ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ДЫМОВОЙ СОСТАВ
PYROTECHNIC SMOKE COMPOSITION

Изобретение относится к средствам для образования дымовых завес, а более конкретно, к пиротехническим составам на основе хлората калия, которые предназначены для использования при павильонных видео- и киносъемках.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический дымовой состав, описанный в учебнике Шидловского А.А. Основы пиротехники, М., «Машиностроение», 1973, с. 243, который содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
хлорат калия
20-30
хлористый аммоний
50
нафталин или антрацен
20
уголь древесный
до 10
В этом составе в качестве дымообразователя служат легко возгоняющиеся вещества: хлористый аммоний и ароматические углеводороды нафталин и антрацен, содержащие много водорода, что обеспечивает большое по объему количество газообразных продуктов горения.
Процесс образования дыма сводится к возгонке этих веществ при горении состава и фазовому переходу в твердое состояние дисперсных частиц после охлаждения на воздухе, то есть в результате естественного конденсирования паров.
Количество окислителя (хлората калия) определено полнотой окисления горючего до получения паров воды и оксидов углерода.
В качестве горючего использован древесный уголь и нафталин/антрацен, которые выполняют не только функции дымообразования, но и горючего, частично возгоняясь, частично сгорая.
Относительно большое содержание малоактивного хлористого аммония обеспечивает сравнительно малую чувствительность состава к механическим воздействиям при переработке и в процессе эксплуатации.
Уголь древесный является адсорбентом кислотной среды продуктов горения, что способствует формированию более плотной дымовой завесы, то есть повышает эффективность пиротехнического состава по назначению.
Однако продолжением достоинств действия угля древесного является присущий недостаток - нестабильность его свойств, что заметно влияет на стабильность дымообразования пиротехнических зарядов.
К недостаткам описанного пиротехнического состава следует также отнести высокую летучесть нафталина и канцерогенные свойства антрацена технического, что ограничивает использование дымовых зарядов в закрытых помещениях, в частности, для павильонных кино- и видеосъемок.
Кислородный баланс этого дымового состава резко отрицательный, что дает при горении газовую среду, включающую значительное количество оксида углерода и легко воспламеняющихся паров нафталина или антрацена, что определяет наличие пламенного горения, снижающего оптическую плотность формируемой завесы сероватого дыма.
Кроме того, используется описанный пиротехнический состав в оболочке с выходными отверстиями (не исключающими возникновения пламени), что трудоемко, непроизводительно и дорого.
Наличие в продуктах горения этого дымового состава вредных веществ неполного окисления ограничивает его применение в закрытых помещениях, для интерьерных кино- и видеосъемок и в павильонах.
Более совершенным является пиротехнический состав белого дыма для использования на открытом воздухе, описанный в книге Платова Г.А. ПИРОТЕХНИК. Искусство изготовления фейерверков, М., ЭКСМО, 2005, с. 169, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу.
Известный пиротехнический состав белого дыма включает окислитель-хлорат калия, дымообразующий хлорат калия, органическое горючее связующее - горный воск и мел природный (карбонат кальция) в качестве нейтрализатора кислотной среды продуктов горения, мас.%:
хлорат калия
44-47
хлористый аммоний
36-38
горный воск
15-16
мел (пудра)
2-4
Этот пиротехнический дымовой состав по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу.
Горный воск - природный углеводород из группы нефти, битумов - служит в пиротехническом составе в качестве органического горючего связующего и является дополнительным дымообразователем при горении заряда.
Недостатком известного дымового состава является неудовлетворительная эффективность действия по основному целевому назначению из-за несбалансированности массового соотношения компонентов его термической основы, хлорат калия / хлористый аммоний = 1,2, что явно недостаточно для интенсивного дымообразования.
Заряды из известного состава характеризуются рыхлостью, поэтому вынужденно увеличивают удельное давление прессования, что создает неравноплотность по высоте заряда, которая определяет нестабильность скорости горения и низкую интенсивность дымообразования
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченного недостатка для улучшения технологичности пиротехнического состава и получения равноплотных зарядов из него, при сопутствующем повышении оптической плотности дымовой завесы.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пиротехническом дымовом составе, включающем окислитель - хлорат калия, дымообразующий хлористый аммоний, горный воск в качестве органического горючего связующего и карбонат кальция в качестве нейтрализатора кислотной среды, согласно изобретению, массовое содержание хлората калия относительно хлористого аммония составляет 1,5-1,8, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хлорат калия
47-53
хлористый аммоний
29-32
горный воск
14-16
карбонат кальция
4-5
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили улучшение функциональности действия состава по назначению, при повышении интенсивности дымообразования с формированием при этом более плотной дымовой завесы.
Оптимизация массового соотношения компонентов термической основы дымового состава (хлорат калия/хлористый аммоний - в диапазоне 1,5-1,8) позволила снизить удельные нагрузки при формовании зарядов, которые характеризуются стабильными плотностью физико-механическими свойствами по всей высоте заряда.
При горении пиротехнических зарядов из предложенного дымового состава обеспечивается полнота возгонки дымообразующих хлористого аммония и горного воска без балластного остатка.
Дымовой состав по изобретению характеризуется стабильным беспламенным горением, при нейтрализации генерируемого экологически безопасного белого дыма, что обеспечивает возможность его применения в помещениях, в частности для павильонных киносъемок.
Содержание в пиротехническом составе хлората калия в количественном диапазоне 47-53 мас.% оптимизировано по химической активности для полной возгонки хлористого аммония соответствующей массы 29-32%.
При массовом соотношении в предложенном пиротехническом составе хлората калия относительно хлористого аммония за пределами оптимизированного диапазона 1,5-1,8 дымообразование при горении заметно падает, не обеспечивая визуального эффекта плотной, оптически непроницаемой завесы, пригодной для видеоизображения тумана, облачности, дымового облака и т.п. эффектов киносъемок.
При содержании в пиротехническом составе белого дыма хлората калия меньше 47 мас.% заметно падает плотность формируемой дымовой завесы, то есть не обеспечивается необходимая функциональность по назначению.
При содержании в пиротехническом дымовом составе хлората калия больше 53 мас.% нет улучшения показателей назначения, эффективность дымообразования снижается.
При содержании в пиротехническом составе хлористого аммония больше 32 мас.% образуется его балластный остаток при сопутствующем дефиците термической основы, что снижает оптическую плотность аэродисперсного образования, снижая визуальный эффект тумана.
При содержании в пиротехническом составе хлористого аммония меньше 29 мас.% снижается эффективность дымообразования.
Содержание горного воска оптимизировано в количестве 14-16 мас.%, необходимом для технологичного смешивания порошковых компонентов состава без пыления и автоматического прессования из текучей смеси функциональных зарядов.
Мел природный является доступным дешевым материалом, который химически взаимодействует с продуктами горения, нейтрализуя кислотную среду и служит в качестве адсорбента, стабилизируя параметры горения и дымообразования.
При содержании в пиротехническом составе мела природного меньше 4 мас.% не полностью нейтрализуется кислотная среда в генерируемом дыме, не исключая его корродирующее действие на электроконтакты аппаратуры и приборов, а также металлических конструкций в съемочном павильоне.
Содержание в пиротехническом составе мела природного больше 5 мас.% является балластным.
Количественное содержание компонентов состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и нашло подтверждение по результатам натурных испытаний опытных образцов зарядов.
Основное достоинство предложенного дымового состава по изобретению - экологическая безопасность функционирования по назначению, что расширяет область его применения и 100%-ная надежность воспламенения заряда от 1 г ДРП или от одной запал-спички.
Отсутствие в предложенном дымовом составе экологически опасных компонентов и нейтральный характер продуктов горения и дымообразования обеспечивает потребительскую ценность зарядов при использовании в качестве генераторов дымовых завес в помещениях.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
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 практической возможности серийного изготовления дымовых зарядов на действующем в отрасли оборудовании, можно сделать вывод о соответствии условиям патентоспособности.
Предложенный дымовой состав приготавливают по принятой в пиротехнике технологии.
В промышленный смеситель загружают порошкообразные компоненты дисперсностью не выше 50 мкм в мерных долях (мас.%): 50±3 хлората калия, 30,5±1,5 хлористого аммония и 4,5±0,5 мела природного (карбоната кальция), которые перемешивают в течение 5-7 минут.
Затем добавляют 15±1 мас.% горного воска и перемешивают в течение 3-5 минут до полной гомогенизации приготовленного состава, из которого уплотнением формируют дымовые заряды.
При этом обеспечивается равномерное распределение компонентов в объеме заряда в оптимизированном их массовом соотношении.
Достижение улучшенных показателей назначения иллюстрируют составы для натурных испытаний пиротехнических зарядов с характерным массовым соотношением компонентов, приведенных в Таблице.
Опытная проверка составов с приведенным содержанием компонентов на дымообразование показала, что составы 2-4 полностью соответствуют требуемым качественных показателям назначения.
Состав 1 характеризуется снижением протяженности и времени существования дымового облака, оптическая плотность которого не удовлетворяет требованиям видеосъемок в качестве визуализации тумана.
Состав 5 характеризуется неудовлетворительной прессуемостью в заряды, при горении которых дымообразование снижается.
Испытания предложенных дымовых составов, содержащих компоненты в пределах оптимизированных диапазонов, сравнительно с известными аналогами, выявили следующие преимущества:
- удельная массовая и счетная концентрация дисперсной фазы дыма увеличилась на 30-40%;
- обеспечена 100%-ная воспламеняемость от запал-спички (при 80-90% по прототипу);
- при горении предложенной композиции дымового заряда образуются экологически безопасные продукты, которые не обладают канцерогенными свойствами.
Опытная проверка дымового состава по изобретению подтвердила безопасность его применения в закрытых непроветриваемых помещениях в качестве эффективного источника устойчивой оптически плотной дымовой завесы при горении, которая может служить в качестве имитатора тумана, облачности, дымовой завесы и других видеоэффектов киносъемок.