ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ФЕЙЕРВЕРОЧНЫЙ СОСТАВ
PYROTECHNIC COMPOSITION FOR FIREWORKS

Изобретение относится к области пиротехники, а более конкретно, к пиротехническим составам для иллюминации, увеселительным, зрелищным и сигнальным целям, и предназначен для использования в фейерверках.
Уровень данной области техники характеризуют фейерверочные составы на основе нитроата бария или стронция (зеленого или красного цвета пламени соответственно), которые содержат в качестве металлического горючего порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ), органическое горючее связующее - идитол и дополнительные компоненты (см., например, книгу А.А. Шидловский «Основы пиротехники», М., Машиностроение, 1973 г., с.292).
Количественное соотношение компонентов (мас.%) в указанных фейерверочных пиротехнических составов цветного огня приведены ниже в таблице.
Таблица
Состав и соотношение компонентов
Компонент
нитрат Ва
нитрат Sr
ПАМ
идитол
доп.вещество
содержание, мас.%
-
78-84
16-22
1,5-2,5
нитрогуанидин ≤5
70-75
-
12-18
≤2
Сu, пудра 8-12
Недостатком описанных составов является высокая потребительская стоимость, которую определяет дороговизна дефицитного цветопламенного компонента (нитрат Ва/Sr), составляющего его функциональную и массовую основу.
Отмеченный недостаток устранен в пиротехническом составе цветного огня, описанном патенте UA №9607, F42В 4/00, 1996 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному фейерверочному составу.
Особенностью известного пиротехнического состава является то, что более трети массы цветопламенного окислителя замещено отходами (производственными или арсенальными) пироксилинового пороха в форме крошки, который таким образом рационально и безопасно утилизируется.
Пиротехнический состав содержит барий азотнокислый (нитрат бария), поливинилхлорид суспензионный - усилитель цвета, металлическое горючее в виде порошка алюминиево-магниевого сплава, органическое связующее -фенолформальдегидную смолу (идитол) и утилизируемый сгорающий материал - крошку пироксилинового пороха, которые содержатся в следующем соотношении, мас.%:
нитрат бария
39-47
порошок алюминиево-магниевого сплава
10-11
поливинилхлорид
14-16
крошка пироксилинового пороха
25-29
фенолформальдегидная смола
4-5.
Известный пиротехнический состав зеленого огня, сравнительно с аналогами, обеспечивает улучшенную воспламеняемость, цветовой эффект, выделение большого количества тепла, способствующего интенсификации и равномерности горения в фейерверочных зарядов.
Недостатком известного пиротехнического состава является то, что при горении фейерверочного заряда, спрессованного из него, происходит неполное окисление продуктов термодеструкции избыточного поливинилхлорида, в результате чего в атмосферу выбрасываются экологически вредные вещества - хлор и хлористый водород, относящиеся к веществам 3 класса опасности.
Кроме того, насыщенность продуктов горения пиротехнического состава характерным цветом недостаточна для гарантированного получения красочного фейерверочного эффекта из-за низкого содержания кислорода, который не обеспечивает полного химического взаимодействия продуктов сгорания состава.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональной надежности более эффективного действия по назначению модернизированного пиротехнического состава для фейерверков и салютов.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом фейерверочном составе, содержащем цветопламенный окислитель - нитрат бария или нитрат стронция, поливинилхлорид, порошок алюминиево-магниевого сплава, утилизируемые отходы пироксилинсодержащего материала и фенолформальдегидную смолу, согласно изобретению, он содержит в качестве утилизируемых отходов материал сгорающей гильзы, включающий тринитротолуол, пироксилин и целлюлозу в массовом соотношении как 1:0,5:0,5 соответственно, при содержании компонентов в следующем соотношении, мас.%:
нитрат бария или нитрат стронция
49-53
поливинилхлорид
5-7
порошок алюминиево-магниевого сплава
10-14
материал отходов
сгорающей гильзы
28-32
фенолформальдегидная смола
0,5-1,5.
Особенностью предложенного фейерверочного состава является то, что в качестве цветопламенного окислителя он альтернативно содержит нитрат бария или нитрат стронция, которые по определению окрашивает пламя в зеленый или красный цвет соответственно.
В предложенном изобретении соотношение поливинилхлорид/окислитель, сравнительно с прототипом, уменьшено в 3 раза и дополнительно усилено действие кислородсодержащих компонентов утилизируемых отходов, содержащих пироксилин, что обеспечило полную нейтрализацию вредных веществ в продуктах горения.
Кислородсодержащие вещества отходов материала сгорающей гильзы (тринитротолуол и пироксилин) во взаимодействии с нитратом бария или стронция усиливают горение состава, увеличивая при этом дисперсную фазу генерируемого аэрозоля, что, в совокупности с продуктами термического разложения компонентов утилизируемого материала, создает высокий красочный эффект для фейерверка.
Структура материала сгорающей гильзы и массовое соотношение его компонентов в качестве составляющей предложенного функционального состава остается неизменным, какими они являются в технологических отходах производства, которые составляют до 40% всего перерабатываемого объема материала при изготовлении сгорающей гильзы.
Эти технологические отходы представляют собой энергонасыщенную систему в форме смеси (мас.%): 50 тринитротолуола, 25 пироксилина и 25 целлюлозы.
При утилизации обычным сжиганием этих технологических отходов в атмосферу выбрасываются токсические продукты в виде оксидов азота и углерода и цианистый водород, которые относятся ко 2 и 3 классам опасности.
Использование материала сгорающей гильзы в качестве горючего компонента пиротехнического фейерверочного состава, при горении которого происходит практически полная нейтрализация вредных веществ, позволяет экологически безопасно и экономически выгодно утилизировать технологические отходы.
При содержании в пиротехническом фейерверочном составе материалов сгорающей гильзы меньше 28 мас.% снижается насыщенность пламени фейерверка цветом при сопутствующем минимальном содержании поливинилхлорида выбранного массового диапазона.
При содержании в составе материалов сгорающей гильзы больше 32 мас.% происходит неравномерное горение заряда (пульсации и затухание), что не удовлетворяет условиям эксплуатации фейерверков, так как при ненадежности функционирования не обеспечивается требуемая насыщенность пламени цветом.
Содержание цветопламенного окислителя, сравнительно с прототипом, увеличено для повышения кислородного баланса термической основы пиротехнического состава, чтобы увеличить скорость горения фейерверка и эффективный выход целевых продуктов.
При содержании в составе нитрата бария/стронция меньше 49 мас.% создается недостаточный цветовой эффект, а больше 53 мас.% - является балластным, так не образуется заметного улучшения показателей назначения.
В предложенном составе втрое снижено относительное содержание поливинилхлорида, достаточного для создания насыщенного монохромного излучения распределенными в пламени продуктами его термохимической деструкции и который при этом сгорает полностью, без вредных выбросов.
При содержании в пиротехническом составе поливинилхлорида меньше 5 мас.% в дисперсной фазе продуктов горения снижается содержание монохлорида Ba/Sr (целевого продукта), что в итоге приводит к падению интенсивности монохроматического излучения и, следовательно, падает насыщенность пламени зеленым или красным цветом соответственно.
При содержании в составе поливинилхлорида больше 7 мас.% заметного улучшения красочного эффекта фейерверка не происходит.
Порошок алюминиево-магниевого сплава (металлическое горючее) находится в оптимальном по кислородному балансу соотношении с нитратным окислителем термической основы пиротехнического состава, с учетом дополнительного кислорода, выделяющегося при сгорании структурных компонентов утилизируемого материала.
При содержании в составе порошка алюминиево-магниевого сплава меньше 10 мас.% падает скорость горения и резко снижается удельный выход целевого продукта.
При содержании в составе порошка алюминиево-магниевого сплава больше 14 мас.% избыточно повышается температура горения, при которой происходит термическая деструкция генерируемых целевых продуктов, что снижает насыщенность цветом.
Фенолформальдегидная смола, сравнительное массовое содержание которой в составе кратно уменьшено, потому что роль связующего более качественно выполняют нитротолуол и целлюлоза, содержащиеся в материале утилизируемой сгорающей гильзы, которые при этом обеспечивают цементирование структуры спрессованных пироэлементов.
Фенолформальдегидная смола в предложенном составе служит в качестве технологической добавки (в виде спиртового раствора) для диспергирования компонентов состава при их технологическом смешивании.
При содержании в пиротехническом составе фенолформальдегидной смолы меньше 0,5 мас.% не обеспечивается равномерность распределения смешиваемых компонентов, что приводит к разбросу времени горения функциональных пироэлементов, искажающему тем самым заданный фейерверочный эффект.
Содержание в пиротехническом составе фенолформальдегидной смолы больше 1,5 мас.% является балластным.
Отличительные признаки предложенного технического решения позволили утилизировать неизбежные технологические отходы материала сгорающей гильзы, исключив экологически вредные выбросы в атмосферу при их обычном сжигании.
Созданный в изобретении пиротехнический состав для фейерверков и салютов характеризуется улучшенными показателями назначения по насыщенности пламени характерным цветом за счет повышения скорости горения и удельного выхода целевого продукта.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Предложенный состав может изготавливаться из доступных компонентов отечественной сырьевой базы по принятой в пиротехническом производстве технологии на действующем оборудовании.
Количественное содержание компонентов предложенного пиротехнического состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента для достижения более высоких показателей назначения, сравнительно с известным уровнем техники.
Испытания опытной партии пироэлементов из предложенного состава, компоненты которого содержались в пределах предложенных диапазонов, на их границах и за пределами диапазонов, показали, что максимальный фейерверочный эффект гарантированно достигается при содержании структурных компонентов в оптимизированном массовом соотношении.
При этом практически полностью исключаются экологические вредные выбросы в атмосферу.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого предложенное техническое решение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления состава по изобретению, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.