ТЕРМОИНДИКАТОРНЫЙ ПИРОСОСТАВ
THERMO INDICATOR PYROTECHNIC MIXTURE

Изобретение относится к области термометрии, а именно к порошковым термоиндикаторам, предназначенным для измерения температуры в печах или при местном подогреве перед сваркой изделий, выполненных из меди и ее сплавов.
Известна термоиндикаторная краска, содержащая термопигмент на основе оксида ванадия (V), оксида калия, оксид серы (VI), оксид кремния, полиметилсилоксановую смолу и толуол при заданном соотношении компонентов. При нагревании аналог восемь раз изменяет свой цвет со светло-зеленого до черного в интервале температур 354…1042°С (Пат. RU №2075046 C1, МПК G01K 11/14).
Недостатком данного состава является то, что им невозможно фиксировать более низкие температуры в интервале 250…350°С.
Наиболее близким по своей технической сущности является термоиндикаторный пиросостав содержащий компоненты-окислители, компоненты-восстановители, компонент-связку и эластичную полимерную оболочку (Пат. RU №2327123 C1, МПК G01K 11/06). Указанный состав устраняет отмеченный недостаток аналога и позволяет фиксировать температуры в интервале 270…290°С, однако его недостатками являются: склонность к преждевременному возгоранию, высокая пожароопасность и взрывной характер горения состава, а также низкий срок хранения и недостаточная точность регистрации температуры, вызванные поглощением из окружающей среды влаги.
Техническим результатом на достижение, которого направлено настоящее изобретение, является снижение склонности состава к преждевременному возгоранию, его пожароопасности и скорости горения и повышение срока хранения и точности регистрации температуры.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый термоиндикаторный пиросостав содержит компоненты-окислители, компоненты-восстановители и компонент-связку и дополнительно защищен от влаги окружающей среды эластичной полимерной оболочкой, при этом в качестве компонентов окислителей он содержит нитрат и перманганат калия, в качестве компонентов-восстановителей - цинк и серу, а в качестве компонента-связки - клей БФ-6, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
нитрат калия
65÷75
перманганат калия
5÷8
цинк
8÷10
сера
4÷5
клей БФ-6
остальное
причем 40÷50 об. % взятого клея БФ-6 от его расчетного содержания в готовом составе используется для формирования эластичной полимерной оболочки.
3
4
Входящие в предлагаемый термоиндикаторный пиросостав такие компоненты-окислители, как нитрат калия KNO и перманганат калия KMnO, в оптимальном соотношении при нагревании выше 240…250°С начинают разлагаться с выделением кислорода и далее реагируют с компонентами-восстановителями: цинком Zn, серой S, и органическим компонентом-связкой - клеем БФ-6. При этом происходит воспламенение термоиндикаторного пиросостава при температурах 250…300°С. Часть клея БФ-6 используется для формирования эластичной полимерной оболочки состава, защищающей его от влаги и повышающей срок хранения.
Определенные экспериментально оптимальные соотношения компонентов окислителей, восстановителей и связки (БФ-6) обеспечивают снижение склонности состава к преждевременному возгоранию, уменьшение его пожароопасности, спокойное, устойчивое горение пиросостава и повышенную (в 2-3 раза) точность регистрации им температуры поверхности металлической детали в интервале 250…300°С.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Приготовление термоиндикаторного пиросостава.
Для приготовления термоиндикаторного пиросостава использовали коммерческие марки компонентов окислителей и восстановителей в виде порошков и клей БФ-6 по ГОСТ 12172-74.
Нитрат калия квалификации х.ч. высушивали при 80-85°С в течение 2-3 ч, измельчали в фарфоровой ступке и просеивали через сито с размером ячейки 0,125 мм. Перманганат калия квалификации ч.д.а. использовали без предварительной подготовки. Цинк квалификации х.ч. и серу квалификации фарм. также высушивали, измельчали и просеивали через сито с размером ячейки 0,125 мм. Взвешивание всех порошковых компонентов состава проводили на аналитических весах ВЛР-200 из расчета 10 г готовой смеси. Клей БФ-6 дозировали с помощью одноразового градуированного полипропиленового шприца Луер 10 мл без иглы.
Отмеренные количества нитрата калия, перманганата калия, цинка и серы перемешивали гусиным пером в фарфоровой ступке, смачивали содержимое 3-5 мл этилового спирта, ацетона или их смеси и в полученную кашицеобразную массу добавляли клей БФ-6 в количестве 50÷60 об. % от расчетного содержания. Полученную смесь тщательно перемешивали, переносили резиновым шпателем на стеклянную пластину, подсушивали 3-5 мин и еще влажную протирали шпателем через стальную сетку с размером ячейки 0,8-1 мм. Полученные гранулы свободно сушили на фильтровальной бумаге слоем толщиной 3-5 мм в течение 4-5 ч при 20-25°С в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.
Готовые пиросоставы хранили в герметичных банках из темного стекла с навинчивающимися крышками.
Пример 2. Приготовление термоиндикатора в эластичной полимерной оболочке.
Оставшийся по примеру 1 клей БФ-6 в количестве 40÷50 об. % от расчетного содержания в составе использовали для изготовления эластичной полимерной оболочки термоиндикатора.
Оболочку для термоиндикатора готовили следующим образом. Приготовлялась формовочная смесь, состоящая из 96-98% кварцевого песка; 2-4% глины, 1-2% воды. Затем формовались из этого состава изделия в виде параллелепипеда 15×25×100 мм, в котором стержнем диаметром 8 мм и глубиной 3-5 мм выдавливались отпечатки. После этого форма параллелепипеда устанавливалась в печь и сушилась в ней 30-40 мин при температуре 200-250°С. При остывании до комнатной температуры стенки и дно отпечатка промазывали клеем, после его отвердевания эта операция повторялась 7-10 раз. В подготовленный отпечаток насыпался состав термоиндикатора таким образом, чтобы сверху можно было бы нанести слой клея БФ-6 толщиной 0,1-0,5 мм.
После этого форму (параллелепипед) разрушали и извлекали оболочку с термоиндикатором.
Пример 3. Ускоренные испытания термоиндикатора на влагостойкость.
Готовые образцы термоиндикатора по примеру 2 и образцы состава-прототипа, предварительно отформованные в виде таблеток диаметром 8 мм высотой 3…5 мм, заворачивали в хлопчатобумажную салфетку 15×15 см. Салфетку с образцами помещали в чашку Петри диаметром 100 мм, смачивали салфетку 2-3 мл воды и закрывали крышкой. Закрытую чашку Петри выдерживали при температуре 20-25°С в течение 2-3 ч до появления капель конденсата на крышке, после чего чашку открывали, извлекали и разворачивали салфетку, осматривали состояние и внешний вид образцов.
Развернутую салфетку с образцами сушили сначала на воздухе в течение 1-2 ч, затем при 20-25°С в эксикаторе над безводным хлористым кальцием в течение 4-5 ч. До и после испытания образцы термоиндикатора взвешивали на весах ВЛР-200 и рассчитывали потерю их массы, %.
Пример 4. По определению температуры воспламенения термоиндикатора.
По примеру 2 готовили серии из 3-х образцов индикаторов одинакового состава.
В качестве контрольно-измерительного элемента, позволяющего на стадии разработки термоиндикатора определять температуру воспламенения в зависимости от химического состава и способа нагрева изделия, брали хромельалюмелевую термопару диаметром 0,2 мм, зачеканивали в пластинку из бронзы БРА5 размером 600×600×8 мм, рядом устанавливали таблетку или насыпали слой порошка термоиндикатора, у которого определяли температурный интервал воспламенения путем нагрева пламенем газовой горелки, или пластинку с термопарой и термоиндикатором помещали в муфельную печь, нагретую до 260-290°С. Рабочие концы термопары выводились на милливольтметр. По величине термоэлекродвижущей силы определяли температурный интервал воспламенения термоиндикатора в зависимости от его химического состава. Дальнейшее использование термопар не предусматривается, т.к. она используется только для тарировки термоиндикатора.
Объяснение сущности, обоснование параметров и интервалов.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается использованием в составе термоиндикатора по настоящему изобретению выбранных компонентов-окислителей, -восстановителей и связки при теоретически обоснованном и экспериментально определенном оптимальном их соотношении.
3
4
3
3
Так применение в составе в качестве компонентов-окислителей смеси нитрата и перманганата калия с преобладанием в ней нитрата калия KNO, имеющего более высокую термодинамическую стабильность и плавящегося с разложением и выделением кислорода при более высокой температуре (400°С), чем перманганат калия - KMnO (240°С), обеспечивает снижение склонности состава к преждевременному возгоранию и скорости его горения. Использование в качестве компонента-окислителя состава одного только KNO не позволяет определять им температуры 250…290°С. Уменьшение доли нитрата калия в предлагаемом составе ниже 65 мас. % приводит к чрезмерному замедлению скорости и срыву его горения, а увеличение доли KNO выше 75 мас. % приводит к преждевременному возгоранию со взрывом. Уменьшение доли перманганата калия в предлагаемом составе ниже 5 мас. % и увеличение ее выше 8 мас. % приводит к неустойчивому возгоранию при низких температурах (-250°С), преждевременному возгоранию и взрыву.
Снижение пожароопасности предлагаемого термоиндикаторного пиросостава достигается использованием в нем в качестве компонентов-восстановителей смеси порошков цинка и серы с преобладанием в ней Zn, плавящегося при более высокой температуре (419,5°С), чем S (115,2°С), а также применением в составе в качестве компонента-связки клея БФ-6, который имеет хорошую адгезию к поверхности частиц всех порошковых компонентов состава и защищает их от преждевременного контакта и химического взаимодействия между собой при нагревании. Выбранные соотношения и пределы верхнего и нижнего содержания цинка (8÷10) и серы (4÷5) в предлагаемом составе обеспечивают их полное химическое взаимодействие как с компонентами-окислителями, так и между собой по реакции: Zn+S=ZnS.
Повышение срока хранения и точности регистрации температуры предлагаемым составом достигается за счет использования в составе компонента-связки - клея БФ-6, и помещения термоиндикатора в эластичную полимерную оболочку. Полимерная эластичная оболочка, выполненная из 40-50%-ного по объему от расчетного количества компонента-связки - клея БФ-6, необходимого для реализации изобретения (см. формулу), хорошо защищает уже готовый пиросостав от поглощения влаги из окружающей среды (см. табл. 2). Отсутствие обводнения компонентов, их вид и оптимальные пропорции обеспечивают повышение точности регистрации температуры в интервале 250…300°С в 2-3 раза предлагаемым составом по сравнению с прототипом (см. табл. 1).
Таким образом, оптимальный состав термоиндикатора, отвечающий формуле настоящего изобретения, позволяет определять температуру поверхности детали, выполненной из меди или ее сплавов, в интервале 250…300°С с погрешностью н.б. ±2,5°С.