ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СОСТАВ
SOLID-FUEL GAS GENERATING COMPOSITION

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к разработке термопластичного, перерабатывающегося литьем газогенерирующего состава на основе нитрата аммония и нитрата магния, который может быть использован для приведения в действие различных механизмов, использующих энергию сжатых газов.
Известно достаточно много газогенерирующих составов на основе нитрата аммония и, как правило, их недостатки сводятся в две группы, либо недостаточные скорости горения как при атмосферном, так и при повышенном давлении, сочетающиеся как правило с невысокой энергетикой, либо высокое содержание дорогих и дефицитных энергонасыщенных материалов, делающих данные составы дорогостоящими в производстве.
Известен по патенту РФ № 2423339 «Твердотопливный газогенерирующий состав», который содержит окислитель, горючее-связующее и энергетическую добавку. В качестве окислителя в составе использован нитрат аммония марки ЖВ, в качестве горючего-связующего - метилполивинилтетразол, а в качестве энергетической добавки - нитраминопропионитрил, при следующем содержании компонентов, мас.%: 60-70 нитрата аммония марки ЖВ, 5-20 метилполивинилтетразола, 20-25 нитраминопропионитрила. Состав не содержит токсичные соединения в продуктах сгорания, обладает низкой чувствительностью к детонационным и механическим воздействиям, высокой газопроизводительностью при низкой температуре продуктов сгорания, хорошей воспламеняемостью составов при повышенной скорости их горения в нормальных условиях.
Известен газогенерирующий состав по патенту РФ № 2444505, содержащий нитрат аммония марки ЖВ, динитрамид гуанилмочевины, дикарболлильный комплекс железа и горючее-связующее на основе метилполивинитетразола, пластифицированного эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом. Изобретение обеспечивает низкое содержание конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах, высокую скорость горения и газопроизводительность и низкое время задержки воспламенения.
Изобретение по патенту РФ № 2425821 относится к низкотемпературным твердотопливным газогенерирующим составам на основе нитрата аммония, предназначенным для газогенераторов, используемых в средствах пожаротушения, в устройствах надува различных оболочек и для механизмов, работающих под действием сжатых газов. Газогенерирующий состав содержит, мас.%: нитрат аммония 50,0-70,0, поли-N-метил-5-винилтетразол 4,8-8,0, окись цинка 1,0-2,0, нитраминопропионитрил 16,7-27,3, 2,4-динитро-2,4диазапентан 7,2-11,6, дифениламин 0,3-1,0.
Газогенерирующий состав имеет повышенную удельную газопроизводительность, обладает высоким уровнем механических характеристик и улучшен с экологической точки зрения.
Приведенные выше составы обеспечивают хороший уровень энергетических характеристик, но содержат дорогостоящие и дефицитные соединения, такие как производные динитрамида и тетразолов, нитро- и диазосоединения. Данный фактор по суди сводит к нулю самое главное преимущество нитрата аммония, как дешевого и экологически чистого окислителя. Так как экологичность (экологическая чистота) зависит не только от того какие продукты образуются в результате сгорания данного конкретного состава в момент его применения на месте. Но в равной степени и от того, сколько ресурсов в целом было затрачено на его производство, так как использование ресурсов, а в частности выработка энергии и есть основная нагрузка на окружающую среду, а конечным показателем суммы затраченных ресурсов является стоимость конечного продукта.
Также известен газогенерирующий состав по патенту РФ № 2444554, опубликован 02.07.2010 C09K 8/00. Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке термопластичного твердотопливного состава, используемого для интенсификации и добычи нефти. Термопластичный твердотопливный состав, содержащий нитрат аммония, каучук, катализатор горения, содержит в качестве каучука порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм, в качестве катализатора горения - бихромат калия или бихромат аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитрат аммония 79-88, указанный каучук 8-18, бихромат калия или бихромат аммония 1-11. Технический результат - увеличение при повышенном давлении скорости горения состава и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания.
Данный состав имеет низкую стоимость, не содержит дефицитных компонентов, но содержит токсичные соединения хрома, имеет низкую плотность и низкую скорость горения, а также не высокие энергетические характеристики.
Технической проблемой является создание твердотопливного газогенерирующего состава с максимальной реализацией энергетического потенциала нитрата аммония, а также достижение приемлемых для широкого практического применения скоростей горения без использования дорогостоящих и токсичных компонентов при минимальной стоимости состава в целом.
Техническим результатом является полная реализация энергетического потенциала нитрата аммония как экологически чистого окислителя газогенерирующих составов без использования дорогостоящих, дефицитных или токсичных соединений в составе, а также увеличение плотности состава и скорости горения газогенерирующих составов на основе нитрата аммония.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что твердотопливный состав, содержащий в качестве основного окислителя нитрат аммония, в качестве дополнительного окислителя содержит нитрат магния, в качестве катализаторов горения нитраты аммиакатов цинка и меди, в качестве основного горючего компонента органический амин предпочтительно с двумя или более аминогруппами, например, гексаметилентетрамин, полиэтиленполиамины, триэтилентетрамин при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитрат магния 10-22; аммиакат нитрата цинка 1,5-30; аммиакат нитрата меди 1,5-3,0; органический амин 10-18; нитрат аммония - остальное.
Назначение компонентов: нитрат аммония используется как основа - дешевый и доступный источник легких газов, а также как окислитель, нитрат магния служит дополнительным окислителем, являясь в этом плане весьма эффективным соединением благодаря небольшой атомной массе магния, и невысокой теплоте образования самого нитрата.
Нитрат магния при этом практически полностью и без разложения обезвоживается в расплаве нитрата аммония, впоследствии эффективно снижая температуру плавления всего состава. Образующаяся при горении окись магния с очень развитой поверхностью также частично служит поверхностью для каталитических процессов.
Аммиакаты нитратов меди и цинка являются основными катализаторами процесса горения топлива, особенно аминного, также они снижают фактическую гигроскопичность составов и сильно влияют на физико-механические свойства, в частности, благодаря образованию координационных полимерных соединений с аминами, содержащими от двух и более аминогрупп. Аминные горючие, как уже указано выше, влияют на механические свойства состава. В качестве основного горючего выбран гексаметилентетрамин благодаря ряду положительных свойств, таких как низкая стоимость и доступность, низкая токсичность, положительная теплота образования, достаточно высокая плотность, а также высокое содержание водорода.
Далее в таблице 1 приводится сравнительная характеристика свойств по патенту РФ № 2444554 и предлагаемого изобретения:
Таблица 1.
Состав
Газопроизводительность, л/кг
Расчетный удельный импульс при 68 атм.
Плотность,гр/см<sup>3</sup>
Скорость горения при 2,5МПа, мм/сек
РФ № 2444554
850-960
200-210сек
1,5-1,55
До 4,4
Изобретение
740-960
216-245сек
1,68-1,78
8-12мм/сек
Также, предлагаемый состав имеют низкую зависимость скорости горения от давления, что облегчает проектирование газогенераторов и различных двигателей.
Скорость горения при атмосферном давлении 2-5мм/сек, в газогенераторе/двигателе 8-12мм/сек, при чем скорость 8мм/сек, достигается уже при давлениях не более 10 атм, дальше следует выраженное плато.
ПРИМЕРЫ:
Изготовление данных твердотопливных составов осуществляют в три стадии:
1-я стадия: Сплавление нитрата аммония с нитратами, аммиакатами нитратов, и/или оксидами соответствующих металлов (Mg, Zn, Cu).
2-я стадия: Сплавление полученного на первой стадии окислителя с аминным горючим. Для этого окислитель расплавляется при постоянном контроле температуры не более 130 °С, после чего температура снижается до 100-110 °С, и вводится аминное горючее, при дальнейшем снижении температуры до 90-100 °С. На этой же стадии возможно введение дополнительного горючего, армирующих материалов и технологических добавок. После того, как состав станет однородным, он может заливаться в формы.
В таблице 2 приведены примеры твердотопливных газогенерирующих составов в соответствии с изобретением
Компонент/характеристика
1
2
3
4
5
6
7
8
NH<sub>4</sub>NO<sub>3</sub>
63,5%
59,5%
62%
34,5%
56,2%
59,5%
59,5%
50,7%
Mg(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
10%
16%
22%
17,5%
12%
16%
16%
13,6%
Zn(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>*2NH<sub>3</sub>
12,5%
9,5%
1,5%
30%
11%
9,5%
9,5%
8%
Cu(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>*2NH<sub>3</sub>
3%
3%
1,5%
3%
2,8%
3%
3%
2,5%
C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>N<sub>4</sub>гексаметилентетрамин
11%
12%
13%
15%
18%
10,2%
триэтилентетрамин
12%
полиэтиленполиамин
12%
алюминий
15%
Скорость горения при 1атм, мм/сек
2
2,2
2,2
4,5
--
2
2
2
Скорость горения при 25атм, мм/сек
7-8
8
8
8
7-8
7-8
7-8
12
Газопроизводительность, л/кг
886
871
860
818
962
865
870
740
Расчетный удельный импульс при 68 атм.
225сек
225,5сек
228сек
216сек
215сек
220сек
221сек
245сек
3
Технический результат подтверждается тем, что плотность составов в среднем составляет от 1,68 до 1,78гр/см без использования дополнительного металлического горючего, при этом скорость горения 2-5мм/сек при 1 атм и 8-10 и мм/сек при 25-60 атм, количество газообразных продуктов 740-960 литров на килограмм. Также благодаря наличию в составе нитрата магния и ненасыщенных аммиакатов нитратов цинка и меди в сочетании с аминным горючим достигаются невысокие температуры переработки состава, 90-110 °С. Кроме того, для данных составов характерны такие свойства, как легкость литья в формы, хорошая адгезия к ряду материалов (в основном тканевые и бумажные волокнистые основы), при бронировании же заранее отлитых заготовок хорошей адгезией к составам обладает ряд полимеров, например эпоксидные смолы, полиуретаны, идитол. Достаточное время жизни (длительное сохранение вязко-пластичных свойств после заливки состава).