Состав цветного огня и способ его изготовления
COMPOSITION OF COLOURED FIRE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области пиротехники, а именно к производству составов цветного огня для фейерверков и сигнальных изделий.
Анализ литературно-патентного материала в области создания пиротехнических изделий для фейерверков показал, что изготовление пироэлементов ("звездок") осуществляется с использованием горюче-связующего материала, пламеокрашивающих компонентов, металлического горючего. В качестве горюче-связующего материала используются идитолы, смолы, асфальтиты /1/, коллоксилин, пластифицированный штатными труднолетучими пластификаторами нитроглицерином, динитродиэтиленгликолем или их смесью с динитротолуолом /2, 4/, или пироксилин, пластифицированный удаляемым легколетучим растворителем /3/. В качестве компонентов, придающих окраску пламени, используются соединения бария, стронция, натрия, меди, мела, а также хлорсодержащие органические и неорганические соединения, в качестве металлического горючего используют алюминий, магний, или их сплавы.
В качестве прототипа нами взят патент RU 2064914 кл. С1 С06В 21/00, 33/08, F42. В 4/04 "Фейерверочный состав, способ его изготовления, многослойный фейерверочный элемент и способ его изготовления", содержащий в масс. %: нитроцеллюлозу - 29-53, труднолетучий пластификатор - 12-38, перхлорат калия или нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, или их смесь - 5-35; металлическое горючее алюминий, или магний, или алюминиево-магниевый сплав, или дробь чугунную, или порошок титана, или порошок сплава железа с кремнием - 5-40; централит - 0,3-2,0; дифениламин - 0,3-2,0; стеарат цинка - 0,3- 1,5; стеарат магния - 0,01-0,5; индустриальное или приборное масло - 0,5-2,0; фторопласт 0,5-2,0; гидроокись хрома - 0,01-0,1; пламеокрашивающие добавки - остальное.
Предложенный авторами прототипа способ изготовления фейерверочного состава включает обработку в смесителе металлического горючего 0,9-1,1% водным раствором бихромата натрия (калия) в течение 30-60 мин при Т=65-90°С, затем в смеситель вводят раствор соли магния и перемешивают 10-30 мин, далее - раствор стеарата натрия (калия) и перемешивают в течение 30-120 мин и отжимают. В отдельном смесителе в водной среде подготавливают смесь коллоксилина, пластификатора, дифениламина, централита, масла индустриального или приборного, фторопласта, стеарата цинка и водонерастворимых пламеокрашивающих добавок, затем в смеситель загружают суспензию обработанного металлического горючего, всю композицию перемешивают в течение не менее 120 мин и отжимают от воды на отжимных аппаратах. Водорастворимые неорганические компоненты растворяют в воде при Т=105-115°С до получения насыщенного раствора и дозируют на вальцы одновременно с отжатой смесью нерастворимых компонентов для удаления остаточной влаги, усреднения и пластификации. Отвальцованный полуфабрикат подвергают сушке. Так как состав высоконаполненный и термопластичный, все операции производятся при повышенных температурах. Многослойные пироэлементы в виде коаксиально расположенных цилиндров из составов с различным цветом пламени получают путем экструзии с трех экструдеров шнекового типа. Далее экструдат режут на необходимую длину и для обеспечения при горении требуемого многоцветного эффекта торцы элементов покрываются изолирующим негорючим составом.
Недостатками способа изготовления фейерверочного состава по прототипу является длительность технологического процесса, большие водо-трудо- и энергозатраты, высокая зависимость химической стойкости фейерверочных элементов от температурно-временных режимов и точной концентрации реагентов при подготовке металлического горючего. Ввод в состав до 40% абразивных крупнодисперсных компонентов в виде дроби чугунной колотой (минимальная дробь чугунная №0,3 по ГОСТ 11964-81 имеет фракционный состав от 0,200 до 0,635 мм) или сплава железа с кремнием, требующего измельчения, резко повышает опасность переработки состава по технологии, сопряженной с глубокими термо-механическими, сдвиговыми воздействиями при вальцевании энергоемкой массы и формовании элементов на экструдерах шнекового типа. Предложенный способ изготовления фейерверочного состава для организации зрелищных мероприятий технически опасен и в современных условиях экономически невыгоден.
Технической задачей изобретения являлась разработка рецептуры состава цветного огня для фейерверков с высокими светотехническими, технологическими, баллистическими характеристиками на базе предназначенных для утилизации снимаемых с вооружения Российской армии энергоемких материалов и технически безопасного и экономически эффективного способа его изготовления.
Решением технической задачи явилось создание состава цветного огня для фейерверков, содержащего в качестве горюче-связующего материала снимаемые с вооружения устаревшие по тактико-техническим характеристикам и предназначенные для утилизации баллиститные пороха и топлива, а также "ловушечный" коллоксилин, не используемый по прямому назначению в силу большого разброса технических характеристик (содержание азота, вязкость и т.д.), металлического горючего, окислителя, пламеокрашивающих компонентов, технологических добавок и способ его изготовления.
При разработке состава цветного огня руководствовались основными принципами /1/ создания пиротехнических изделий для организации зрелищных мероприятий, в частности, использование горюче-связующих материалов, содержащих не менее 50% кислорода и дающих при сгорании бесцветное пламя. Энергоемкие баллиститные пороха и топлива обладают комплексом специальных свойств: термопластичностью, высокой химической и термической стабильностью, состоят практически из нитроэфиров целлюлозы, активных и инертных пластификаторов, имеют более 50% кислорода, при сгорании образуют минимальное количество конденсированных продуктов, что позволяет использовать их при компоновке рецептуры состава цветного огня.
Разработанный состав цветного огня содержит в качестве горюче-связующего утилизируемые баллиститные пороха или топлива или их смесь с горюче-связующей добавкой, содержащей "ловушечный" коллоксилин, пластификатор дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, металлического горючего - алюминиево-магниевый сплав или смесь алюминиево-магниевого сплава с алюминием, технологических добавок - калий хромовокислый, стеарат натрия, полиакриламид или его производные, поверхностно-активного вещества - сульфорицинат Е, окислителя - нитрат калия, модификатора горения - углерод технический, пламеокрашивающих компонентов - водонерастворимые мелкодисперсные неорганические соединения бария, стронция, натрия (криолит), меди, циркония, кальция и, при необходимости, поливинилхлоридную смолу, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
горюче-связующее
- 45-78
металлическое горючее
- 10-25
нитрат калия
- 2-7
углерод технический
- 0,3-1,0
стеарат натрия
- 0,1-0,5
калий хромовокислый
- 0,1-0,5
сульфорицинат Е
- 0,1-0,2
полиакриламид или его производные
- 0,1-0,3
«ловушечный» коллоксилин
- 0-10
дибутилфталат
- 0-3
централит II
- 0-0,3
индустриальное масло
- 0-0,3
стеарат цинка
- 0-0,03
пламеокрашивающие компоненты
- остальное
В качестве горюче-связующего состав цветного огня содержит утилизируемые баллиститные пороха или топлива, или их смесь с горюче-связующей добавкой, вводимой в состав за счет уменьшения соответствующего количества утилизируемых порохов или топлив.
Горюче-связующая добавка содержит «ловушечный» коллоксилин, пластификатор - дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости-централит II, индустриальное масло и стеарат цинка в массовом соотношении (64-69):(34-29):(1-3):(0,1-0,2):(0,01-0,02) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения желтого цвета пламени состав содержит криолит, поливинилхлоридную смолу при массовом соотношении (77-75):(23-25) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения красного цвета пламени состав содержит карбонат стронция, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (65-67):(35-33) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения зеленого цвета пламени состав содержит карбонат бария, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (65-67):(35-33) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения голубого цвета пламени состав содержит оксид меди, поливинилхоридную смолу в соотношении (65-70):(35-30) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения фиолетового цвета пламени состав содержит оксид меди, мел, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (41-43):(22-23):(37-35) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения оранжевого цвета пламени состав содержит карбонат стронция, мел, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (41-43):(22-23):(37-35) соответственно.
В качестве пламеокрашивающих компонентов для получения оранжевого цвета пламени состав содержит карбонат стронция, криолит, поливинилхоридную смолу при массовом соотношении (51-33):(25-23):(32-33) соответственно.
В качестве пламеокрашивающего компонента для получения белого цвета пламени состав содержит карбид циркония в количестве 5-12%.
В качестве металлического горючего состав содержит алюминиево-магниевый сплав или смесь алюминиево-магниевого сплава с алюминием в соотношении (75-25):(25-75) соответственно.
В таблицах 1, 2 приведены рецептуры образцов состава цветных огней и основные технические характеристики.
По компонентному составу цветного огня можно сказать следующее:
а) заявленное количество горюче-связующего - утилизируемых баллиститных порохов или топлив, или их смеси с горюче-связующей добавкой, содержащей "ловушечный" коллоксилин, пластификатор-дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости - централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, вводимой в состав за счет соответствующего снижения содержания утилизируемых порохов или топлив, обеспечивает требуемую технологичность массы при смешивании в мешателе и дальнейшей переработке при вальцевании и прессовании, а также физико-механические и энергетические свойства состава. При уменьшении содержания горюче-связующего повышается опасность изготовления: не обеспечивается равномерное распределение компонентов в мешателе, при переработке массы на вальцах не достигается однородная структура полотна, что ведет к большим потерям порошкообразных компонентов и снижению зрелищного эффекта при работе фейерверочного изделия. Увеличение содержания горюче-связующего ведет к снижению светотехнических характеристик состава - яркости, блеска, цветности и насыщенности пламени;
б) снижение или увеличение содержания нитрата калия в качестве дополнительного окислителя ведет к снижению зрелищности фейерверка за счет снижения яркости и цветности пламени: при меньшем содержании нитрата калия нет полного окисления горючих элементов и нет яркости, при увеличении содержания в пламени начинает превалировать желтая составляющая, так как калий дает нежелательное излучение газообразных продуктов реакции в желтой части спектра;
в) ввод металлического горючего менее 10% не обеспечивает требуемую яркость пламени, при увеличении содержания более 25% наблюдаются значительные потери порошка при переработке, а при горении состава образуется большое количество конденсированных продуктов, снижающих яркость и цветность пламени;
г) при использовании углерода технического менее 0,3% не наблюдается модификации скорости горения, увеличение содержания более 1,0% приводит к снижению энергетических свойств состава, что отрицательно сказывается на его светотехнических характеристиках.
д) заявленное количество порошкообразного полиакриламида или его производных 0,1-0,3 мас. %, вводимых в мешатель в виде предварительно подготовленного водного геля 1% концентрации, обеспечивает флокуляцию порошкообразных компонентов на поверхности частиц горюче-связующего и снижение их потерь при дальнейшей переработке.
Способ изготовления состава цветного огня включает измельчение утилизируемых порохов и топлив до частиц с размерами не более 5 мм, а, при необходимости, приготовление горюче-связующей добавки, содержащей «ловушечный» коллоксилин, пластификатор - дибутилфталат, стабилизатор химической стойкости - централит II, индустриальное масло и стеарат цинка, пассивацию порошка алюминиево-магниевого сплава 0,3-0,5% раствором хромовокислого калия в течение не менее 15 мин, гидрофобизацию его 1,5% стеарата натрия по отношению к навеске сплава в течение 10-15 мин и обработку 0,1% раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е при температуре от 70 до 85°С, а при использовании алюминия - обработку алюминия 0,1% водным раствором сульфорицината Е при температуре от 10 до 20°С, подготовку 1,0% водного геля полиакриламида или его производных при температуре не ниже 15°С, смешивание указанных компонентов с остальными компонентами состава цветного огня в мешателе с горизонтальными мешалками при температуре не ниже 15°С в течение не менее 60 мин при содержании воды от 20 до 30%, транспортирование смешенной массы на вальцы, вальцевание массы при температуре от 70 до 80°С с получением таблетированного полуфабриката, сушку таблетированного полуфабриката при температуре от 70 до 95°С в течение от 60 до 95 мин, прессование элементов требуемых типоразмеров при температуре от 70 до 80°С, резку элементов на требуемую длину.
В подготовку компонентов входит:
- измельчение на резательных станках утилизируемых баллиститных порохов или топлив с получением стружки, крошки с размерами частиц до 5 мм, обеспечивающих равномерное распределение компонентов при смешивании и технологичность массы при вальцевании и прессовании. Увеличение размеров измельченных частиц более 5 мм ведет к значительным потерям порошкообразных пламеокрашивающих компонентов и снижению цветопламенных характеристик;
- пассивация в реакторе порошка алюминиево-магниевого сплава 0,3-0,5% водным раствором хромовокислого калия в течение не менее 15 мин, гидрофобизация его 1,5% стеарата натрия по отношению к навеске сплава в емкости с вертикальной мешалкой в течение 10-15 мин и обработка 0,1% водным раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е при температуре от 70 до 85°С при модуле по воде 1:1-2. Пассивация и гидрофобизация алюминиево-магниевого сплава обеспечивают образование поверхностной окисной и гидрофобной пленки, препятствующей дальнейшему окислению металлического горючего в присутствии воды в мешателе, а также его химическую совместимость с утилизируемыми баллиститными порохами и топливами. Уменьшение концентраций хромовокислого калия в растворе ниже 0,3% и стеарата натрия ниже 1,5% не обеспечивает необходимое качество пассивации и гидрофобизации сплава, увеличение концентрации реагентов - экономически нецелесообразно. Значения химической стойкости состава цветного огня по газовыделению на установке "Вулкан" при температуре 110°С в течение 5 ч представлены в таблице 2 и подтверждают преимущества предлагаемого процесса изготовления и переработки массы;
- обработка алюминия, покрытого гидрофобным парафином или жировыми добавками, 0,1% водным раствором поверхностно-активного вещества сульфорицината Е в емкости с мешалкой при температуре от 10 до 20°С придает порошку гидрофильность и обеспечивает качественное смешивание с компонентами состава в мешателе. Снижение концентрации сульфорицината Е менее 0,1% в растворе не обеспечивает необходимую гидрофильность алюминия, повышение концентрации приводит к повышенному пенообразованию и ухудшает процесс выгрузки продукта из емкости;
- подготовка 1,0% водного геля из сухого полиакриламида или его производных при температуре не ниже 15°С в емкости с мешалкой. Полиакриламид или его производных в виде водного геля 1,0% концентрации обеспечивают необходимую флокуляцию порошкообразных компонентов на частицах утилизируемых баллиститных порохов и топлив при смешивании массы в мешателе;
- приготовление горюче-связующей добавки путем смешивания «ловушечного» коллоксилина, пластификатора - дибутилфталата, стабилизатора химической стойкости - централита II, индустриального масла и стеарата цинка.
Подготовка компонентов обеспечивает безопасное и равномерное их распределение при смешивании в мешателе с горизонтальными мешалками и необходимую технологичность при вальцевании и прессовании.
Компоненты состава цветного огня смешивают в мешателе с горизонтальными мешалками при температуре не ниже 15°С в течение не менее 60 мин при содержании воды в количестве от 20 до 30%, поступающей с измельченным баллиститным порохом или топливом, "ловушечным" коллоксилином, суспензиями алюминиево-магниевого сплава, алюминия, полиакриламидом или его производными в виде водного геля. Данное количество воды обеспечивает безопасное перемешивание массы в мешателе, транспортирование и переработку на вальцах. При увеличении содержания воды наблюдаются большие потери порошкообразных компонентов и водорастворимого неорганического окислителя нитрата калия, что отрицательно влияет на светотехнические свойства составов. При меньшем содержании воды повышается опасность при смешивании и вальцевании массы.
В результате проведенных работ получен состав цветного огня с технологическими, баллистическими характеристиками, чувствительностью к механическим воздействиям, химической и термической стойкостью на уровне баллиститных порохов и топлив, и светотехническими характеристиками: силой света, яркостью и чистотой цвета пламени - на уровне пиротехнических составов для фейерверков, с цветным и искристо-форсовым пламенем различной цветовой гаммы высокой зрелищности.
На состав цветного огня и элементы для фейерверков из состава цветного огня выпущены технические условия. Пироэлементы из состава цветного огня в условиях отраслевого института и предприятия - потребителя прошли стендовые, типовые испытания в фейерверочных 195 мм изделиях "Соната", "Опал", 100 мм изделиях "Ассоль" на высоте от 95 до 159 м и показали 100% воспламеняемость, требуемую скорость и время горения в температурном диапазоне от минус 30 до плюс 40°С, высокую зрелищность. Выпуск состава цветного огня до 30 т/год осуществляется на промышленном предприятии отрасли.
При организации производственного участка созданы новые рабочие места, отпускная цена на составы цветного огня находится на уровне рыночных цен на данную продукцию.
На фиг. 1 представлена блок- схема способа изготовления состава цветного огня на основе утилизируемых баллиститных порохов, топлив и "ловушечного" коллоксилина.
Список документов, цитированных в отчете о поиске:
1. Шидловский А.А. основы пиротехники. М., «Машиностроение», 1973
2. Пиротехнический фейерверочный состав цветного огня SU 1777320
3. Пиротехнический состав фиолетового огня RU 1527841 от 10.10.1995 г.
4. Фейерверочный состав, способ его изготовления, многослойный фейерверочный элемент и способ его изготовления RU 2064914 С1 МПК С06В 21/00, С06В 33/04, F42B 4/04, от 10.08.1996 г.