ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ЦВЕТНОГО ОГНЯ
PYROTECHNIC COMPOSITION FOR INTERMITTENTLY BURNING COLOURED FLAME

Изобретение относится к средствам для образования аэрозоля, а более конкретно к пиротехническим составам, горение которых происходит в пульсирующем режиме, с периодическими вспышками цветного пламени, создающими эффект мерцания, и предназначенных для изготовления сигнальных и фейерверочных изделий.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав с периодическими вспышками пламени при горении, описанный в патенте RU №2331619, С06D 5/06, 2008 г., который содержит азотнокислый барий, мелкодисперсный (60-160 мкм) порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ) и органическое горючее (пироксилиновый порох или нитроцеллюлозу, пластифицированную дибутилфталатом) в следующем массовом соотношении, %:
азотнокислый барий
25-34
органическое горючее
35-53
смесь ПАМ-3 и ПАМ-4
20-30
дибутилфталат
1-2.
Этот пиротехнический состав характеризуется технологичностью изготовления пиропороховых элементов в форме канального шнура диаметром 2-7 мм, получаемого проходным прессованием смеси, которая цементируется пластифицированным пироксилиновым порохом. При этом улучшается воспламеняемость формируемых звездок.
Заряды пиропороховых элементов стабильно горят без оболочки, гарантированно обеспечивая мерцание пламени в заданном режиме пульсаций, при этом достигается большая чистота цвета пламени в результате снижения дымности.
Использование в качестве органического горючего связующего крошки пироксилинового пороха позволяет утилизировать его из арсеналов.
Однако продолжением достоинств являются присущие недостатки.
Описанный пиропороховой состав имеет ограниченный срок годности и применения по назначению из-за химического разложения вплоть до самовозгорания.
Белый цвет пламени при горении описанного состава ограничивает область применения для фейерверков, так как нет эффекта красочности и разнообразия цветов.
Отмеченные недостатки устранены в пиротехнических составах, термическая основа которых представляет собой смесь азотнокислого бария или стронция с мелкодисперсным порошком алюминиево-магниевого порошка, содержащих идитол в качестве технологической и функциональной добавки (см. изобретения SU №241269 и №390053, оба С06d 1/00).
Идитол, вводимый в виде раствора в этиловом спирте, который служит цементатором в смеси для прессования, способствует хорошей воспламеняемости сформированных звездок и таблеток, стабилизирует их пульсирующее горение.
Сгорание пиротехнических составов происходит в виде отдельных очагов, которые периодически возникают и исчезают. При небольшом размере локальных очагов и значительном их количестве на поверхности горения образуется пламя, имеющее постоянные во времени параметры: температуру, состав продуктов горения, 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 заряда, способной гореть 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 органическое горючее.
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. Основной причиной периодичности сгорания смеси является организованное несовпадение времени подготовки слоя и времени его сгорания.
При этом пламя первого состава окрашивается зеленым цветом, а второго - красным, что обеспечивает красочный эффект фейерверка.
В качестве наиболее близкого аналога предложенному пиротехническому составу, совпадающему по большему числу существенных признаков, выбран состав, описанный в изобретении №237039, который дополнительно включает усилитель цвета пламени - пудру медную размольную, обеспечивающую насыщенность зеленого цвета пламени при горении пиротехнического состава, содержащего компоненты (мас.%):
азотнокислый барий
70-75
порошок алюминиево-магниевого сплава
15-20
пудра медная размольная
8-12
идитол (сверх 100%)
1-2.
Звездки диаметром 15 мм, изготовленные из этого химически стойкого и физически стабильного состава, горят ярким чистым пламенем зеленого окраса с кратковременными периодическими вспышками пламени, которые характеризуются следующими показателями:
частота вспышек - 0,84 Гц;
интервал между вспышками - 0,95 с;
продолжительность вспышки - 0,24 с;
удельная сила света - 1500 св/г.
Недостатком известного пиротехнического состава является функционально низкая дальность различимости мерцания пламени, что снижает возможности практического его использования в качестве сигнального заряда и красочный фейерверочный эффект.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение показателей назначения сигнальных и фейерверочных изделий, изготовленных из состава пульсирующего цветного пламени горения.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический состав пульсирующего горения цветного огня, содержащий азотнокислый барий или стронций, порошок алюминиево-магниевого сплава, идитол и усилитель цвета пламени, согласно изобретению включает в качестве усилителя цвета пламени хлорид аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
азотнокислый барий или стронций
60-65
порошок алюминиево-магниевого сплава
20-25
хлорид аммония
10-20
идитол (сверх 100%)
1-2.
Отличительные признаки обеспечили повышенную насыщенность цвета более яркого пламени при кратном увеличении частоты пульсаций горения фейерверочных и сигнальных изделий.
Введение в состав хлорида аммония обеспечило при его горении образование монохлоридов (ВаСl и SrCl), которые способствуют заметному насыщению характерного цвета пламени зеленым и красным соответственно, так как они являются лучшими излучателями зеленого и красного цветов оптического спектра.
Выбранное массовое соотношение компонентов термической основы: окислитель-металлическое горючее является оптимальным для устойчивого горения состава в пульсирующем режиме.
Введение азотнокислого бария или стронция в состав в количестве менее 60 мас.% приводит к заметному снижению насыщенности цвета пламени.
При содержании азотнокислого бария или стронция более 65 мас.% состав горит неустойчиво, пульсация нестабильна.
При содержании в составе порошка алюминиево-магниевого сплава меньше 20 мас.% происходит резкое снижение частоты пульсаций горения, до прекращения мерцания пламени (его различимости).
При содержании в составе порошка алюминиево-магниевого сплава больше 25 мас.% происходит заметное усиление активация термической основы, в результате чего горение происходит в стабильном режиме, пламя не мерцает.
Введение в пиротехнический состав хлорида аммония в количестве менее 10 мас.% не обеспечивает заметной насыщенности характерного цвета пламени, что не создает красочного эффекта от фейерверка и не формирует различимости пиротехнических сигналов.
При введении в состав хлорида аммония более 20 мас.% насыщенность характерного цвета пламени заметно не повышается, образуется балласт, уменьшающий массу термической основы, в результате чего ухудшается функциональность сигнальных и фейерверочных изделий.
Пиротехнический состав, содержащий идитол в количестве менее 1 мас.% характеризуется нестабильностью технологических и функциональных параметров назначения.
При содержании в составе идитола больше 2 мас.% пульсация при горении и мерцание пламени происходит нестабильно.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы существенных признаков.
Количественное содержание выбранных компонентов пиротехнического состава пульсирующего горения цветного мерцающего пламени было оптимизировано по математической модели планирования эксперимента и подтверждено натурными испытаниями опытных партий приготовленных звездок и таблеток штатного размера для снаряжения фейерверочных и сигнальных изделий.
Для приготовления пиротехнических составов мерцающего цветного пламени при горении использовались азотнокислый барий и азотнокислый стронций по ГОСТ 1713-79, смесь мелкодисперсных (60-160 мкм) порошков алюминиево-магниевого сплава марок ПАМ-2 и ПАМ-3, ГОСТ 5593-78, хлорид аммония по ГОСТ(и 50%-ный раствор идитола (ТУ…) в этиловом спирте.
В лопастном смесителе смешивают установленные массовые доли азотнокислого бария или стронция со смесью порошков ПАМ в течение 5-10 минут и добавляют предварительно приготовленный спиртовой раствор идитола, после чего смешивают в течение 15 минут при нормальной температуре для образования равномерной смеси технологической и термической основы состава.
Затем засыпают навеску хлористого аммония и смешивают в течение 20 минут.
2
Из приготовленной смеси давлением 500-700 кг/см прессуют звездки (заряды) диаметром 10-15 мм, которые выдерживают на стеллажах в течение 30-40 минут для удаления спирта, провяливают.
Готовые звездки используют для снаряжения сигнальных и фейерверочных изделий непосредственно и упаковывают в тару для транспортировки на сборочное производство и к месту длительного (до 10 лет) хранения.
Приготовленные опытные заряды из составов, включающих оптимизированное по изобретению массовое соотношение компонентов, на границах заявленных диапазонов содержания компонентов и за пределами выбранных диапазонов их содержания, были испытаны сжиганием в натурных изделиях. Характерные примеры составов и полученные показатели назначения приведены в таблицах.
Горение зарядов из предложенных оптимизированных пиротехнических составов характеризуется стабильным чередованием ярких вспышек с частотой 3,7 Гц (зеленого пламени) и с частотой 7,8 Гц (красного пламени), в среднем по опытам.
3
2
3
2
При этом продолжительность вспышки приготовленных составов с Ва(NO) составила 0,07-0,10 с, интервал между вспышками в диапазоне 0,1-0,3 с, а для составов с Sr(NO) соответственно 0,04-0,05 с и 0,09-0,10 с, что значительно интенсивнее, чем по известным аналогам.
Таблица 1
Пиротехнические составы пульсирующего горения красным пламенем
Компонент
Содержание компонентов в составе, мас.%
1
2
3
4
Сr(NО<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
65
65
55
70
ПАМ
30
20
20
15
NH<sub>4</sub>Cl
5
15
25
15
Идитол/100%
2
1
2
2
Таблица 2
Показатели назначения составов таблицы 1
Параметр
1
2
3
4
Частота пульсаций, с
0,7
3.7
2,5
0,6
Глубина пульсаций, %
92
100
96
100
Скорость горения, мм/с
0,9
0,7
0,6
0,6
Цветовой тон, н/м
568
612
590
610
Чистота цвета, %
86
96
92
92
Таблица 3
Пиротехнические составы пульсирующего горения зеленым пламенем
Компонент
Содержание компонентов в составе, мас.%
1
2
3
4
Ва(NО<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
65
60
55
70
ПАМ
15
25
15
20
NH<sub>4</sub>Cl
20
15
30
10
Идитол/100%
2
2
2
1
Таблица 4
Показатели назначения составов таблицы 3
Параметр
1
2
3
4
Частота пульсаций, с
2,6
7,8
2,3
7,5
Глубина пульсаций, %
95
100
92
100
Скорость горения, мм/с
0,7
0,9
0,6
0,8
Цветовой тон, н/м
603
617
530
612
Чистота цвета, %
96
96
92
92
Дополнительно к достигнутой повышенной насыщенности цвета пламени при интенсивном пульсирующем горении нового пиротехнического состава достигнуто новое служебное качество (сравнительно с аналогами): на 10-15% более яркое пламя, которое различимо на повышенной дальности.
Количественные и качественные показатели и характеристики назначения пиротехнических составов, полученные в результате опытной проверки предложенного технического решения, подтвердили правильность изобретательского замысла и расчетные данные по его реализации.
Положительные результаты испытаний показали, что составы по изобретению необходимо практически реализовать для снаряжения штатных изделий и использовать в новых разработках для поставки заказчикам.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня данной области техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно не известно, а с учетом возможности практической реализации пиротехнического состава с периодическими вспышками цветного пламени при горении в действующем серийном производстве можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.