Патент № 2386608
Авторы: Татынов, Постников, Лошкарев

Состав для изготовления пиротехнического эластичного материала

Изобретение относится к пиротехнике. Состав для изготовления пиротехнического эластичного материала содержит 8-10 мас.% хромата бария, 2-7 мас.% перхлората калия, 2-7 мас.% фторопласта Ф-42, 45-61 мас.% порошка титана, 5-8 мас.% асбеста и 16-30 мас.% диоксида титана. Изобретение направлено на создание состава для изготовления пиротехнического эластичного листового материала, который может быть использован для поддержания требуемой температуры в течение заданного интервала времени и имеет следующие характеристики: скорость горения - 20-30 мм/с, удельное газовыделение - 9-31 см³/г, удельное тепловыделение - 470-580 кал/г. 1 табл.

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в различных устройствах, где необходимо обеспечить поддержание требуемой повышенной температуры в течение заданного интервала времени, например в блоке электрохимических элементов (ЭХЭ) в составе тепловых химических источников тока (ТХИТ).

Известен пиротехнический состав (ПТС) /Экзотермический состав для нагревательных устройств. Патент RU №2022953, МПК C0B 33/02, опубл. 15.11.94/, включающий в себя следующие компоненты, мас.%: нитрат калия 3-10, натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, или метилцеллюлозы, или лигносульфоната технического 3-10, уголь - остальное. Состав может дополнительно содержать 1-3 глицерина и 2-5 перхлората калия. Состав готовят по технологии, принятой в пиротехническом производстве. Предназначен данный состав для обогрева сливной арматуры железнодорожных цистерн с целью уменьшения времени выгрузки, а также для подогрева пищи, воды, обогрева палаток, укрытий и т.п. в условиях отсутствия электрической и других видов энергии. Основными недостатками ПТС является выделение дыма, искрообразование и неравномерность выделения тепла во времени. В ТХИТ выделение даже относительно небольшого количества газа крайне нежелательно, поскольку реализация высокого давления в герметичном корпусе тепловой батареи (ТБ) приводит к необходимости делать его прочным. Кроме того, выделяющийся при сгорании ПТС такой газ, как окись углерода, при высокой рабочей температуре ТБ 250-600°С взаимодействует с активными веществами ЭХЭ катодом и анодом, что приводит к снижению полезной емкости последних и, в конечном итоге, к уменьшению времени работы ТБ.

Известен также пиротехнический состав /Пиротехнический состав. Патент RU 2091359, МПК C06B 29/04, 33/06, опубл. 27.09.97/, имеющий низкое значение удельного газовыделения (0,7-4,5) см³/г, приемлемую величину удельной калорийности (350-480) кал/г и состоящий (мас.%) из титана 82-92, алюминия 2-10, перхлората калия 6-8. Пиротехнический состав приготавливается путем механического смешения компонентов в смесителе и предназначен для использования в тепловых батареях резервного типа в качестве нагревательного элемента, а также в устройствах с высоким тепловыделением и малым удельным газовыделением. Температура горения состава составляет 1900-2000°С, шлаки электропроводны и практически не изменяют своих геометрических размеров. Относительно высокое значение скорости горения указанного состава 250-400 мм/с не позволяет использовать его для изготовления нагревателей, способных поддерживать рабочую температуру в устройстве в течение достаточно длительного интервала времени.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является состав для изготовления пиротехнического эластичного материала /Состав для изготовления пиротехнического эластичного материала (варианты). Патент RU 2306306, МПК C06B 33/12, опубл. 20.09.2007/. В первом варианте состав для изготовления пиротехнического эластичного материала содержит (мас.%) титан 12-32, хромат бария 48-71, перхлорат калия 5-20, асбестовый порошок 3-10 и фторопласт марки Ф-42 3-5. Во втором варианте в качестве горючего компонента используется (мас.%) цирконий 23-26, а также хромат бария 52-57, перхлорат калия 6-10, асбестовый порошок 7-10 и фторопласт марки Ф-42 2-5. Использование заявляемых компонентов в указанных соотношениях позволяет создать эластичный листовой материал, характеризующийся высокими скоростями горения. Данный эффект обеспечивается составлением композиции, близкой к стехиометрии, и присутствием сравнительно небольшого количества негорючего компонента - асбеста. Использование порошков металла - титана или циркония, окислителей - перхлората калия и хромата бария, а также фторопласта Ф-42 в выбранных количествах обеспечивает высокие энергетические показатели материала и высокую надежность его горения. Материал, изготовленный из этих составов, используется для инициирования пиротехнических цепочек. Однако эластичный листовой материал не может быть использован для поддержания рабочих температур в устройствах из-за высоких энергетических характеристик: скорость горения 1000-4000 мм/с, удельное газовыделение 30-50 см³/г, удельное тепловыделение 430-900 кал/г. Кроме того, шлаки, образующиеся в процессе горения данного материала, не сохраняют исходных геометрических размеров.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение скорости горения и величины удельного газовыделения листового эластичного материала, а также сохранение исходных геометрических размеров шлаков материала.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого состава, заключается в изготовлении листового эластичного нагревателя пиротехнического со следующими параметрами и характеристиками горения:

- скорость горения - 20-30 мм/с (на порядок ниже, чем у прототипа);

- удельное газовыделение - 9-31 см³/г (меньше, чем у прототипа);

- удельное тепловыделение - 470-580 кал/г;

- безопасность изготовления листового материала;

- шлаки состава не изменяют геометрических размеров исходного материала.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата в состав, содержащий смесь порошков титана, хромата бария, перхлората калия, асбеста и фторопласта марки Ф-42, согласно изобретению дополнительно введен диоксид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Использование указанных компонентов и их соотношение позволяет создать эластичный листовой материал, характеризующийся относительно невысокими скоростями горения и низким значением удельного газовыделения. Использование порошка титана и перхлората калия в выбранном количестве обеспечивает высокие энергетические показатели материала, а также высокую надежность его воспламенения. Фторопласт Ф-42 и асбест используются в составе для комплексного улучшения реологических и физико-механических характеристик, что позволяет создать эластичный листовой материал. Введение диоксида титана и подбор соотношения компонентов состава позволяют уменьшить уровень скорости горения и удельного газовыделения, а также обеспечить сохранение продуктами горения (шлаками) исходных геометрических размеров материала. При этом сохраняется достаточно высокое значение удельного тепловыделения.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены несколько составов на основе системы Ti-KClO₄-BaCrO₄-TiO₂-фторопласт-асбест с различным соотношением компонентов, позволяющих создать листовой материал, обладающий скоростью горения 20-30 мм/с, допустимым значением удельного газовыделения 9-31 см³/г и удельным тепловыделением 470-580 кал/г. Кроме того, шлаки состава не изменяют исходных геометрических размеров материала. Листовой материал готовится путем приготовления суспензии на основе раствора фторопласта в ацетоне с добавлением остальных исходных компонентов и последующими процессами "розлива" в формы, сушки и вальцевания. На последнем этапе из листового материала изготавливаются (нарезаются) пиротехнические полотна необходимых форм и размеров. Для приготовления пиротехнических лент были использованы порошки перхлората калия (ТУ 6-09-3801), титана (ТУ 1715-036-07623615) и хромата бария (ТУ6-09-5286). Безопасность изготовления такого материала обеспечивается отсутствием стадии механического смешения в твердой фазе исходных компонентов в различного рода механических мельницах и смесителях.

Согласно приведенным экспериментальным данным, представленным в таблице 1, оптимальный технический результат наблюдается у составов по позициям 4-7. Испытания материалов из состава без перхлората калия (позиции 1-3) приводили к:

- неполному сгоранию материала (позиция 1);

- неудовлетворительной воспламеняемости при низких температурах (позиция 2);

- не сохранению шлаками формы исходного материала (позиция 3).

Материал из заявляемого состава (позиции 4-7) после сгорания имеет твердые шлаки, сохраняющие исходную форму материала.

Согласно таблице 1, получены следующие характеристики:

- скорость горения - 20-30 мм/с;

- удельное газовыделение - 9-31 см³/г;

- удельное тепловыделение - 470-570 кал/г (в среде аргона); 520-580 кал/г (на воздухе).

Экспериментальная проверка нагревателя пиротехнического, полученного из заявляемого состава, в качестве элемента, обеспечивающего поддержание требуемой температуры в блоке электрохимических элементов в течение времени работы в составе тепловых химических источников тока, показала положительные результаты, заключающиеся в увеличении времени работы тепловой батареи при надежном инициировании и горении нагревателя пиротехнического из заявляемого состава.

Состав для изготовления пиротехнического эластичного материала, содержащий порошки титана, хромата бария, перхлората калия, асбеста и фторопласта Ф-42, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диоксид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%: