Патент №2331619
Авторы: Заботнова Р.Ф, Кляузов А.К, Сопин В.И, Бисеров Э.У, Аладжева Г.Л

Изобретение относится к пиротехническим составам для снаряжения сигнальных и фейерверочных средств. 
Предложен пиротехнический состав белого огня с периодическими вспышками пламени при горении, содержащий азотнокислый барий, порошок алюминиево-магниевого сплава дисперсностью 60-160 мкм, дибутилфталат и в качестве органического горючего связующего - нитроцеллюлозу или пироксилиновый порох. 
Изобретение направлено на повышение функциональной надежности горения заряда из пиротехнического состава и обеспечение стабильности пульсации пламени в оптимальном режиме. 
Изобретение относится к пиротехническим составам для создания зарядов, используемых для снаряжения сигнальных и фейерверочных средств и изделий.
Уровень данной области техники характеризует пиропороховой состав белого огня, содержащий пироксилин, хлористый калий, окись меди, порошок алюминиево-магниевого порошка и дифиниламин, который при горении создает эффективное свечение при стабильности цветовых характеристик, имеет хорошую воспламеняемость и технологичен при переработке в заряд методом проходного прессования (см. изобретение SU 1519157, С06В 25/18, 1995 г.).
Заряды из указанного пиропорохового состава при горении удовлетворяют основным требованиям назначения: красочность и оригинальность, имеют насыщенность цвета пламени, скорость горения обеспечивает сгорание элементов фейерверочного заряда в воздухе.
Составы, выполненные на основе утилизируемых пироксилиновых порохов, отличаются лучшей воспламеняемостью и малой дымностью.
Недостатком описанного состава белого огня является невыразительный зрелищный эффект сигналов и фейерверков из-за отсутствия периодических вспышек пламени при его горении, так называемого эффекта мерцания звезд, что снижает потребительские качества пиротехнического заряда и ограничивает область его использования.
Отмеченный недостаток устранен в пиротехнических составах по изобретениям SU 241269 и 390053, С06D 1/00, которые содержат окислитель (азотнокислый барий, стронций), металлическое горючее (порошок алюминиево-магниевого сплава) и органическое связующее, вводимое в смесь в виде раствора в этиловом спирте. Эти пиротехнические составы характеризуются тем, что при горении образуют мерцающее пламя с частотой вспышек, хорошо визуально различимой на большом удалении от места горения сигнального или фейерверочного заряда.
Сгорание пиротехнических составов происходит в виде отдельных очагов, которые возникают и исчезают. При небольшом размере очагов и значительном их количестве на поверхности горения образуется пламя, имеющее постоянные во времени параметры: температуру, состав продуктов сгорания, излучение, поэтому горение воспринимается как равномерное.
По мере увеличения поверхности очагов и уменьшения одновременно их количества на поверхности горения температура, размеры пламени и интенсивность излучения начинают изменяться во времени весьма существенно. При величине очага (поверхности состава, способной сгореть во время очередного ускорения), равной или большей поверхности горения, пламя периодически исчезает полностью.
Сгорание составов с регулярным по продолжительности исчезновением пламени является пульсирующим (мерцающим) и возникает при горении смесей: кислородосодержащий окислитель - металлическое и/или органическое горючее.
По числу совпадающих признаков в качестве наиболее близкого аналога предложенному выбран пиротехнический состав по изобретению SU №390053, 1973 г., содержащий окислитель - азотнокислый барий и азотнокислый стронций, металлическое горючее - порошок алюминиево-магниевого сплава в виде смеси марок ПАМ-3 и ПАМ-4 (в соотношении 2,5:1) с дисперсностью 40-315 мкм, окись магния и идитол в качестве органического горючего связующего.
Из пиротехнического состава при давлении 1000 кг/см2 прессуют звездки (заряды) в картонную оболочку диаметром 10 мм, горение которых характеризуется стабильным чередованием с интервалом 0,8-0,3 ярких вспышек (удельная сила света 13000-17000 св/г) продолжительностью 0,1 с при интервале между вспышками 0,8-0,3 с, обеспечивая зрелищный эффект фейерверка. Частота вспышек обеспечивается в течение всего времени горения заряда - до 15 с.
Однако в известном составе не оптимизирована дисперсность порошка алюминиево-магниевого сплава, который содержит частички размером 315 мкм в количестве 56 мас.%, а размером 40 мкм в количестве 11 мас.%, что делает, как минимум, две трети массы металлического горючего нефункциональной для обеспечения стабильной частоты мерцаний.
При дисперсности порошка ниже 60 мкм частота вспышек возрастает и становится трудно различима визуально на удалении от фейерверка, а при дисперсности порошка выше 160 мкм частота пульсаций уменьшается до практически полного вырождения, то есть не достигается основная техническая характеристика заряда по назначению.
Переход равномерного горения в стабильно пульсирующее происходит при нарушении равенства теплоприхода и теплоотвода в зонах реакций горения, где взаимодействие компонентов сопровождается индуктивным периодом, в течение которого происходит затухание состава. Основной причиной периодичности сгорания смеси является организованное несовпадение времени подготовки слоя и времени его сгорания.
Кроме того, недостатками известного состава являются повышенная дымность, снижающая яркость свечения при горении, и затруднительность воспламенения переуплотненного заряда, что требует использования дополнительного воспламенительного заряда.
Прессование сухих смесей пиротехнического состава глухим прессованием в оболочку взрывоопасно и характеризуется низкой производительностью.
Известный состав без оболочки не горит, заряд диаметром менее 10 мм горит нестабильно, не обеспечивая мерцания, что ограничивает применение по назначению.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение технологических возможностей пиротехнического состава и повышение функциональной надежности горения заряда из него при гарантированной стабильности пульсаций пламени в оптимальном режиме.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический состав белого огня с периодическими вспышками пламени при горении, содержащий азотнокислый барий, порошок алюминиево-магниевого сплава и органическое горючее связующее, согласно изобретению содержит дибутилфталат в качестве пластификатора, порошок алюминиево-магниевого сплава дисперсностью 60-160 мкм, а в качестве органического горючего связующего - нитроцеллюлозу или пироксилиновый порох, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитроцеллюлоза или пироксилиновый порох    35-53
Азотнокислый барий 25-34
Порошок алюминиево-магниевого сплава (60-160 мкм) 20-30
Дибутилфталат 1-2
Отличительные признаки обеспечили производительное проходное прессование пиропороховых составов в форме канального шнура, мерные элементы из которого диаметром 2-7 мм стабильно горят без оболочки, гарантированно обеспечивая мерцание в заданном режиме пульсаций пламени при горении с необходимой длительностью импульса пламени, что расширяет область применения состава и снижает его потребительскую стоимость.
Использование в составе в качестве горючего связующего нитроцеллюлозы или пластифицированного пироксилинового пороха, которые цементируют смесь, обеспечило возможность изготавливать элементы из получаемого производительным проходным прессованием шнура, воспламеняемость которых улучшается.
При горении заряда из предложенного состава достигается большая чистота цвета пламени от снижения дымности.
Использование в качестве органического горючего связующего пироксилинового пороха позволяет утилизировать последний из арсеналов.
Оптимальное количественное соотношение компонентов предложенного пиропорохового состава белого огня с периодическими вспышками пламени при горении было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и отработано экспериментально при практических опытах их сжигания. При этом оценивались основные характеристики состава мерцающих огней: чистота цвета пламени, доминирующая длина волны, периодичность вспышек и интервал между ними.
При содержании в составе нитроцеллюлозы или пироксилинового пороха менее 35 мас.% практически использовать проходное прессование не представляется возможным, при механическом разрезании сформированного шнура на штучные пироэлементы возникает опасность воспламенения.
При содержании в пиропороховом составе нитроцеллюлозы или крошки пироксилинового пороха более 53 мас.% снижается чистота цвета пламени, пульсация пламени при горении нестабильна и вырождается. При этом из плотного заряда затруднительно удалить растворитель, что увеличивает время горения до падения фейерверочных элементов на Землю, что небезопасно.
Азотнокислый барий является активным окислителем и вместе с металлическим горючим - порошком алюминиево-магниевого сплава образует термическую смесь.
Диапазон содержания азотнокислого бария в пиропороховом составе оптимизирован визуально различимой частотой пульсаций пламени при его горении.
Когда в пиропороховом составе азотнокислого бария содержится менее 25 мас.%, вырождаются пульсации до практически равномерного горения.
Содержание в составе азотнокислого бария более 34 мас.% приводит к визуально неразличимым частым пульсациям пламени, которое воспринимается как сплошное, то есть теряется эффект звездного мерцания.
Порошок алюминиево-магниевого сплава используется с дисперсностью в пределах 60-160 мкм для лучшего распределения по составу и более плотного контакта с окислителем, обеспечивая тем самым повышение поверхности и скорости горения, полноту сгорания компонентов.
При введении в состав порошка алюминиево-магниевого сплава менее 20 мас.% пульсации пламени при горении нестабильны, при содержании более 30 мас.% они вырождаются совсем.
Введение в композицию дибутилфталата обусловлено, в основном, применением в качестве органического горючего связующего пироксилинового пороха, который необходимо перед смешиванием с остальными ингредиентами пластифицировать до матричной основы массы, пригодной для проходного прессования полуфабриката пиропороховых элементов в форме шнура. Этот труднолетучий пластификатор снижает давление прессования приготовленной массы состава до практически приемлемых значений промышленного производства.
Содержание в композиции дибутилфталата менее 1 мас.% является недостаточным для образования однородной массы, без комков.
При содержании в смеси дибутилфталата более 2 мас.% не дает заметного улучшения технологических свойств прессуемой массе, однако повышает дымность зарядов из приготовленных пиропороховых элементов, ухудшающая основные показатели назначения состава.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
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 не известно, а с учетом возможности промышленного изготовления пиропороховых элементов для фейерверков мерцающего пламени проходным прессованием полуфабриката в форме шнура позволяет сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Опытной отработкой предложенного состава достигнута стабильная частота вспышек пламени при горении заряда в количестве 3-5 в с (против 2-3 по прототипу) при глубине пульсаций 95-100%, что обеспечивает выраженный зрительный эффект мерцания звезд.
Предложенный пиропороховой состав белого огня мерцающего пламени при горении изготавливают следующим образом.
Измельченный пироксилиновый порох или нитроцеллюлозу расчетной массы засыпают в лопастной смеситель вместе с дибутилфталатом и заливают половиной необходимого для пластификации количества этилового спирта, после чего в течение 20 минут перемешивают при нормальной температуре, в результате чего получают технологическую и термическую основу мерцающего при горении состава.
Затем в пластифицированную основу последовательно добавляют азотнокислый барий по ГОСТ 1713-79 и порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ) с дискретностью селективных частичек 60-160 мкм и заливают второй половиной этилового спирта до общей его массы 30-40% от массы композиции, после чего перемешивают в течение 10-15 минут при нормальной температуре.
Далее из приготовленной композиции проходным прессованием формируют шнур диаметром 2-7 мм.
Смотанный в бунт шнур выдерживают при температуре 20-30°С в течение 20 минут для провяливания смеси, чтобы она не налипала на режущий инструмент при последующем изготовлении мерных пиропороховых элементов. При этом шнур не сминается и разрезание взрывобезопасно.
Нарезанные штучные элементы сушат при нормальной и повышенной температуре до содержания в составе летучих в диапазоне 2-4 мас.%.
Предложенное техническое решение обеспечило производительное проходное прессование заряда в форме канального шнура, мерные пироэлементы из которого диаметром 2-7 мм стабильно горят без оболочки, гарантированно создавая мерцание пламени в заданном режиме пульсаций при необходимой длительности импульсов пламени, что расширяет область применения состава и снижает его потребительскую стоимость.
Таким образом были приготовлены опытные партии образцов пироэлементов для сравнительных испытаний и оптимизации количественного состава композиции, характерные примеры которых приведены в таблице

Из таблицы видно, что состав 2, компоненты которого находятся в заявленных диапазонах оптимального содержания, обеспечивает заданные технические характеристики основного назначения, в частности частота вспышек пламени насыщенного цвета 3-5 в секунду при полном его циклическом затухании, что хорошо различимо визуально.
Заявленный состав рекомендован для промышленного использования при изготовлении фейерверочных изделий и сигнальных средств с пульсирующим пламенем при горении зарядов.