Патент №2690467
Авторы изобретения: И. П. Иванова, З. В. Анфилатова, С. В. Неволина, Н. Г. Ибрагимов, И. О. Городнёв, А. Е. Голубев, А. А. Мазлин, С. Ю. Медведков, А. В. Перцев, С. Ю. Богданов

СОСТАВ ЦВЕТНОГО ОГНЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области пиротехники , а именно к производству составов цветного огня для фейерверков и сигнальных изделий.

Анализ литературно-патентного материала в области создания пиротехнических изделий для фейерверков показал, что изготовление пироэлементов ("звездок") осуществляется с использованием горюче-связующего материала, пламеокрашивающих компонентов, металлического горючего. В качестве горюче-связующего материала используются идитолы, смолы, асфальтиты /1/, коллоксилин, пластифицированный штатными труднолетучими пластификаторами нитроглицерином, динитродиэтиленгликолем или их смесью с динитротолуолом /2, 4/, или пироксилин, пластифицированный удаляемым легколетучим растворителем /3/. В качестве компонентов, придающих окраску пламени, используются соединения бария, стронция, натрия, меди, мела, а также хлорсодержащие органические и неорганические соединения, в качестве металлического горючего используют алюминий, магний, или их сплавы.

В качестве прототипа нами взят патент RU 2064914 кл. С1 С06В 21/00, 33/08, F42. В 4/04 "Фейерверочный состав, способ его изготовления, многослойный фейерверочный элемент и способ его изготовления", содержащий в масс. %: нитроцеллюлозу - 29-53, труднолетучий пластификатор - 12-38, перхлорат калия или нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, или их смесь - 5-35; металлическое горючее алюминий, или магний, или алюминиево-магниевый сплав, или дробь чугунную, или порошок титана, или порошок сплава железа с кремнием - 5-40; централит - 0,3-2,0; дифениламин - 0,3-2,0; стеарат цинка - 0,3- 1,5; стеарат магния - 0,01-0,5; индустриальное или приборное масло - 0,5-2,0; фторопласт 0,5-2,0; гидроокись хрома - 0,01-0,1; пламеокрашивающие добавки - остальное.

Предложенный авторами прототипа способ изготовления фейерверочного состава включает обработку в смесителе металлического горючего 0,9-1,1% водным раствором бихромата натрия (калия) в течение 30-60 мин при Т=65-90°С, затем в смеситель вводят раствор соли магния и перемешивают 10-30 мин, далее - раствор стеарата натрия (калия) и перемешивают в течение 30-120 мин и отжимают. В отдельном смесителе в водной среде подготавливают смесь коллоксилина, пластификатора, дифениламина, централита, масла индустриального или приборного, фторопласта, стеарата цинка и водонерастворимых пламеокрашивающих добавок, затем в смеситель загружают суспензию обработанного металлического горючего, всю композицию перемешивают в течение не менее 120 мин и отжимают от воды на отжимных аппаратах. Водорастворимые неорганические компоненты растворяют в воде при Т=105-115°С до получения насыщенного раствора и дозируют на вальцы одновременно с отжатой смесью нерастворимых компонентов для удаления остаточной влаги, усреднения и пластификации. Отвальцованный полуфабрикат подвергают сушке. Так как состав высоконаполненный и термопластичный, все операции производятся при повышенных температурах. Многослойные пироэлементы в виде коаксиально расположенных цилиндров из составов с различным цветом пламени получают путем экструзии с трех экструдеров шнекового типа. Далее экструдат режут на необходимую длину и для обеспечения при горении требуемого многоцветного эффекта торцы элементов покрываются изолирующим негорючим составом.

Недостатками способа изготовления фейерверочного состава по прототипу является длительность технологического процесса, большие водо-трудо- и энергозатраты, высокая зависимость химической стойкости фейерверочных элементов от температурно-временных режимов и точной концентрации реагентов при подготовке металлического горючего. Ввод в состав до 40% абразивных крупнодисперсных компонентов в виде дроби чугунной колотой (минимальная дробь чугунная №0,3 по ГОСТ 11964-81 имеет фракционный состав от 0,200 до 0,635 мм) или сплава железа с кремнием, требующего измельчения, резко повышает опасность переработки состава по технологии, сопряженной с глубокими термо-механическими, сдвиговыми воздействиями при вальцевании энергоемкой массы и формовании элементов на экструдерах шнекового типа. Предложенный способ изготовления фейерверочного состава для организации зрелищных мероприятий технически опасен и в современных условиях экономически невыгоден.

Технической задачей изобретения являлась разработка рецептуры состава цветного огня для фейерверков с высокими светотехническими, технологическими, баллистическими характеристиками на базе предназначенных для утилизации снимаемых с вооружения Российской армии энергоемких материалов и технически безопасного и экономически эффективного способа его изготовления.

Решением технической задачи явилось создание состава цветного огня для фейерверков, содержащего в качестве горюче-связующего материала снимаемые с вооружения устаревшие по тактико-техническим характеристикам и предназначенные для утилизации баллиститные пороха и топлива, а также "ловушечный" коллоксилин, не используемый по прямому назначению в силу большого разброса технических характеристик (содержание азота, вязкость и т.д.), металлического горючего, окислителя, пламеокрашивающих компонентов, технологических добавок и способ его изготовления.

При разработке состава цветного огня руководствовались основными принципами /1/ создания пиротехнических изделий для организации зрелищных мероприятий, в частности, использование горюче-связующих материалов, содержащих не менее 50% кислорода и дающих при сгорании бесцветное пламя. Энергоемкие баллиститные пороха и топлива обладают комплексом специальных свойств: термопластичностью, высокой химической и термической стабильностью, состоят практически из нитроэфиров целлюлозы, активных и инертных пластификаторов, имеют более 50% кислорода, при сгорании образуют минимальное количество конденсированных продуктов, что позволяет использовать их при компоновке рецептуры состава цветного огня.

Разработанный состав цветного огня содержит в качестве горюче-связующего утилизируемые баллиститные пороха или топлива или их смесь с горюче-связующей добавкой, содержащей "ловушечный" коллоксилин, пластификатор дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, металлического горючего - алюминиево-магниевый сплав или смесь алюминиево-магниевого сплава с алюминием, технологических добавок - калий хромовокислый, стеарат натрия, полиакриламид или его производные, поверхностно-активного вещества - сульфорицинат Е, окислителя - нитрат калия, модификатора горения - углерод технический, пламеокрашивающих компонентов - водонерастворимые мелкодисперсные неорганические соединения бария, стронция, натрия (криолит), меди, циркония, кальция и, при необходимости, поливинилхлоридную смолу, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

В качестве горюче-связующего состав цветного огня содержит утилизируемые баллиститные пороха или топлива, или их смесь с горюче-связующей добавкой, вводимой в состав за счет уменьшения соответствующего количества утилизируемых порохов или топлив.

Горюче-связующая добавка содержит «ловушечный» коллоксилин, пластификатор - дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости-централит II, индустриальное масло и стеарат цинка в массовом соотношении (64-69):(34-29):(1-3):(0,1-0,2):(0,01-0,02) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения желтого цвета пламени состав содержит криолит, поливинилхлоридную смолу при массовом соотношении (77-75):(23-25) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения красного цвета пламени состав содержит карбонат стронция, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (65-67):(35-33) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения зеленого цвета пламени состав содержит карбонат бария, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (65-67):(35-33) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения голубого цвета пламени состав содержит оксид меди, поливинилхоридную смолу в соотношении (65-70):(35-30) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения фиолетового цвета пламени состав содержит оксид меди, мел, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (41-43):(22-23):(37-35) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения оранжевого цвета пламени состав содержит карбонат стронция, мел, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (41-43):(22-23):(37-35) соответственно.

В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения оранжевого цвета пламени состав содержит карбонат стронция, криолит, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (51-33):(25-23):(32-33) соответственно.

В качестве пламеокрашивающего компонента для получения белого цвета пламени состав содержит карбид циркония в количестве 5-12%.

В качестве металлического горючего состав содержит алюминиево-магниевый сплав или смесь алюминиево-магниевого сплава с алюминием в соотношении (75-25):(25-75) соответственно.

В таблицах 1, 2 приведены рецептуры образцов состава цветных огней и основные технические характеристики.

По компонентному составу цветного огня можно сказать следующее:

а) заявленное количество горюче-связующего - утилизируемых баллиститных порохов или топлив, или их смеси с горюче-связующей добавкой, содержащей "ловушечный" коллоксилин, пластификатор-дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости - централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, вводимой в состав за счет соответствующего снижения содержания утилизируемых порохов или топлив, обеспечивает требуемую технологичность массы при смешивании в мешателе и дальнейшей переработке при вальцевании и прессовании, а также физико-механические и энергетические свойства состава. При уменьшении содержания горюче-связующего повышается опасность изготовления: не обеспечивается равномерное распределение компонентов в мешателе, при переработке массы на вальцах не достигается однородная структура полотна, что ведет к большим потерям порошкообразных компонентов и снижению зрелищного эффекта при работе фейерверочного изделия. Увеличение содержания горюче-связующего ведет к снижению светотехнических характеристик состава - яркости, блеска, цветности и насыщенности пламени;

б) снижение или увеличение содержания нитрата калия в качестве дополнительного окислителя ведет к снижению зрелищности фейерверка за счет снижения яркости и цветности пламени: при меньшем содержании нитрата калия нет полного окисления горючих элементов и нет яркости, при увеличении содержания в пламени начинает превалировать желтая составляющая, так как калий дает нежелательное излучение газообразных продуктов реакции в желтой части спектра;

в) ввод металлического горючего менее 10% не обеспечивает требуемую яркость пламени, при увеличении содержания более 25% наблюдаются значительные потери порошка при переработке, а при горении состава образуется большое количество конденсированных продуктов, снижающих яркость и цветность пламени;

г) при использовании углерода технического менее 0,3% не наблюдается модификации скорости горения, увеличение содержания более 1,0% приводит к снижению энергетических свойств состава, что отрицательно сказывается на его светотехнических характеристиках.

д) заявленное количество порошкообразного полиакриламида или его производных 0,1-0,3 мас. %, вводимых в мешатель в виде предварительно подготовленного водного геля 1% концентрации, обеспечивает флокуляцию порошкообразных компонентов на поверхности частиц горюче-связующего и снижение их потерь при дальнейшей переработке.

Способ изготовления состава цветного огня включает измельчение утилизируемых порохов и топлив до частиц с размерами не более 5 мм, а, при необходимости, приготовление горюче-связующей добавки, содержащей «ловушечный» коллоксилин, пластификатор - дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости - централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, пассивацию порошка алюминиево-магниевого сплава 0,3-0,5% раствором хромовокислого калия в течение не менее 15 мин, гидрофобизацию его 1,5% стеарата натрия по отношению к навеске сплава в течение 10-15 мин и обработку 0,1% раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е при температуре от 70 до 85°С, а при использовании алюминия - обработку алюминия 0,1% водным раствором сульфорицината Е при температуре от 10 до 20°С, подготовку 1,0% водного геля полиакриламида или его производных при температуре не ниже 15°С, смешивание указанных компонентов с остальными компонентами состава цветного огня в мешателе с горизонтальными мешалками при температуре не ниже 15°С в течение не менее 60 мин при содержании воды от 20 до 30%, транспортирование смешенной массы на вальцы, вальцевание массы при температуре от 70 до 80°С с получением таблетированного полуфабриката, сушку таблетированного полуфабриката при температуре от 70 до 95°С в течение от 60 до 95 мин, прессование элементов требуемых типоразмеров при температуре от 70 до 80°С, резку элементов на требуемую длину.

В подготовку компонентов входит:

- измельчение на резательных станках утилизируемых баллиститных порохов или топлив с получением стружки, крошки с размерами частиц до 5 мм, обеспечивающих равномерное распределение компонентов при смешивании и технологичность массы при вальцевании и прессовании. Увеличение размеров измельченных частиц более 5 мм ведет к значительным потерям порошкообразных пламеокрашивающих компонентов и снижению цветопламенных характеристик;

- пассивация в реакторе порошка алюминиево-магниевого сплава 0,3-0,5% водным раствором хромовокислого калия в течение не менее 15 мин, гидрофобизация его 1,5% стеарата натрия по отношению к навеске сплава в емкости с вертикальной мешалкой в течение 10-15 мин и обработка 0,1% водным раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е при температуре от 70 до 85°С при модуле по воде 1:1-2. Пассивация и гидрофобизация алюминиево-магниевого сплава обеспечивают образование поверхностной окисной и гидрофобной пленки, препятствующей дальнейшему окислению металлического горючего в присутствии воды в мешателе, а также его химическую совместимость с утилизируемыми баллиститными порохами и топливами. Уменьшение концентраций хромовокислого калия в растворе ниже 0,3% и стеарата натрия ниже 1,5% не обеспечивает необходимое качество пассивации и гидрофобизации сплава, увеличение концентрации реагентов - экономически нецелесообразно. Значения химической стойкости состава цветного огня по газовыделению на установке "Вулкан" при температуре 110°С в течение 5 ч представлены в таблице 2 и подтверждают преимущества предлагаемого процесса изготовления и переработки массы;

- обработка алюминия, покрытого гидрофобным парафином или жировыми добавками, 0,1% водным раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е в емкости с мешалкой при температуре от 10 до 20°С придает порошку гидрофильность и обеспечивает качественное смешивание с компонентами состава в мешателе. Снижение концентрации сульфорицината Е менее 0,1% в растворе не обеспечивает необходимую гидрофильность алюминия, повышение концентрации приводит к повышенному пенообразованию и ухудшает процесс выгрузки продукта из емкости;

- подготовка 1,0% водного геля из сухого полиакриламида или его производных при температуре не ниже 15°С в емкости с мешалкой. Полиакриламид или его производных в виде водного геля 1,0% концентрации обеспечивают необходимую флокуляцию порошкообразных компонентов на частицах утилизируемых баллиститных порохов и топлив при смешивании массы в мешателе;

- приготовление горюче-связующей добавки путем смешивания «ловушечного» коллоксилина, пластификатора - дибутилфталата, стабилизатора химической стойкости - централита II, индустриального масла и стеарата цинка.

Подготовка компонентов обеспечивает безопасное и равномерное их распределение при смешивании в мешателе с горизонтальными мешалками и необходимую технологичность при вальцевании и прессовании.

Компоненты состава цветного огня смешивают в мешателе с горизонтальными мешалками при температуре не ниже 15°С в течение не менее 60 мин при содержании воды в количестве от 20 до 30%, поступающей с измельченным баллиститным порохом или топливом, "ловушечным" коллоксилином, суспензиями алюминиево-магниевого сплава, алюминия, полиакриламидом или его производными в виде водного геля. Данное количество воды обеспечивает безопасное перемешивание массы в мешателе, транспортирование и переработку на вальцах. При увеличении содержания воды наблюдаются большие потери порошкообразных компонентов и водорастворимого неорганического окислителя нитрата калия, что отрицательно влияет на светотехнические свойства составов. При меньшем содержании воды повышается опасность при смешивании и вальцевании массы.

В результате проведенных работ получен состав цветного огня с технологическими, баллистическими характеристиками, чувствительностью к механическим воздействиям, химической и термической стойкостью на уровне баллиститных порохов и топлив, и светотехническими характеристиками: силой света, яркостью и чистотой цвета пламени - на уровне пиротехнических составов для фейерверков, с цветным и искристо-форсовым пламенем различной цветовой гаммы высокой зрелищности.

На состав цветного огня и элементы для фейерверков из состава цветного огня выпущены технические условия. Пироэлементы из состава цветного огня в условиях отраслевого института и предприятия - потребителя прошли стендовые, типовые испытания в фейерверочных 195 мм изделиях "Соната", "Опал", 100 мм изделиях "Ассоль" на высоте от 95 до 159 м и показали 100% воспламеняемость, требуемую скорость и время горения в температурном диапазоне от минус 30 до плюс 40°С, высокую зрелищность. Выпуск состава цветного огня до 30 т/год осуществляется на промышленном предприятии отрасли.

При организации производственного участка созданы новые рабочие места, отпускная цена на составы цветного огня находится на уровне рыночных цен на данную продукцию.

На фиг. 1 представлена блок- схема способа изготовления состава цветного огня на основе утилизируемых баллиститных порохов, топлив и "ловушечного" коллоксилина.