ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРИГОДНОГО ДЛЯ ДЫХАНИЯ ГАЗА
GAS-GENERATING COMPOSITION FOR PRODUCING BREATHABLE GAS

Данное изобретение относится к области создания пиротехнических составов и описывает газогенерирующую композицию, выделяющую при горении пригодный для дыхания газ. Композиция может быть использована для снижения загазованности обитаемых отделений боевых машин, обеспечения людей кислородом в различных экстремальных ситуациях, например в подводных лодках.
В различных странах мира проводятся работы по созданию газогенераторов нетоксичных газов.
Во Франции запатентована композиция на основе перхлората аммония и перхлората калия, образующая при горении нетоксичные газы. Патент FR 2772370, заявлено 12.12.1997 г. В качестве фиксатора хлора предлагается использовать нитрат натрия либо карбонат лития. Связующим является эпоксидная или силиконовая смола. Композиция содержит также энергетическую присадку, состоящую из азотистых органических соединений, например нитрогуанидина или нитрата гуанидина. Композиция горит при невысоких температурах с образованием газов, обогащенных азотом и обедненных окислами азота и углерода.
В Японии разработана газогенерирующая композиция, которая содержит азотистое органическое соединение как топливный и газообразующий компонент, перхлорат аммония как окислитель, нитрат щелочного или щелочно-земельного металла для нейтрализации хлористого водорода, а также связующее и шлакообразующую добавку (Патент JP 106105, заявленный 21.02.1999 г.).
В патенте приведен пример композиции, которая содержит в качестве горючего 45% нитрогуанидина, 20% перхлората аммония в качестве окислителя, 25% нитрата стронция в качестве нейтрализующей хлор добавки, 5% связующего, 5% шлакообразующей добавки - нитрида кремния. Композиция обладает высокой скоростью образования безвредных газов и легкой фильтруемостью остатка.
Известна также газогенерирующая композиция (патент Японии JP 3247929, заявлен 14.11.1995 г.), содержащая нитрогуанидин, окислитель (нитрат стронция, оксиды или смеси оксидов меди, кобальта, железа, марганца, никеля, цинка, молибдена, висмута), органическое (микрокристаллическая целлюлоза или поливиниловый спирт и/или высокомолекулярный олигомер в количестве не более 5%) или минеральное (диоксид кремния, оксид алюминия и/или дисульфид молибдена) связующее.
В Германии выдан патент PЕ 4435790 от 06.10.1994 г. на газогенерирующее вещество, которое содержит (%): 20…55 карбоната, бикарбоната или нитрата гуанидина, аминогуанидина, диаминогуанидина или триаминогуанидина; 80…45 окислителя - нитратов аммония, щелочных или щелочно-земельных металлов; 5…45 наполнителя - диоксида кремния, алюмосиликатов щелочных или щелочноземельных металлов; оксид железа (III), оксиды кобальта, диоксид марганца, оксид меди (II), силикагель с рН≥7. Смесь может содержать 0,1…5% связующего - водорастворимые производные целлюлозы.
1
2
1
2
В Российском патенте RU 2117649 от 10.06.1994 г. описан порох генератора газа, содержащий горючее, окислитель и носитель для замедления выгорания и улучшения шлакообразования. В качестве горючего берут один карбонат, карбонат водорода или нитрат гуанидина, аминогуанидина или триаминогуанидина. Окислителем является, по меньшей мере, один нитрат щелочного или щелочно-земельного металла или нитрат аммония. В качестве носителя используют, по крайней мере, 2 компонента: С и С. Компонент С выбирают из диоксида кремния, силикатов щелочного или щелочноземельного металла, или алюмосиликатов; компонент С, поставляющий кислород, выбирают из оксида железа (III), оксидов кобальта, диоксида марганца и оксида меди (II).
К недостаткам газогенерирующих композиций по патентам RU 2117649, DE 4435790, JP 3247929, JP 1061057, FR 2772370 следует отнести малое содержание кислорода, большой объем углекислого газа в продуктах сгорания, а также наличие некоторого количества токсичных газов, в основном оксидов азота и углерода.
Наиболее близким по технической сущности является патент США US 5557062 А, МПК С06В 31/28 авторов Richard O.MacLaren, Donald D. Tzeng, выданный 17.09.1996. Запатентована газогенерирующая композиция, продукты сгорания которой содержат 20…40% кислорода и 40…60% азота. Композиция содержит 40…75% нитратов, нитритов, хлоратов, перхлоратов и динитрамидов щелочных или щелочно-земельных металлов и аммония в качестве окислителя; 5…25% образующего азот компонента, в качестве которого используют нитриды кремния, магния, алюминия, а в качестве горючего - 3…20% азодикарбонамида, цианамидов, дициандиамида, меламина, цианомеламина и их производных, 5…25% оксидов металлов 3 или 4 группы.
Данный патент выбран нами в качестве прототипа. Прототип имеет следующие недостатки: продукты сгорания композиции содержат до 32% углекислого газа, до 35% воды; содержание кислорода не превышает 40%. Применение генерируемого газа невозможно без предварительного удаления воды и углекислого газа.
Технической задачей изобретения является разработка газогенерирующей композиции для получения нетоксичных обогащенных кислородом газов, продукты сгорания которой содержат только кислород и азот, причем содержание кислорода должно быть более 40%. Генерируемый газ может иметь примеси воды и углекислого газа, количество которых не превышает их содержания в атмосферном воздухе. Композиция должна быть безопасной и удобной в эксплуатации, при транспортировке и хранении.
Технический результат достигается за счет рационального выбора компонентов и установления оптимального их содержания в композиции.
Так, используемый в ее составе окислитель является поставщиком не только кислорода, но и азота, и обеспечивает необходимое соотношение их в генерируемом газе при отсутствии оксидов азота. В качестве окислителя и образующего азот компонента авторы используют нитраты щелочных или щелочно-земельных металлов или их смеси с перхлоратами калия или аммония, взятые в соотношении, обеспечивающем отсутствие хлористого водорода в продуктах сгорания. Так, на каждый г-атом галогена в перхлорате калия или аммония берут не менее 1 г-моля нитрата калия или натрия.
В качестве горючего предлагается использовать кремний, который выполняет также функцию шлакообразующего компонента, обеспечивающего образование каркаса, предотвращая тем самым попадание пылевидных частиц конденсированной фазы в газовую.
В качестве связующего, обеспечивающего целостность композиции, применяют метасиликат натрия или магнезиальный цемент, которые также улучшают шлакообразование, или нитрат целлюлозы.
Выбор соотношения компонентов в композиции обеспечивает получение нетоксичных газов, содержащих лишь азот и кислород, количество которого достигает 73%, и гарантирует отсутствие в продуктах сгорания оксидов азота и оксида углерода. Содержание примесей углекислого газа и воды не превышает 2,5%.
Данный эффект достигается при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окислитель
70,0…90,0
Горючее
5,0…15,0
Связующее
1,0…15,0
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примерами, приведенными в табл.1 и 2.
Пример изготовления газогенерирующей композиции.
Навеску связующего растворяют при комнатной температуре в ацетоне или в воде, загружают в смеситель, добавляют навеску горючего, перемешивают при комнатной температуре до полного усреднения. К полученной смеси добавляют навеску окислителя, перемешивают до полного усреднения. Полученный состав выгружают на лоток, провяливают при комнатной температуре до остаточного содержания растворителя 3…5%. Изделия изготавливают методом глухого прессования и затем провяливают до полного удаления растворителя.
Как следует из данных табл.1 и 2, продукты сгорания предлагаемой композиции содержат только азот и кислород, причем количество кислорода составляет 55…73%. В генерируемом газе отсутствуют токсичные продукты, содержание примесей углекислого газа и воды не превышает 2,5% и, следовательно, отсутствует необходимость их удаления из смеси генерируемых газов, предназначенных для дыхания. Используемое в составе композиции связующее позволяет изготавливать изделия различной формы и габаритов, что обеспечивает возможность создания газогенерирующих установок с различной продолжительностью
Таблица 1
Компонентный состав газогенерирующей композиции для получения нетоксичных обогащенных кислородом газов
Прототип
Варианты
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
Нитроцеллюлоза
-
-
2,0
1,0
1,5
1,5
5,0
-
5,0
-
Магнезиальный цемент
-
-
-
-
-
-
-
10,0
-
-
Метасиликат натрия
-
-
-
-
-
-
-
-
-
15,0
Кремний
-
-
9,5
10,5
10,0
10,0
10,0
-
5,0
15,0
Магний
-
-
-
-
-
-
-
9,0
-
-
Нитрат натрия
-
-
70,8
53,1
-
-
85,0
81,0
90,0
70,0
Перхлорат аммония
-
-
17,7
-
-
-
-
-
-
-
Перхлорат калия
-
-
-
35,4
8,85
13,27
-
-
-
-
Нитрат бария
-
-
-
-
79,65
-
-
-
-
-
Нитрат стронция
-
-
-
-
-
75,23
-
-
-
-
Меламин
13,7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
углерод
0,1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Карбонат кальция
17,3
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Нитрит натрия
-
48,5
-
-
-
-
-
-
-
-
Оксид алюминия тригидрат
12,4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Хлорат натрия
51,1
24,9
-
-
-
-
-
-
-
-
Нитрид кремния
5,4
16,4
-
-
-
-
-
-
-
-
Цианамид натрия
-
10,2
-
-
-
-
-
-
-
-
Таблица 2
Состав генерируемого газа и характеристики композиций
Прототип
Варианты
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
Продукты сгорания, мол. %:
O<sub>2</sub>
6,8
33,1
62,7
73,0
61,0
64,7
56,6
57,7
57,3
55,0
N<sub>2</sub>
25,7
66,7
36,4
26,9
36,5
32,9
43,4
42,3
42,7
45,0
H<sub>2</sub>O
35,2
-
0,9
0,1
0,9
0,1
0
0
0
0
СО<sub>2</sub>
32,3
0,01
0
0
1,6
2,3
0
0
0
0
NO<sub>x</sub>
-
0,2
0
0
0
0
0
0
0
0
HCl
-
-
0
0
0
0
0
0
0
0
Продукты сгорания после удаления H<sub>2</sub>O и СО<sub>2</sub>, мол.%:
N<sub>2</sub>
79,0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
О<sub>2</sub>
21,0
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Характеристики композиций:
Прочность при сжатии, МПа
-
-
28
4
20
21
32
8
31
15
Чувствительность к удару при грузе 10 кг по ОСТ В 84-892-74, мм
-
-
>500
>500
>500
>500
>500
>500
>500
>500
Чувствительность к трению при скорости вращения 520 об/мин по ОСТ В 84-894-74, кгс/см<sup>2</sup>
-
-
>3000
>3000
>3000
>3000
>3000
>3000
>3000
>3000
Чувствительность к ударному сдвигу по нижнему пределу по ОСТ В 84-895-74, кгс/см<sup>2</sup>
-
-
>2000
>2000
>2000
>2000
>2000
>2000
>2000
>2000
Чувствительность к электрической искре по ОСТ В 84-2176-74, мДж
-
-
>100
>100
>100
>100
>100
>100
>100
>100
работы. Изделия, изготовленные из данной композиции нечувствительны к удару, трению, электрической искре, безопасны при эксплуатации, транспортировке и хранении.
Увеличение содержания связующего более 15% приводит к снижению содержания кислорода в продуктах сгорания менее 55%. Уменьшение содержания связующего менее 1% не обеспечивает необходимую прочность образцов, изготовленных из газогенерирующей композиции.
Увеличение содержания горючего более 15% приводит к снижению содержания кислорода в продуктах сгорания менее 55%. Уменьшение содержания горючего менее 5% приводит к появлению токсичных газов в продуктах сгорания.
Содержание окислителя как менее 70%, так и более 90% приводит к появлению токсичных газов в продуктах сгорания композиции.