Газогенерирующий состав
GAS GENERATING COMPOSITION

Изобретение относится к области пожаротушения, а именно, к композициям, при сгорании которых образуется огнетушащий газ (смесь газов), не содержащий озоноразрушаюших веществ. Изобретение может быть использовано как в устройствах газового пожаротушения, так и в устройствах, использующих газ или смесь газов для создания давления внутри резервуара (модуля) для вытеснения огнетушащего вещества: порошка, воды или водных растворов и иных текучих веществ или композиций.
Известно изобретение по патенту RU 2640466, опубл. 09.01.2018, где раскрыт безазидный газогенерирующий состав, содержащий новолачную фенолформальдегидную смолу, нитрат калия, карбонат магния основной, мочевину и графит в требуемой пропорции. Из указанной композиции формируют канальный пористый газопроницаемый заряд для использования в составе газогенерирующего устройства, обеспечивающий возможность создания процесса горения не объемным, а послойным, инициируемым искусственным перепадом давления между начальной поверхностью, поверхностью воспламенения и конечной поверхностью, поверхностью истечения генерируемых газов из исходного заряда.
Недостатком данного изобретения является то, что для нормального функционирования указанного состава требуются специальные условия, которыми должен обладать изготовленный из него заряд, например, наличие сквозной пористости и газопроницаемости, а также центрального глухого цилиндрического канала. Вышеизложенный недостаток приводит к усложнению и удорожанию технологии изготовления как самих газогенерирующих зарядов, так и генераторов газа на их основе.
Пламегасящая композиция, известная из патента RU 2610120, опубл. 08.02.2017, содержит соединение, выбранное из солей меди, в количестве от 30 мас. % до 95 мас. %, и огнезащитный компонент в количестве от 5 мас. % до 70 мас. %. В качестве источника тепла и источника энергии в этой композиции служит пиротехническое соединение, которое после поджига сгорает, создавая высокую температуру, обеспечивающую протекание реакции разложения композиции, что дает возможность распыления, совместно с пиротехническим соединением, большого количества полученных в результате реакции пламегасящих веществ с целью пожаротушения. Пламегасящая композиция на основе солей меди может быстро и эффективно уменьшать количество тепла, выделяемого при сгорании пиротехнического соединения; существенно снижать температуру распыляемых веществ и устранить необходимость применения в устройстве пожаротушения сложных систем охлаждения.
Основным недостатком данного изобретения является то, что указанная композиция не может использоваться в качестве источника получения «чистого» огнетушащего газа, так как генерируемый при ее сгорании газ содержит достаточно большое количество твердых продуктов сгорания (например, калия углекислого).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является изобретение по патенту RU 2151135 C1, 20.06.2000, которое относится к рецептурам газогенерирующих составов для использования в системах вытеснения жидких и порошкообразных веществ. Газогенерирующий состав содержит нитрат калия, фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния и аммоний щавелевокислый одноводный при следующем соотношении компонентов, вес. %: нитрат калия 54,0 - 60,0; новолачная фенолформальдегидная смола 15,0 - 24,0; основной карбонат магния 5,0 - 17,0; аммоний щавелевокислый одноводный 5,0 - 20,0. Как указано в источнике, состав обладает высокими эксплуатационными качествами: низкой температурой образующихся газов и высокой величиной удельной газопроизводительности, и обеспечивает надежное функционирование конструкции газогенератора в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50°С.
Недостатками наиболее близкого аналога является то, что отсутствует возможность использования упомянутого газогенерирующего состава для получения огнетушащего газа, так как в образующемся газе присутствует метан (более 0,05 мольных долей (мол.дол.) и пары воды (0,28-0,35 мол.дол.), и содержится малое количество углекислого газа (не более 0,16 мол.дол.), что в свою очередь ограничивает область применения данного газогенерирующего состава только для наддува и вытеснения жидких и порошкообразных веществ.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка пиротехнического состава, генерирующего смесь огнетушащих газов, таких как углекислый газ, азот и парообразная вода.
При использовании данного газогенерирующего состава обеспечивается достижение следующих технических результатов:
- расширение области применения за счет возможности использования зарядов из заявляемого газогенерирующего состава не только для систем вытеснения жидких и порошкообразных веществ, но и в устройствах пожаротушения, генерирующих огнетушащий газ (смесь газов) и предназначенных для тушения очагов класса А2, В и С, а также для активации процесса золе-гелеобразования при получении быстротвердеющей огнетушащей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты;
- возможность применения предлагаемого состава для изготовления различных зарядов (как канальных, так и бесканальных) за счет отсутствия специальных требований для нормального функционирования состава, а именно: обязательного наличия в заряде сквозной пористости и газопроницаемости, а также центрального глухого цилиндрического канала.
Для решения задачи и достижения технических результатов предлагается газогенерирующий состав, содержащий газогенерирующий агент, нитрат калия и новолачную фенолформальдегидную смолу в качестве горючего связующего, причем в качестве газогенерирующего агента используют оксалат металла с переменной валентностью при следующем соотношении компонентов, масс.%:
оксалат металла с переменной валентностью
32,0-70,0
нитрат калия
25,0-54,0
новолачная фенолформальдегидная смола
5,0-14,0
2
4
2
2
4
2
2
4
2
2
2
4
3
2
2
4
2
2
4
2
В качестве газогенерирующего агента используют оксалаты металлов с переменной валентностью, например, оксалат никеля двуводный NiCO·2HO, оксалат меди полуводный CuCO·0,5HO, оксалат кобальта двуводный CoCO·2HO, оксалат железа (III) пятиводный Fe(CO)·5HO, оксалат магния двуводный MgCO·2HO, оксалат кальция одноводный CaCO·HO, преимущественно, оксалат меди полуводный. Свойства перечисленных выше оксалатов представлены в таблице 1, приведенной на Фиг. 1.
Примеры осуществления предлагаемого изобретения с указанием получаемых при сгорании составов продуктов приведены в таблице 2 на Фиг. 2.
На Фиг. 3 показана фотография шашки газогенерирующего состава в процессе горения.
На Фиг. 4 представлена фотография раскаленной шашки газогенерирующего состава сразу после сгорания.
Для изготовления предлагаемого состава используются известные в технике приемы и оборудование. Смешивают порошки компонентов состава в соотношении как указано в примерах (Фиг. 2), для смешения может быть использован любой смеситель. Затем смесь порошков формуют в пресс-форму и уплотняют до необходимой плотности. После формования состав подвергается термообработке, время и температура выбираются в зависимости от марки фенолформальдегидной смолы.
2
-5
Как видно из примеров осуществления изобретения (Фиг. 2) при сгорании предлагаемого состава образуется значительное количество углекислого газа СО, что обеспечивает использование состава не только в устройствах, использующих смесь газов для создания давления внутри резервуара (модуля) и вытеснения огнетушащего вещества, но и в устройствах пожаротушения генерируемым огнетушащим газом. Отмечаем также, что при сгорании предлагаемого состава образуются лишь следы, не более 0,68·10мольных долей, угарного газа (CO), что обеспечивает безопасность при использовании устройств пожаротушения с таким составом.
2
Примеры показывают, что наибольшее количество целевого огнетушащего газа, а именно CO, дают составы на основе оксалата меди полуводного. При этом в примерах 1, 2, 3 количество паров воды в 1,5 раза меньше, чем количество паров воды в примерах 4, 5, 6, несмотря на то, что содержание газогенерирующего агента примерно в 1,5 - 2 раза выше. Таким образом, состав на основе оксалата меди полуводного возможно применять в тех областях, где требуется не только подавить возгорание, но и нанести минимальный вред защищаемому оборудованию, например, для тушения микроэлектроники. Дополнительным преимуществом состава (примеры 1 - 3) на основе оксалата меди полуводного является то, что их температура горения (Пример 1 - 913°С) близка к температуре плавления образующейся конденсированной фазы, которая при коэффициенте избытка окислителя меньше единицы в большей степени состоит из чистой меди (температура плавления меди 1084,62°С). В процессе горения этого состава происходит размягчение и подплавление образующихся частиц меди, которые при взаимодействии друг с другом формируют высокопористый скелет, выполняющий роль фильтра от образующихся в результате горения небольших количеств твердых частиц углерода и карбоната калия.
Заряды из предлагаемого состава прошли испытания в устройствах пожаротушения, генерирующих огнетушащий газ (газогенераторах), в модулях пожаротушения кухонного оборудования, а также в системах получения быстротвердеющей огнетушащей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты. В качестве примеров приведены процедуры и результаты испытаний газогенерирующего состава, выполненного согласно примеру 1 (Фиг. 2).
3
3
3
2
Заряд из предлагаемого газогенерирующего состава размещали в устройствах пожаротушения, генерирующих огнетушащий газ. Использовали заряд, состоящий из 10 шашек со сквозным цилиндрическим каналом диаметром 12 мм. Указанное устройство устанавливали в герметичной испытательной камере объемом 0,5 м, в которой был также размещен модельный очаг пожара. В первом случае использовали очаг класса А2, представляющий собой пластину из органического стекла (полиметилметакрилат) размером 105×20×10 (Д×Ш×В), во втором случае - очаг класса В, представляющий собой стальную плошку с н-гептаном диаметром 80 мм, в третьем случае - портативную газовую горелку (модельный очаг класса С). После предварительного горения модельного очага, которое для класса А2, В и С составило 30, 30 и 5 секунд соответственно, закрыли дверь испытательной камеры и привели в действие с помощью пиротехнического узла запуска газогенератор. Пламя модельных очагов А2, В и С было потушено через 20, 25 и 6 секунд соответственно после начала работы газогенератора. Процесс прекращения горения модельных очагов фиксировали визуально через смотровое стекло в испытательной камере. Огнетушащая концентрация по потере массы заряда составила 495 г/мво всех трех испытаниях, что близко к нормативной огнетушащей концентрации чистого СО для тушения пожаров твердых нетлеющих материалов (пожар класса А2) и н-гептана, которая составляет 34,9 об.% или в пересчете на массовую концентрацию 637,2 г/м (https://gazoanalizators.ru/converter/). Данный факт в незначительной разнице концентраций обусловлен наличием азота и паров воды в газовой фазе продуктов сгорания предлагаемого состава.
Заряд из предлагаемого газогенерирующего состава, состоящий из 3 шашек со сквозным цилиндрическим каналом диаметром 10 мм, помещали в газогенератор, который затем установили внутри модуля пожаротушения кухонного оборудования, наполненного огнетушащей жидкостью. При помощи пиротехнического узла запуска инициировали работу газогенератора, через 3 секунды давление в баллоне достигло рабочего и сработала пусковая мембрана, обеспечив распыление огнетушащей жидкости на модельный очаг пожара, представляющий собой горящее растительное масло. Время выхода огнетушащей жидкости и работы газогенератора составило около 20 секунд. Модельный очаг был потушен в течение 10 секунд после начала распыления огнетушащей жидкости.
2
Заряд из предлагаемого газогенерирующего состава помещали в газогенератор огнетушителя для получения быстротвердеющей огнетушащей пены на основе вспененного гидрогеля кремниевой кислоты (конструктивное исполнение огнетушителя раскрыто в патенте RU 2749136, опубл. 04.06.2021). Заряд выполняли в виде одной бесканальной шашки, изолированной со стороны нижнего торца и боковой поверхности с помощью термостойкого полимерного материала для обеспечения торцевого горения и увеличения времени генерации газа. После инициирования горения газогенератора с помощью пиротехнического узла запуска, генерируемый газ (с высоким содержанием углекислого газа) по трубопроводам одновременно поступал на вытеснение жидкого компонента, представляющего собой раствор силиката щелочного металла и углеводородного поверхностно-активного вещества в воде, и на активацию процесса золе-гелеобразования указанного жидкого компонента для получения на выходе из устройства твердеющей в течение 10 секунд пенной массы. Температура выделяемых газов не превышала плюс 110°С, что обусловлено в первую очередь низкой температурой горения предлагаемого состава, а также использованием химических поглотителей тепла. Активация процесса золе-гелеобразования жидкого компонента быстротвердеющей огнетушащей пены в данном случае возможна за счет высокого содержания CO в газовой фазе продуктов сгорания предлагаемого состава.