ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ БЕНГАЛЬСКОЙ СВЕЧИ
PYROTECHNIC COMPOSITION OF BENGAL STICK

Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно, к составам, содержащим неорганические соли кислородных кислот азота, нитраты щелочных или щелочноземельных металлов, и предназначено для изготовления термических смесей из мелко раздробленных металлов, сплавов в комбинации с неорганической солью азоткислородной кислоты, способной выделять оксид металла, для функционального покрытия бенгальских свечей.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав для бенгальской свечи, описанный в патенте SU 1820908 A3, C06B 33/14, 1993 г., который содержит азотнокислый барий, алюминиевую пудру, порошок железа, цирконий, чугунную дробь, связанные клейстером, включающем кукурузный декстрин, кукурузный и картофельный крахмал, которые содержатся в следующем соотношении, мас.%:
азотнокислый барий
41-46
алюминиевая пудра
2-5
порошок железа
20-25
цирконий
2-5
чугунная дробь
18-23
кукурузный декстрин
3-6
кукурузный крахмал
0,5-1,5
картофельный крахмал
0,5-1,5.
Состав приготавливается с использованием водного клейстера на лопастном смесителе. Свечи изготавливают окунанием в приготовленный состав металлических стержней с последующей послойной сушкой покрытия при температуре 110°C для удаления влаги.
Особенностью этого состава является образование при горении крупных искр, которые имеют повышенный радиус разлета, сохраняя пожарную безопасность, при невысокой температуре нагрева.
Недостатком описанного пиротехнического состава является его практическая нетехнологичность из-за высокой текучести, что определяет многопереходный процесс послойного нанесения с межоперационной сушкой. При этом материал примыкающих слоев плохо схватывается между собой, при сушке трескается и откалывается, а в течение времени хранения покрытие отслаивается, что заметно ухудшает функциональность по назначению.
Кроме того, этот состав плохо воспламеняется от открытого огня спички и неустойчиво горит, что ограничивает ее потребительские свойства.
Низкий коэффициент использования функционального покрытия бенгальской свечи по назначению из описанного пиротехнического состава определен большим содержанием чугунной дроби - неэффективного искрообразующего компонента.
Более совершенным является пиротехнический состав для бенгальской свечи по патенту RU 2041187 C1, C06B 33/14, 1995 г., который содержит термическую основу: нитрат бария - окислитель и алюминиевую пудру в качестве металлического горючего, активатор воспламенения и горения - нитрат натрия, искрообразующий порошок железа, связанные посредством декстриново-крахмального клейстера, который предотвращает избыточное стекание состава после окунания несущих стержней и цементирует компоненты после удаления влаги.
Этот пиротехнический состав для бенгальской свечи включает следующие компоненты, мас.%:
нитрат бария
46-50
алюминиевая пудра
3-8
порошок железа
25-60
нитрат натрия
0,5-1,5
смесь декстрина с
полиакриламидом
0,2-0,6
крахмал
0,2-5.
Железный порошок при горении термической основы состава раскаляется и выбрасывается в виде пучка искр в структуре генерируемых при сгорании органического связующего газоаэрозольных продуктов, создавая красочный фейерверочный эффект.
Введение в связующее пиротехнического состава крахмала обеспечивает тиксотропность, когда вязкость практически не меняется при резком снижении текучести, что упрощает технологию послойного нанесения покрытия окунанием несущих прутков свечи.
Полиакриламид в составе клейстера обеспечивает вязкотекучесть технологической смеси, которая при окунаний металлических прутков формирует пастообразный слой, высыхающий без трещинообразования.
Нитрат натрия повышает живучесть смеси при формировании свечей, предотвращая структурирование полиакриламида, в результате чего функциональное покрытие приобретает пластичность.
Недостатком известного состава является низкая химическая стойкость технологической смеси для приготовления бенгальских свечей из-за того, что раствор нитрата бария реагирует с алюминием в присутствии неизбежной окиси железа, в результате чего через 6-10 часов после приготовления технологической смеси изготовить качественную бенгальскую свечу невозможно. Нерасходованную смесь при этом приходится уничтожать.
В определенных условиях эта смесь может разогреться и самовоспламениться, что недопустимо в пиротехническом производстве.
Кроме того, из известного пиротехнического состава формируется рыхлое покрытие, осыпающееся в служебном обращении и при хранении, снижая тем самым потребительские качества бенгальской свечи.
Функциональность сформированного покрытия бенгальской свечи невысока из-за балластного содержания негорючего железного порошка, который не раскаляется при нестабильном горении пиротехнического состава, потому что металлическое горючее его термической основы неэффективное, так как алюминиевая пудра инертна и гаснет на воздухе.
Отмеченных недостатков лишен состав по RU 2171247, C06B 33/04, 2001 г., который по числу совпадающих признаков и технической сущности выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному пиротехническому составу.
Известный пиротехнический состав для бенгальской свечи содержит (мас.%):
барий азотнокислый
30,0-42,0
металлическое горючее
(порошок алюминиево-
магниевого сплава)
4,0-7,0
органическое горючее связующее
5
(клей)
7,0-12,
железный порошок
(искрообразователь)
44,0-44,5
бензоаты аммония, натрия
или калия
3,0-4,0
перхлорат калия
до 1
аэросил
до 1.
Предложенный пиротехнический состав отличается от известного как качественным содержанием компонентов: отсутствуют бензоаты, а наличие перхлората калия и аэросила не обязательно, так и количественно: бария азотнокислого - меньше минимального предела; органическое связующее заявлено кратно выше, чем по прототипу; железный порошок - в количестве меньше меньшего предела содержания по прототипу; перхлорат калия - в гарантированном диапазоне содержания.
При содержании в пиротехническом составе бария азотнокислого больше 26 мас.% возникает пламенное горение, что небезопасно и создает некомфортность потребителю от разогрева несущего металлического стержня бенгальской свечи, при этом снижается искрообразование, ухудшая функциональность покрытия свечи.
Содержание железного порошка больше 39 мас.% является негорючим балластом, который приводит к неустойчивому горению функционального покрытия свечи.
Введение порошка алюминиево-магниевого сплава больше 6 мас.% приведет к резкому повышению скорости горения состава без требуемого искрообразования, так как железный порошок в массе не успевает должным образом раскалиться в формируемом при избытке горючего факеле, действие которого пожароопасно.
Наличие в пиротехническом составе хлорнокислого калия (перхлората калия) обеспечивает стабильность воспламенения покрытия свечи и активное горение органического связующего с повышенным газообразованием, необходимым для диспергирования искрообразующих веществ в пространстве, улучшая показатели назначения.
При горении в составе хлорнокислый калий образует цветопламенную добавку КС1, которая создает красочный фейерверочный эффект.
Поэтому содержание обязательного компонента - хлористокислого калия в пиротехническом составе по изобретению оптимизировано в диапазоне 0,5-2,0 мас.%.
Клей (органическое горючее связующее) массовой долей 7-12,5% в прототипе стабилизирован введением дополнительного компонента - бензоата аммония, натрия или калия в количестве 3-4 мас.%, чего в сумме оказалось недостаточно для предотвращения образования трещин в покрытии при высыхании, в результате чего происходит его осыпание при хранении и утрата требуемой функциональности.
В известном составе возможно дополнительно вводить до 1 мас.% технологическую добавку аэросила в качестве структурного диспергатора, который существенно не влияет на показатели назначения.
Изложенные недостатки количественного содержания компонентов пиротехнического состава для бенгальской свечи определяет ее функциональную ненадежность и неудовлетворительные показатели назначения.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональной надежности пиротехнического состава для приготовления эффективно действующего по назначению покрытия бенгальских свечей.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом составе для бенгальской свечи, включающем окислитель - азотнокислый барий, порошок алюминиево-магниевого сплава в качестве металлического горючего, активатор воспламенения - хлорнокислый калий, искрообразователь - железный порошок и органическое горючее связующее, содержащее декстрин и крахмал, согласно изобретению, компоненты содержатся в следующем соотношении, мас.%:
азотнокислый барий
24-26
хлорнокислый калий
0,5-2,0
порошок алюминиево-
магниевого сплава
5-6
железный порошок
36-39
органическое связующее
30-32.
Особенностью предложенного состава является то, что органическое связующее выполнено в виде крахмально-декстринового клейстера, приготовленного на водной основе смешением компонентов в следующем соотношении, мас.ч.:
декстрин кукурузный
1-го сорта
5-6
крахмал кукурузный
2-2,5
декстрин кукурузный
2-го сорта
5-7
крахмал картофельный
1-1,5.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили повышение показателей назначения надежно функционирующему пиротехническому составу для бенгальских свечей за счет оптимизации массового соотношения компонентов, при улучшении тиксотропности приготовленной смеси и реологии покрытия из него.
Предложенное оптимизированное соотношение окислителя и высокоэнергетического металлического горючего в термической основе пиротехнического состава обеспечивает его активное горение с образованием снопа искр раскаленного железного порошка, безопасных при эксплуатации бенгальских свеч в помещении.
При содержании в пиротехническом составе окислителя - азотнокислого бария меньше 24 мас.% происходит неполное сгорание покрытия, которое локально догорает отваливающимися кусками, что может служить причиной ожогов и возгораний. Относительно малое содержания нитрата бария определяет недостаток выхода монохлорида бария (зеленой составляющей), окрашивающего пламя, снижая красочный эффект действия бенгальской свечи.
При содержании в пиротехническом составе азотнокислого бария больше 26 мас.% возникает пламенное горение, что небезопасно и создает некомфортность потребителю от разогрева несущего стержня свечи; к тому же снижается искрообразование, ухудшая функциональность покрытия.
Использование в качестве металлического горючего порошка алюминиево-магниевого сплава продиктовано его активным участием в искрообразовании, высокой калорийностью сгорания и химической стабильностью при хранении, так как его структурные компоненты находятся в связанном состоянии сплава.
При содержании в составе порошка алюминиево-магниевого сплава менее 5 мас.% горение нестабильное, в пульсирующем режиме с образованием малого количества искр.
При введении в состав порошка алюминиево-магниевого сплава больше 6 мас.% происходит динамичное горение функционального покрытия свечи без требуемого искрообразования, так железный порошок в массе не успевает должным образом раскалиться.
Содержание в составе железного порошка меньше 36 мас.% определяет недостаток распределенных центров каления, создающих искры, поэтому фейерверочный эффект бенгальской свечи снижается.
Содержание в составе железного порошка больше 39 мас.% является негорючим балластом, который приводит к неустойчивому горению функционального покрытия свечи.
Введение в пиротехнический состав хлорнокислого калия в количестве 0,5-2,0 мас.% обеспечило стабильное воспламенение покрытия свечи и его активное горение органического горючего с повышенным газообразованием, необходимым для диспергированя искрообразующих веществ, повышающим показатели назначения. При горении в составе хлорнокислый калий образует цветопламенную добавку КС1, которая повышает красочный фейерверочный эффект.
Кратное повышение в пиротехническом составе массовой доли связующего, выполненного из водной смеси кукурузных декстринов разной фракционности (первого и второго сортов), и крахмалов кукурузного и картофельного в оптимальном их массовом соотношении, которое определено экспериментально, обеспечило достижение цементирующих свойств структурирующего технологическую композицию гелеобразного клейстера, из которого при сушке покрытия вода удаляется без трещинообразования.
При этом технологично формируемое функциональное покрытие характеризуется, кроме повышенных эксплуатационных показателей, стабильным горением, так как это связующее является органическим горючим и газообразователем для дистанционного транспортирования искр в пространстве, что способствует формированию фейерверочного эффекта.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сущность изобретения иллюстрируется примером выполнения пиротехнического состава для функционального покрытия бенгальских свечей.
Предварительно приготавливают клейстер на водной основе, включающий компоненты в массовых частях: 5-6 декстрина кукурузного 1-го сорта, 2-2,5 крахмала кукурузного, 5-7 декстрина кукурузного 2-го сорта и 1-1,5 крахмала картофельного на 13-17 частей воды соответственно, которые смешивают в течение 6-8 минут до образования гелеобразной консистенции.
Компоненты органического связующего загружают в лопастной смеситель.
Затем в смеситель помещают согласно заявленному содержанию компоненты пиротехнического состава (мас.%): 26 бария азотнокислого (ГОСТ 1713-79), 36 порошка железного марки ПЖР2 (ГОСТ 9849-86), 1,0 калия хлорнокислого (CAS 7778-74-7), 6 порошка алюминиево-магниевого сплава марок ПАМ-3, -4 и 31 приготовленного комплексного клейстера, которые перемешивают в течение 20-25 минут до образования однородной технологической смеси в форме пасты.
Приготовленную пасту помещают в емкость слоем высотой, на которую погружают закрепленные в технологической полете стержни из стальной проволоки по ГОСТ 54943-71 диаметром 1,5-2 мм.
После подъема технологической полеты стержни извлекаются из технологического состава, слой которого высотой 130-150 мм остается на стержнях, помещаемых в сушильный шкаф, нагретый до 90-100°C, на время выдержки 20-30 минут до высыхания покрытия.
Затем операции окунания и сушки повторяют 2-3 раза до формирования свечи диаметром 6-7 мм, после чего проводят окончательную сушку при температуре 90°C в течение 1,5-2 часов.
Достижение улучшенных показателей назначения (нового технического результата изобретения) иллюстрируют данные, полученные при натурных испытаниях пиротехнических зарядов с характерным массовым соотношением компонентов, указанным в Таблице.
Таблица
Компоненты
Содержание компонентов (мас.%) в составах
№1
№2
№3
№4
№5
азотнокислый барий
20
24
25
26
30
порошок ПАМ
8
6
6
5
3
хлорнокислый калий
0,5
1
1
1
2
железный порошок
40
39
37
36
35
органическое связующее (клейстер)
31,5
30
31
32
30
В результате испытаний опытных образцов бенгальских свечей из различных композиций структурных компонентов в пределах предложенных диапазонов их содержания, на границах и за границами диапазонов получены следующие показатели технологичности приготовления составов и функциональности действия по назначению.
Состав №1 характеризуется неудовлетворительной воспламеняемостью и неполнотой сгорания (13% по химанализу в структуре остатков). Композиция имеет высокую текучесть, что вынуждает наносить функциональное покрытие пятикратным окунанием несущих стержней с промежуточной сушкой, что длительно и нетехнологично. При высыхании покрытия образуются трещины, нарушающие стабильность горения свечи при снижении на треть яркости свечения искр.
Состав №5 характеризуется недостаточной калорийностью из-за количественной несбалансированности термической основы состава, поэтому покрытие свечи не воспламеняется тепловой энергией спичек.
Составы №№2-4, компоненты которых содержатся в массовых пределах заявленных диапазонов, образуют пластичное плотное покрытие за три последовательных окунания стержней с промежуточной сушкой покрытия, которое воспламеняется от одной спички и стабильно горит, полностью сгорая с образованием красочного эффекта - равномерного снопа ярких искр.
Предложенный состав для изготовления бенгальских свечей характеризуется технологичностью, химической стабильностью и воспламеняется от одной спички по ГОСТ 1820-85, что позволяет рекомендовать его на серийное производство в действующем роторном автомате.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности серийного изготовления бенгальских свечей на действующем оборудовании, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.