ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СОСТАВ
GAS GENERATING COMPOSITION

Изобретение относится к рецептурам газогенерирующих составов, а именно к таким, в которых в качестве окислителя используется смесь нитрата калия и нитрата аммония и которые могут быть использованы в газогенераторах для создания избыточного давления в системах порошкового пожаротушения.
Основными требованиями, предъявляемыми к указанным газогенерирующим композициям, являются: возможно более низкая температура генерируемых газов, возможно более высокая удельная газопроизводительность, приведенная к нормальным условиям (температура 298 К, давление 0,098 МПа при конденсированной воде), скорость горения, обеспечивающая срабатывание газогенериующего устройства за требуемое время, механические характеристики, обеспечивающие сохранение работоспособности изделия после воздействия эксплуатационных вибронагрузок, и возможность переработки на существующем технологическом оборудовании. Немаловажную роль здесь играет доступность и развитая промышленная база изготовления компонентов.
В настоящее время в конструкциях автоматических модулей пожаротушения в качестве средства для создания избыточного давления в объеме модуля для выброса порошка наиболее широкое применение получили газогенерирующие устройства с газогенерирующим зарядом, в котором в качестве окислителя используется нитрат калия (патенты РФ №2151135, 2174972, 2191767, 2115449). Во всех указанных технических решениях в качестве органического связующего используется порошкообразная новолачная фенолформальдегидная смола (СФП), а в качестве целевых добавок - неорганические соли. Температура продуктов сгорания известных композиций не превышает 1100 К, что позволяет обеспечить приемлемую температуру газов на выходе из газогенерирующего устройства (менее 473 К) простыми конструктивными элементами. Исходная смесь компонентов, представляющая собой порошкообразный материал, позволяет изготавливать качественные изделия с применением относительно несложного технологического оборудования.
Однако продукты сгорания газогенерирующих смесей с нитратом калия содержат значительные количества веществ, конденсированных при температуре горения. Это ограничивает газопроизводительность известных составов и требует специальных мероприятий по снижению длительного теплового воздействия на окружающую среду после сгорания заряда.
Одним из путей повышения газопроизводительности газогенерирующих составов является частичная замена нитрата калия на нитрат аммония. Полное исключение нитрата калия нецелесообразно, так как это приводит к недопустимому увеличению времени срабатывания и необходимости усложнения состава или конструкции устройства для обеспечения требуемых рабочих параметров.
Из уровня техники известны газогенериующие составы, которые включают в себя окислитель, состоящий из нитрата аммония и нитрата калия в виде сокристаллизата (Попок В.Н. К решению задачи фазовой стабилизации нитрата аммония. - http//zhurnal.ape/relarn.ru/articles/2007/159/pdf; D.Signoriello, L.Galfetti, L.T.DeLuca и др. Твердые топлива на основе сокристаллов нитрата аммония/ПХА для космических применений // Материалы Международной конференции "HEMs-2006", Белокуриха, 11-14 сентября 2006 г.) или в виде механической смеси (патент РФ №2283154, заявка на изобретение РФ №97116160, заявка на изобретение РФ №2001109631).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является принятый за прототип газогенерирующий состав №14 по патенту РФ №2283154 (опубл. 2006.09.10.), содержащий в качестве окислителя смесь нитрата аммония с нитратом калия.
Применительно к целям настоящего изобретения известный состав имеет следующие недостатки:
- высокую расчетную температуру продуктов сгорания (1976 К), значительно превышающую 1100 К;
- высокое содержание паров воды в продуктах сгорания (37%), что отрицательно сказывается на состоянии вытесняемого огнетушащего порошка и из-за конденсации этих паров приводит к низкому значению удельной газопроизводительности, приведенной к нормальным условиям (638 л/кг);
- использование в качестве горючего связующего полисульфида - жидкого или высоковязкого полимерного соединения, что требует применения дорогостоящего смесительного оборудования для получения композиции.
Задачей настоящего изобретения является разработка рецептуры газогенерирующего состава на основе смеси нитрата аммония и нитрата калия, расширяющего ассортимент составов данного назначения, обладающего улучшенными эксплуатационными свойствами за счет достижения сбалансированности таких важных характеристик как удельная газопроизводительность и температура образующихся газов при одновременном повышении технологичности.
Поставленная задача решается предлагаемой рецептурой газогенерирующего состава, содержащего нитрат аммония, нитрат калия. Особенность заключается в том, что состав дополнительно содержит новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитрат аммония
50,0-55,0
Нитрат калия
10,0-20,0
Новолачная фенолформальдегидная смола
20,0-30,0
Основной карбонат магния
5,0-10,0
Нитрат аммония является веществом, разлагающимся в процессе газификации на азот, окись и двуокись азота и воду.
Нитрат калия в результате газификации разлагается на азот, кислород и гидроокись калия.
Новолачная фенолформальдегидная смола является горючим связующим и используется в качестве добавки, обеспечивающей механические свойства газогенерирующего состава при изготовлении, при этом ее используют в порошкообразном виде, что обеспечивает высокую технологичность изготовления заявляемого состава.
Основной карбонат магния благодаря своей развитой поверхности является структурообразующим элементом, а также выполняет роль компонента, поглощающего тепло и снижающего чувствительность состава к механическим воздействиям.
Снижение содержания фенолформальдегидной смолы ниже 20% повышает температуру газификации, ухудшает механические свойства состава и уменьшает удельную газопроизводительность, а увеличение содержания связующего выше 30% за счет окислителя снижает удельную газопроизводительность и скорость горения.
Увеличение содержания основного карбоната натрия выше 10% приводит к снижению удельной газопроизводительности и плотности готового изделия. Снижение его содержания ниже 5% ухудшает структуру заряда и повышает чувствительность состава к механическим воздействиям.
Предлагаемый газогенерирующий состав характеризуется хорошими эксплуатационными показателями, делающими его привлекательным для применения: газогенераторы, снаряженные этим составом, пожаровзрывобезопасны при нагревании до 150°С, при падении с высоты 10 м, при ударах не взрываются и не детонируют.
В технологии изготовления заявляемого состава используются широко применяемые в технике приемы и оборудование: порошкообразные компоненты перемешиваются в любом смесителе, смесь порошков формуется в корпус и уплотняется до необходимой плотности. После формования состав подвергается термообработке, время и температура выбираются в зависимости от марки фенолформальдегидной смолы.
В Таблице приведены характеристики свойств состава для различного процентного содержания компонентов. Композиции №2,3,4 показали оптимальные результаты. При использовании заявленного состава удается получить расчетную газопроизводительность, приведенную к нормальным условиям, на 40% больше, чем у прототипа, при температуре продуктов сгорания 1068 К, значительно более низкой по сравнению с прототипом, а также снизить содержание паров воды в продуктах сгорания.
Таблица
Компоненты и характеристики
Содержание компонентов в мac.%. Значения характеристик
Выход за пределы
Заявляемые пределы
Выход за пределы
1
2
3
4
5
Нитрат аммония
56
55
52,5
50
49
Нитрат калия
21
20
15
10
9
Новолачная фенолформальдегидная смола
19
20
25
30
31
Основной карбонат магния
4
5
7,5
10
11
Удельная газопроизводительность, л/кг
636
674
906
834
816
Температура, К
1604
1500
1068
1050
1050
Объемная доля паров Н<sub>2</sub>O
0,286
0,257
0,19
0,124
0,11
Время срабатывания, с
1-3
5-6
15
25
27-30
Чувствительность к удару 10 кг, нижний предел, мм
250
300
400
500
500
В Таблице указана наименьшая высота, при падении с которой груза массой 10 кг наблюдается вспышка навески образца смеси. Чем высота больше, тем менее чувствительна смесь.
Сопоставительный анализ заявляемого газогенерирующего состава с прототипом показал, что предложенный состав содержит одинаковые компоненты - нитрат калия и нитрат аммония, но отличается от прототипа иным горючим связующим, его агрегатным состоянием и наличием в рецептуре основного карбоната магния. Кроме того, массовая доля окислителя в предлагаемом составе составляет 60-75%, в то время как в прототипе она составляет 79-95%, а содержание нитрата аммония в предлагаемом составе значительно ниже, чем в прототипе.
Все компоненты, входящие в предлагаемый состав, известны в уровне техники, но неизвестен состав, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков. Именно такое сочетание компонентов и их количественное содержание позволило достичь вышеуказанного технического результата, который невозможно получить при реализации изобретения по прототипу, и решить поставленную задачу.
Используемые в заявляемой рецептуре компоненты изготавливаются промышленностью и вполне доступны.
Предлагаемый газогенерирующий состав позволяет удовлетворить давно существующую потребность в составах, обладающих сбалансированностью важных эксплуатационных характеристик, ведется подготовка к его внедрению в производство.