Патент №2354636
Авторы: Бисеров Э.У, Заботнова Р.Ф, Кляузов А.К 

Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно к составам, содержащим неорганические соли кислородных кислот азота, нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, и может быть использовано для приготовления термических смесей из мелко раздробленных металлов, сплавов в комбинации с неорганической солью азоткислородной кислоты, способной выделять оксид металла, для функционального покрытия бенгальских свечей.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав для изготовления функционального покрытия бенгальских свечей, описанный в изобретении SU 1763438, С06В 31/02, 1992 г., который содержит нитрат бария, порошки металлического горючего и железа, калий фосфорнокислый однозамещенный и связующее в виде смеси клейстера на основе декстрина и полиакриламида в соотношении 1:(1-10).
Дополнительное введение в состав калия фосфорнокислого обеспечивает химическую стабильность технологическому материалу.
Полиакриламид формирует каркасность покрытия, обеспечивая конструкционную прочность за счет улучшения когезии материала, который при сушке не растрескивается.
Повышенная текучесть состава обеспечивает объемное его распределение на несущем металлическом стержне, адгезионная связь с которым повышается улучшением клеящих свойств материала покрытия.
Полиакриламид обеспечивает прочное соединение компонентов состава за счет адгезионного их склеивания в сочетании с повышением прочности (когезии) самой клеящей составляющей в процессе отверждения. Это объясняется образованием координационных связей при соединении металлов клеем за счет возникновения химического соединения, в котором атом азота из полиакриламида делит два своих электрона с атомом металла. Одновременно между углеродом кетогруппы и атома кислорода в окислах металлов возникает дополнительная ионно-дипольная связь.
Сочетание координационной и ионно-дипольной связи обеспечивает более прочное сцепление между связующим и металлическим стержнем при окунании последнего в состав, свободно распределяющийся при стекании излишков.
Минимальное его соотношение с декстрином клейстера 1:1 ограничено из условия достижения максимальной текучести технологического материала для его нанесения на несущий металлический стержень окунанием.
Недостатком известного пиротехнического состава для бенгальских свечей является непригодность для экструзионного способа непрерывного процесса изготовления покрытия в форме полого шнура, наносимого непосредственно на центральный металлический стержень, из-за повышенной текучести.
При этом известный состав для бенгальских свечей характеризуется неудовлетворительными функциональными свойствами:
- технологическая добавка калия фосфорнокислого однозамещенного ухудшает поджиг покрытия и создает нестабильность горения;
- на нижнем пределе содержания окислителя (29 мас.%) происходит слабое, невыразительное искрообразование;
- при минимальном содержании металлического горючего (3 мас.%) горение нестабильное, неполное сгорание покрытия;
- содержание в составе комплексного связующего на нижнем пределе диапазона (3 мас.%) при сушке не обеспечит целостности покрытия, которое невозможно изготовить экструзионным прессованием.
Диапазон содержания железного порошка 25-50 мас.% является непродуктивным, так как на минимальном пределе - слабое искрение, а на верхнем пределе происходит неустойчивое горение состава, балластная масса не разогревается для образования искр заданного объема и яркости.
Более технологичным является пиротехнический состав для бенгальской свечи по патенту RU 2021237, С 06 В 21/00, 1994 г., выбранный в качестве наиболее близкого аналога предложенному, который прессуется через фильеру в форме трубчатого функционального покрытия, наносимого на центральный металлический стержень.
Известный состав содержит окислитель - нитрат бария, порошок алюминиево-магниевого сплава (металлическое горючее), искрообразователь - железные опилки и связующее в виде клейстера из крахмала или декстрина, количественно оптимизированные для получения повышенной вязкости технологического материала и пониженной плотности покрытия с улучшенным искрообразованием.
Недостатком известного состава при высокопроизводительном прессовании функционального трубчатого покрытия, наносимого затем на центральный металлический стержень, является хрупкость рассыпчатого полуфабриката, вяжущих свойств клейстера в композиции которого недостаточно для обеспечения необходимой текучести при проходном экструзионном прессовании бесконечного трубчатого шнура, наносимого непосредственно на несущий металлический стержень, и для склеивания при этом компонентов состава между собой в равномерное покрытие, монолитно связанное с центральным стержнем.
Дополнительная термическая обработка крахмала (пиролиз при температуре 185-190°С), с целью максимального превращения его в декстрин, чтобы при смешивании с водой получить цементирующее гелеобразное связующее, предотвращающее образование крупных искр при горении покрытия, существенно не улучшает функциональной надежности бенгальских свечей.
Кроме того, переуплотненное покрытие из недостаточно вязкого состава нестабильно воспламеняется без дополнительного разогрева и неустойчиво горит. Плотность напрессовки состава препятствует диспергированию искр в атмосферу, что снижает зрелищный фейерверочный эффект.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является количественное усовершенствование пиротехнической композиции для бенгальских свечей, покрытие которых формируют экструзионным прессованием, при обеспечении устойчивого его воспламенения, равномерного горения с ярким новообразованием, безопасного в эксплуатации, то есть повышение функциональной надежности и эффективности основного действия по назначению.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом составе для бенгальской свечи, содержащем нитрат бария в качестве окислителя, порошок алюминиево-магниевого сплава в качестве горючего, железный порошок в качестве искрообразователя и технологический клейстер, согласно изобретению, он изготовлен с использованием технологического клейстера, содержащего полиакриламид и в равных долях пшеничную муку и воду, при следующем содержании сухих компонентов (мас.%):
Нитрат бария 48-50
Порошок алюминиево-магниевого сплава 7-8
Железный порошок 30-32
Мука пшеничная 9-13
Полиакриламид 1-2

Отличительные признаки обеспечили технологичность композиции оптимизированного соотношения ингредиентов для производительного автоматического изготовления бенгальских свечей, характеризующихся устойчивым воспламенением, равномерным горением с ярким искрообразованием, безопасных в эксплуатации.
Оптимальное содержание ингредиентов пиротехнического состава функционального покрытия бенгальских свечей было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и опробовано при содержании каждого из них в пределах диапазона, внутри него и за расчетными пределами количественного содержания.
Выявленные диапазоны предельного содержания каждого ингредиента в предложенном пиротехническом составе определяются следующими показателями и характеристиками.
При введении в состав нитрата бария менее 48 мас.% происходит неполное сгорание покрытия, которое локально догорает отвалившимися кусками вне изделия, что может служить причиной возгораний территории и ожогов потребителей.
Содержание нитрата бария в составе более 50 мас.% создает большое пламя, что небезопасно, и быстро сгорает покрытие без образования достаточного объема искр, при этом разогревается металлический стержень, за который удерживается изделие, создавая некомфортность потребителю.
При содержании порошка алюминиево-магниевого сплава состав горит неудовлетворительно, пульсируя (неравномерно с затуханиями), образуется мало искр.
При введении в состав порошка алюминиево-магниевого сплава (металлического горючего) более 8 мас.% происходит динамичное горение покрытия и полное его сгорание без заданного искрообразования, так как железный порошок не успевает при этом достаточно раскалиться.
Содержание в составе искрообразователя - железного порошка менее 30 мас.% определяет недостаточное количество центров каления, создающих искры, поэтому визуальный фейерверочный эффект снижается.
При содержании в составе железного порошка более 32 мас.% неустойчиво горит функциональное покрытие из-за негорючего балласта.
Технологический клейстер приготовлен из пшеничной муки повышенной клейковины (28) и воды в равном массовом соотношении. Вода при сушке в присутствии полиакриламида сформированного покрытия удаляется без трещинообразования.
Пшеничный клейстер обеспечивает связывание компонентов при переработке состава в изделие экструзионным прессованием с диспергированием материала в перфорированной диафрагме перед формированием в фильере, с помощью коаксиальной полой иглы, трубчатой формы покрытия, наносимого на центральный металлический стержень бенгальских свечей.
Соотношение пшеничной муки и воды в равной доле при приготовлении клейстера определено наилучшими его цементирующими свойствами компонентов технологического материала из предложенного пиротехнического состава, при образовании структурирующего геля в сочетании с полиакриламидом.
Повышенная клеящая способность комплексного связующего, в котором содержатся разбухшие частицы муки, сообщает материалу более высокие адгезию и прочность каркасной структуры при меньшей плотности, что способствует свободному отделению сформированных при горении покрытия искр, ярких и в большом количестве.
Интенсивность прилипания определяется силами притяжения между частицами связующего и компонентами состава, которая объясняется проявлением действия ван-дер-ваальсовых сил, водородных связей и сил химического сродства. Возникающие адгезионные связи представляют уже не поверхностное, а объемное структурированное явление, что представляется существенно новым в предложенном пиротехническом составе, характеризующимся улучшением не только функциональных свойств, но и технологических характеристик.
При введении в состав клейстера меньше оптимизированного количества снижается текучесть технологического материала, что затрудняет прессование покрытия изделия.
Излишнее количество клейстера в составе ухудшает горение функционального покрытия в готовом изделии, которое тлеет без образования искр.
При введении в пиротехнический состав основы клейстера - пшеничной муки менее 9 мас.% (в структуре технологического клейстера) при формировании покрытия на операции сушки образуются трещины, которые приводят к неравномерному его горению, локальным прогарам, то есть функционально ненадежно.
Введение пшеничной муки (для создания технологического клейстера) более 13 мас.% определяет нетехнологичность состава из-за низкой текучести и образование трещин в покрытии при сушке по причине повышенной усадки, возможно отслаивание покрытия от несущего стержня, что приведет к несанкционированному горению изнутри, недопустимому по технике безопасности.
Введение в состав полиакриламида снижает пристеночное трение материала при экструдировании технологической массы и формировании трубчатого покрытия несущего металлического стержня.
Полиакриламид является структурообразователем, коагулируя частицы дисперсного технологического материала в виде геля, что снижает нагрузку на прессовый инструмент за счет уменьшения гидродинамического сопротивления деформируемой массы. При этом не происходит заметного увеличения усилий прессования.
Полиакриламид повышает липкость клейстера, увеличивает вязкость технологической массы, а также увеличивает скорость отверждения и жизнестойкость смеси.
Кроме того, полиакриламид является горючим компонентом состава.
Содержание в составе полиакриламида менее 1 мас.% не создает каркасности покрытия и не обеспечивает требуемой адгезионой связи с центральным металлическим стержнем в монолитную конструкцию.
При введении полиакриламида более 2 мас.% состав характеризуется повышенной эластичностью, что создает трудности прессования, то есть материал нетехнологичен в переработке.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении цель достигается не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Предложенный пиротехнический состав для бенгальских свечей приготавливают смешиванием в следующей последовательности.
Предварительно готовят комплексное связующее из пшеничного клейстера с полиакриламидом в массовом соотношении (4-7):1 соответственно.
Пшеничный клейстер готовят из муки и воды в равных долях.
Основу клейстера - пшеничную муку дополнительно (как это делается с крахмалом в прототипе) не обрабатывают, а используют в состоянии поставки.
Далее в пшеничный клейстер добавляют структурообразователь - полиакриламид, в результате чего образуется комплексное связующее в форме геля.
Затем в смесителе, согласно массовому содержанию компонентов в пиротехническом составе, перемешивают порошки железа, нитрата бария и алюминиево-магниевого сплава, добавляя в смесь приготовленный гель.
Полученную технологическую массу загружают в экструдер, который нагнетает ее в инструментальный узел, где материал в виде трубчатого шнура автоматически наносится на центральный металлический стержень, формируя функциональное покрытие бенгальских свечей.
Готовые изделия сушатся при нормальной температуре на стеллажах, после чего упаковываются и складируются.
Сформированные покрытия из предложенного состава имеют гладкую ровную поверхность и прочно адгезионно сцеплены с несущими металлическими стержнями.
Оптимальное содержание ингредиентов пиротехнического состава функционального покрытия бенгальских свечей было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и опробовано при содержании каждого из них в пределах диапазона, внутри него и за расчетными пределами количественного содержания.
Пиротехнические составы с характерным содержанием компонентов относительно заявленных диапазонов их содержания представлены в таблице.

Состав №2, содержание компонентов которого соответствуют оптимизированным диапазонам, характеризуется наилучшими цементирующими свойствами, обеспечивающими необходимую адгезию с несущим центральным стержнем и требуемые показатели назначения.
Состав №1 образует мало искр, так как избыток железного порошка сгорает в пламени при повышенной температуре горения по причине неоптимального соотношения горючее/окислитель в термической смеси.
Композиция нетехнологична, потому что требуется повышенное усилие прессования излишне вязкого состава, при сушке которого на поверхности образуется много трещин, что приводит к нестабильности горения, до полного затухания.
Состав №3 горит замедленно, железный порошок при недостаточном массовом количестве не полностью раскаляется, поэтому искрообразование не ярко выражено.
Состав №4 имеет низкую вязкость, что определяет некачественную переработку в экструдере, увеличивает время сушки; функциональный недостаток от низких скорости и температуры горения - мало искр из-за низкого содержания железного порошка в композиции.
Опытные испытания бенгальских свечей по изобретению показали полное сгорание покрытия, ровное горение состава с образованием ярких искр, дискретность которых характеризуется тем, что хлопковая вата не возгорается на расстоянии 5 см от свечи.
Производительность изготовления бенгальских свечей, сравнительно с аналогом, увеличилась втрое, а по сравнению с прототипом, бенгальские свечи по изобретению имеют повышенную функциональную надежность устойчивого воспламенения, равномерного горения с обильным искрообразованием, создающим яркий зрелищный фейерверочный эффект.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по фейерверкам, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пиротехнического состава для функционального покрытия бенгальских свечей, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.