Аэрозолеобразующий огнетушащий состав на основе сахаридов
AEROSOL-FORMING, FIRE-EXTINGUISHING COMPOSITION BASED ON SACCHARIDES

Изобретение относится к объемному аэрозольному пожаротушению, в частности к твердотопливным аэрозолеобразующим составам (АОС).
2
3
Большинство аэрозолеобразующих составов имеют относительно высокую температуру продуктов сгорания, т.е. выделяемого огнетушащего аэрозоля, близкую к 1000°С, при приемлемой огнетушащей эффективности, и близкое к предельно допустимому содержание токсичных газообразных продуктов сгорания, таких как монооксид углерода (СО), оксиды азота (NO, NO) и аммиак (NH).
Эти параметры обусловлены, в первую очередь, применением в АОС высокотеплотворных горючих и горюче-связующих из ряда углеводородных соединений (фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол и т.п.), а также технического углерода (угля, сажи). Характерными АОС подобного ряда являются составы представленные патентами РФ на изобретения №2046614, №2006239, №2146546, №2477163, №2477162.
Тепло-физические характеристики некоторых видов топлива в АОС представлены в таблице 1.
Горение на воздухе АОС с высокотеплотворным горючим или горюче-связующим из ряда углеводородных соединений сопровождается интенсивным свечением горячих газов и раскаленных частиц, которые оказывают значительное термическое воздействие на окружающую среду.
Это затрудняет применение АОС в генераторах огнетушащего аэрозоля (ГОА) без охладителя, в герметичных и условно-герметичных объемах и исключает их использование в переносных генераторах (ГОАП), предназначенных для подавления пламенного горения объектов (например, одежды на человеке) в открытом пространстве.
В отличие от этих составов предлагаемый авторами аэрозолеобразующий состав на основе сахаридов является экологически чистым, низкотемпературным, малопламенным.
Сахариды, их модификации и смеси в технике пожаротушения достаточно давно известны, в основном в качестве эмульгаторов, для создания высокократных пен.
Из уровня техники известна «Огнетушащая композиция, содержащая сахарид и производное сахарида» (патент US 9662522 B2), в которой используют сахариды и их производные, но не для генерации аэрозоле-газовой смеси, а для улучшения пожаротушащих свойств ГОА, снабженного обычным пиротехническим зарядом АОС. Аэрозоль, вырабатываемый этим зарядом, выбрасывает смесь сахаридов в зону пожара. То есть используются сахариды, по существу, в качестве порошкового пожаротушащего агента.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению (прототипом) является «Аэрозолеобразующий твердотопливный состав для гашения пожара» (патент UA 7773), содержащий древесную муку и нитрат калия. Дополнительно он содержит перхлорат калия, сахарозу либо лактозу, либо сорбит, дициандиамид или дифениламин, при следующим соотношении компонентов, масс. %: перхлорат калия 5÷8; нитрат калия 50÷63; сахароза, лактоза или сорбит 20÷33; дициандиамид или дифениламин 5÷10; древесная мука - остальное.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- повышенное содержание дициандиамида, которое нарушает баланс твердой и газообразной составляющих газо-аэрозольного комплекса, что снижает пожаротушащую эффективность. К тому же ухудшаются условия воспламенения состава;
- наличие в составе перхлората калия, который как показывает многолетний опыт, нежелателен в композициях с сорбитом, в первую очередь из-за способностей солей хлора замедлять его кристаллизацию. Состав может не затвердевать месяцами и обладает хладотекучестью. К тому же, перхлорат калия компонент повышенной опасности - чувствителен к трению, требует особых условий хранения и ограничен в реализации;
- применение в составе прототипа древесной муки повышает теплотворную способность АОС, (т.е. к повышению температуры газо-аэрозольной смеси) и увеличивает содержание вредных веществ (в основном, канцерогенов) в генерируемом газо-аэрозольном облаке;
- допустимая замена дициандиамида на дифениламин в указанном количестве, приводит к значительному снижению температуры эксплуатации АОС (температура плавления дифениламина 56°С);
- отсутствие катализаторов в составе, обеспечивающих стабильное горение с оптимальной скоростью и минимальным содержанием моноокиси углерода;
- отсутствие в составе присадок - стабилизаторов, антиоксидантов, без которых АОС, содержащий сорбит, деградирует за короткий промежуток времени.
Для наглядности существенные отличия приведены в таблице 2.
Стоит отметить, что два варианта производства прототипа так же содержат ряд серьезных недостатков. Предлагаем краткий обзор этих технологий:
2
Вариант 1 - исходные компоненты измельчают, перемешивают в соответствующих пропорциях и прессуют. Для получения составов с заявленными свойствами необходимо измельчать компоненты до фракций 20-50 мкм. В этом случае даже такой инертный компонент как дициандиамид становится взрывоопасным в воздушно-пылевом облаке, не говоря уже о том, что одновременно там может присутствовать и измельченный перхлорат калия. Опасным является и процесс прессования т.к. давление прессования сухой смеси не менее 2500 кг/см, при температуре плавления связующего (186°С для сахарозы).
Вариант 2 - исходные компоненты растворяются в воде, раствор упаривается до нужных кондиций, затем разливается в формы и сушится. Технология намного безопаснее, но требует специального оборудования: вакуумной оснастки, сушильных шкафов, мощной вентиляции и увеличенной производственной площади. Процесс требует больших электрических мощностей и протяжен во времени (только сушка может занимать более 30 часов).
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является создание семейства АОС, лишенных указанных недостатков.
3
Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в повышении огнетушащей эффективности АОС (менее 0,030 г/м) и снижении температуры генерируемой газо-аэрозольной струи (менее 100°С). Обеспечивается этот результат двумя основными факторами:
- применением горюче-связующего с небольшой теплотворной способностью и относительно высоким содержанием кислорода в молекулярном звене;
- использованием расплавной технологии, позволяющей уменьшить расстояния между частицами компонентов АОС, до размеров сравнимых с размерами молекул.
Базовый состав предлагаемого семейства АОС, на основе сахаридов содержит горюче-связующее - сорбит, газообразователь - дициандиамид, окислитель - нитрат калия, дополнительно вводятся технологические добавки - церезин или стеарат металла, например натрия, катализатор - например, оксид железа и стабилизатор химической стойкости - например, централит и/или дифениламин в количестве не превышающем 0,5 мас. %.
Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях мас. %: сорбит - 15÷40, дициандиамид - 2÷5, оксид железа - 0,1÷5, церезин или стеарат меди 0,1÷1,0, централит и/или дифениламин в количестве не превышающем 0,5 мас. % - 0,1÷1,0, нитрат калия - остальное.
Оптимальное количество дициандиамида позволяет в сочетании с катализатором обеспечить стабильное горение и оптимальную скорость горения состава 1,9-2,2 мм/с. Очевидно, что увеличение количества дициандиамида в предлагаемых АОС приведет к уменьшению скорости реакции горения и ухудшит воспламеняемость.
Включенный в состав оксид железа выступает в качестве катализатора, ускоряя реакцию.
Наравне с газообразователем дициандиамидом могут также использоваться уротропин, мелем, гуанидин, мелон, меламин, органические соли металлов.
В качестве катализаторов могут выступать химические соединения металлов или их смесь, а в качестве окислителя - нитраты металлов или их смесь.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с моносахаридом, например глюкозой.
В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с олигосахаридом, например сахарозой.
В следующем предпочтительном варианте в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с полисахаридом, например с крахмалом.
В другом варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют нитроцеллюлозу в различных вариациях.
В следующем предпочтительном варианте в качестве газообразователя используют уротропин в смеси дициандиамидом.
В следующем предпочтительном варианте в качестве газообразователя используют органическую соль металла.
Стоит особенно отметить эффективность использования предлагаемых малопламенных АОС на основе сахаридов в переносных генераторах (ГОАП), без охладителя, предназначенных для подавления пламенного горения объектов (например, одежды на человеке) в открытом пространстве.
Температура газо-аэрозольной струи этих огнетушителей не превышает 50°С на расстоянии 20 см от выпускного отверстия.
Предлагаемые АОС могут быть использованы в качестве вытесняющего агента в порошковых и жидкостных системах пожаротушения, усиливая пожаротушащий эффект.
Как уже отмечалось ранее, технология изготовления малопламенных АОС на основе сахаридов является простой и безопасной. Компоненты расплавляются в обычном реакторе с мешалкой, при температуре около 100°С (точка плавления сорбита, основного компонента горюче-связующего 95°С), то есть при температуре значительно ниже температуры возгорания компонентов состава.
Затем состав разливается в формы или картриджи и сразу после остывания (40-60 минут) может использоваться по назначению. Эта технология, используя равномерное распределение измельченных компонентов в расплаве горюче-связующего, обеспечивает расстояние между частицами, вступающими в реакцию, сравнимую с размерами молекул. Это обстоятельство, наряду с удачно подобранным химическим составом, придает уникальные эксплуатационные свойства предлагаемым авторами АОС.
При необходимости, предлагаемые АОС могут изготавливаться и по традиционным технологиям: экструзия, вальцевание, глухое и проходное прессование и пр., но надо учесть при этом, что эксплуатационные характеристики АОС ухудшаются.
Акцентируем: эффективность предлагаемого семейства АОС определяется расстоянием между частицами, вступающими в реакцию, которое сравнимо с размерами молекул и удачно сложенной рецептурой.