СОСТАВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ЭЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА
COMPOSITION FOR PREPARING PYROTECHNIC ELASTIC MATERIAL

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.
3
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) см/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.
3
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 см/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);
3
- удельное газовыделение - 9-31 см/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.%:
BaCrO<sub>4</sub>
8-10
KClO<sub>4</sub>
2-7
Фторопласт Ф-42
2-7
Ti
45-61
Асбест
5-8
TiO<sub>2</sub>
16-30
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.
4
4
2
3
Для экспериментальной проверки заявляемого состава были приготовлены несколько составов на основе системы Ti-KClO-BaCrO-TiO-фторопласт-асбест с различным соотношением компонентов, позволяющих создать листовой материал, обладающий скоростью горения 20-30 мм/с, допустимым значением удельного газовыделения 9-31 см/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;
3
- удельное газовыделение - 9-31 см/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.