизировано по математической модели планирования эксперимента и проверено огневыми испытаниями опытных образцов зарядов, при содержании компонентов внутри расчетных диапазонов, на их границах и за пределами заявленных диапазонов содержания в составе.
Компоненты, используемые в предложенном составе, хорошо известны и широко применяются в разных рецептурах пиротехнических составов различного назначения, однако пиротехнических смесей в предложенном качественном составе и количественном содержании не выявлено из доступных патентных источников.
Барий хромовокислый при горении состава разлагается с образованием газопроницаемых шлаков, которые служат в качестве фильтра для генерируемых газообразных продуктов горения пиротехнического состава, практически полностью дожигаемых внутри замедлительного устройства, содержащего заряд из этого состава, чем обеспечивается высокий тепловой импульс, передаваемый через заданное время задержки на исполнительный элемент.
При содержании в пиротехническом составе бария хромовокислого меньше 58 мас.% резко повышается газообразование и нарушается пористость шлаков, в результате чего ухудшается фильтрование продуктов горения, которые включают не полностью сгоревшие фрагменты.
При содержании в пиротехническом составе бария хромовокислого больше 90 мас.% резко ухудшается воспламеняемость зарядов, нестабильное горение которых характеризуется большим разбросом временной задержки по передаче теплового импульса.
Калий хлорнокислый является легкоразлагающимся окислителем и обеспечивает хорошую воспламеняемость состава при малых диаметрах зарядов в широком диапазоне эксплуатационных температур.
При содержании в пиротехническом составе калия хлорнокислого меньше 8 мас.% ухудшается воспламеняемость состава и возникает большая зависимость времени горения от температуры эксплуатации, особенно на отрицательных значениях окружающей среды.
При содержании в пиротехническом составе калия хлорнокислого больше 30 мас.% снижается несущая прочность шлакового каркаса и его пористость, что изменяет расчетную газопроницаемость фильтра.
Таким образом, за счет сочетания бария хромовокислого и калия хлорнокислого достигнуты оптимальное соотношение пористости и структуры шлаков, с одной стороны, и высокая чувствительность состава к инициирующему импульсу, с другой стороны, а также стабильное функционирование замедлительного пиротехнического состава по назначению в широком температурном диапазоне.
До настоящего изобретения в качестве горючего в пиротехнических замедлительных составах не использовали фенолформальдегидную смолу по причине образования газообразных продуктов при ее разложении и горении, что приводило к большим разбросам времени из-за сопутствующей повышенной зависимости скорости горения от давления.
Однако, в многообразных практических конструкциях изделий, где газовыделение при горении замедлительного состава не влияет на их функционирование (например, с проточным газовым потоком), использование предложенного газовыделяющего состава вполне приемлемо.
Использование фенолформальдегидной смолы в качестве горючего, из-за ее невысокой температуры разложения, повышает воспламеняемость состава, а низкая теплопроводность (в отличие от теплопроводности металлического горючего) снижает зависимость времени горения состава от температуры. При этом газообразные продукты, образующиеся при разложении фенолформальдегидной смолы, практически полностью дожигаются внутри замедлительного устройства, несущего этот заряд, повышая тепловыделение при горении состава.
Использование в качестве горючего фенолформальдегидной смолы, являющегося связующим, обеспечивает равномерное распределение компонентов в объеме состава, чем стабилизируется горение заряда в различных условиях эксплуатации и при этом достигаются малые разбросы времени задержки.
Фенолформальдегидную смолу предпочтительно использовать в виде раствора в ацетоне, спирте или их смеси, что улучшает технологичность приготовления состава, исключая пыление при смешивании компонентов, и обеспечивает высокую степень уплотнения зарядов, которые характеризуются большой механической прочностью.
При содержании в пиротехническом составе фенолформальдегидной смолы меньше 2 мас.% связующего явно недостаточно для обволакивания поверхности смешиваемых частиц, которые не связываются между собой, что приводит к неравномерности распределения компонентов в объеме смеси и определяет разброс рабочих параметров на уровне прототипа. Кроме того, при малом содержании фенолформальдегидной смолы горение состава нестабильно, особенно при малых диаметрах запрессовок зарядов и отрицательных температурах их эксплуатации.
При содержании в пиротехническом составе фенолформальдегидной смолы больше 12 мас.% горение сопровождается большим газовыделением, нарушающим целостность шлакового остатка. Кроме того, резко увеличивается время сушки состава для удаления растворителя, что сильно ухудшает технологию изготовления зарядов.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Предложенный пиротехнический состав приготавливают по действующей в отрасли технологии смешиванием порошковых компонентов в смесителе, в который загружают мерное количество бария хромовокислого 75±2 мас.% и калия хлорнокислого 17±2 мас.%, а затем перемешивают в течение 10-15 минут.
Далее в смеситель добавляют предварительно приготовленный раствор фенолформальдегидной смолы (8±2 мас.%) в ацетоне, спирте или их смеси и перемешивают 5-20 минут до получения равномерного распределения компонентов в объеме смеси, из которой прессуют заряды диаметром 3-6 мм.
Достижение требуемого технического результата иллюстрируется данными сопоставительных испытаний пиротехнических замедлительных составов по изобретению (характерных рецептур) и прототипу, приведенных в нижерасположенной таблице.
| Таблица | ||||
| Рецептура | Предложенный состав | Прототип | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| барий хромовокислый | 58 | 75 | 90 | 61 |
| калий хлорнокислый | 30 | 20 | 8 | 20 |
| фенолформальдегидная смола | 12 | 5 | 2 | - |
| Цирконий | - | - | - | 4 |
| Никель | - | - | - | 15 |
| ХАРАКТЕРИСТИКИ | ||||
| Чувствительность | ||||
| к трению по ОСТ 3-6609-90 | ||||
| класс | 11 | 12 | 17 | 2 |
| степень опасности | средняя | средняя | средняя | очень высокая |
| к удару по ОСТ В84-2447-90 | ||||
| класс | 13 | 15 | 19 | 4 |
| к оптическому излучению по ОСТ 3-6621-90 | ||||
| класс | 4 | 5 | 7 | 5 |
| Коэффициент уплотнения при давлении прессования 3000 кгс/см2 | ||||
| 0,94 | 0,92 | 0,90 | 0,85 | |
| Время горения во втулке Ø6 мм высотой запрессовки 10 мм при температуре | ||||
| -50°C | 7,4 | 9,9 | 15,6 | не горит |
| +20°C | 7,3 | 9,7 | 15,3 | 4,3 |
| +50°C | 7,3 | 9,6 | 15,2 | 4,1 |
Состав приготавливается простым смешиванием компонентов в смесителе по принятой в отрасли технологии.
Приготовленный пиротехнический состав характеризуется устойчивым горением отформованных прессованием зарядов малого диаметра и малым разбросом времени горения за счет равномерного распределения компонентов в объеме и высокой степени уплотнения состава в заряде.
Предложенный пиротехнический замедлительный состав предназначен для использования в изделиях, где необходимо выдержать заданное время задержки в передаче огневого импульса от источника на исполнительный элемент, например для срабатывания через время задержки после выстрела осветительных и сигнальных патронов, снарядов и ракет активного и активно-реактивного действия, фейерверочных изделий и пр.
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 практической возможности серийного изготовления замедлительных зарядов на действующем оборудовании можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Положительные результаты испытаний опытных образцов зарядов из предложенного пиротехнического состава позволяют рекомендовать его для практического использования в серийных изделиях.
1. Пиротехнический замедлительный состав, включающий горючее и окислитель в виде смеси бария хромовокислого и калия хлорнокислого, отличающийся тем, что в качестве горючего он содержит фенолформальдегидную смолу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| барий хромовокислый | 58-90 |
| калий хлорнокислый | 8-30 |
| фенолформальдегидная смола | 2-12. |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что фенолформальдегидная смола используется в виде раствора в ацетоне, спирте или их смеси.
