Газогенерирующий состав

 

Изобретение относится к рецептурам газогенерирующих составов, которые могут быть использованы в системах вытеснения жидких и порошкообразных веществ. Газогенерирующий состав содержит нитрат калия, фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния и аммоний щавелевокислый одноводный при следующем соотношении компонентов, вес. %: нитрат калия 54,0 - 60,0; новолачная фенолформальдегидная смола 15,0 - 24,0; основной карбонат магния 5,0 - 17,0; аммоний щавелевокислый одноводный 5,0 - 20,0. Состав обладает высокими эксплуатационными качествами: низкой температурой образующихся газов и высокой величиной удельной газопроизводительности. Эти параметры обеспечивают надежное функционирование конструкции газогенератора в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oС. 1 табл.

Изобретение относится к рецептурам газогенерирующих составов, а именно к рецептурам, содержащим нитрат калия, которые могут быть использованы в системах вытеснения жидких и порошкообразных веществ.

Поиск, проведенный по отечественным и зарубежным источникам информации, показал, что составов, содержащих нитрат калия, в технике известно очень мало. Все известные газогенерирующие составы, как правило, содержат азиды щелочных или щелочноземельных металлов (см. , например, патенты США NN 4604151, 4734141, 4836255, 4931111, 5064483, заявки и патенты Великобритании NN 1406002, 1443547, 1445551, 1447460, 1520297, Франции NN 2288721, 2648809, 2663628, 2663924, ФРГ NN 2327741, 373117, 3840571, 3842838, 3923179, Германии N 4218531, России NN 559638, 96102409).

Для связывания выделяющегося в процессе горения свободного натрия (или другого щелочного или щелочноземельного металла) эти составы содержат эквимолярные количества галогена или серы.

Кроме того, продуктами сгорания газогенерирующих составов являются газы, которые имеют температуру выше, чем это допустимо для их использования в вышеперечисленных системах, в частности для вытеснения огнетушащего порошка, температура спекания которого не выше 200^oC. Для снижения температуры газов в газогенераторах приходится использовать специальные охлаждающие средства (устройства, вещества), а для улавливания образующихся шлаков предусматривается установка фильтров. Все это приводит к тому, что нерационально используется объем газогенератора, усложняется его конструкция, в конечном итоге снижаются его габаритно- массовые показатели.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой рецептуре является газогенерирующий состав по заявке WO N 92/23800 (A 62 D 1/06), который содержит нитрат калия, в качестве связующего - новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния и дополнительный элемент при следующем соотношении компонентов, вес.%: Нитрат калия - 56,0-63,0 Новолачная фенолформальдегидная смола - 12,5-15,0 Основной карбонат магния - 23,0-29,0 Дополнительный элемент - 0,5-1,5 Данная рецептура имеет те же недостатки: - высокую температуру образующихся газов (из-за большого суммарного количества нитрата калия и новолачной фенолформальдегидной смолы по отношению к содержанию основного карбоната магния) и недостаточную чистоту их; - кроме того, наличие в составе значительного количества основного карбоната магния и технологической добавки в виде дополнительного элемента ведет к уменьшению удельной газопроизводительности, что требует дополнительных затрат для получения необходимого количества газа.

Под удельной газопроизводительностью понимают объем газов, получаемый при разложении 1 кг газогенерирующего состава, приведенный к температуре 0^oC и давлению 0,1 МПа.

Все эти недостатки снижают эксплуатационные качества рецептуры при ее использовании.

Задачей настоящего изобретения является разработка рецептуры газогенерирующего состава на основе нитрата калия с улучшенными эксплуатационными качествами за счет снижения температуры образующихся газов и повышения удельной газопроизводительности без применения дополнительных затрат.

Поставленная задача решается предлагаемой рецептурой газогенерирующего состава, которая содержит нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния и аммоний щавелевокислый одноводный при следующем соотношении компонентов, вес.%: Нитрат калия - 54,0-60,0 Новолачная фенолформальдегидная смола - 15,0-24,0
Основной карбонат магния - 5,0-17,0
Аммоний щавелевокислый одноводный - 5,0-20,0
Нитрат калия в предлагаемой рецептуре, также как и в прототипе, является веществом, разлагающимся в процессе газификации на азот, кислород и гидроокись калия.

Аммоний щавелевокислый одноводный выполняет роль активного теплопоглотителя, при химическом разложении которого поглощается до 2300 кДж/кг тепла. При этом в процессе химических реакций он также продуцирует газообразные вещества.

Новолачная фенолформальдегидная смола является связующим и используется в качестве добавки для обеспечения механических свойств газогенерирующего состава при его изготовлении (как и в прототипе), при этом для удобства ее применяют в порошкообразном виде.

Основной карбонат магния в предлагаемой рецептуре, благодаря своей развитой поверхности, является структурообразующим элементом, который способствует сохранению структуры в процессе термообработки при достижении температуры каплепадения связующего (в прототипе основной карбонат магния выполняет роль охлаждающего и аэрозолеобразующего компонента).

Так как аммоний щавелевокислый является активным теплопоглотителем, способным к тому же разлагаться до газообразных веществ, предлагаемый состав генерирует газы с более низкой температурой, а его удельная газопроизводительность выше, чем у прототипа.

В связи с интенсивным поглощением тепла разлагающимся аммонием щавелевокислым одноводным для нормального функционирования состава заряд из предлагаемого газогенерирующего состава должен иметь сквозную пористость и должен быть выполнен так, чтобы продукты газификации могли двигаться к выходу на фильтр только сквозь пористое тело заряда. При этом конденсированные продукты разложения удерживаются только телом заряда и фильтром, а газ отдает свое тепло заряду, охлаждаясь до его начальной температуры.

В этих условиях экспериментально установлено, что для предлагаемого состава температура газа на выходе из газогенератора не превышает 130^oC в температурном диапазоне от -50 до +50^oC. Величина удельной газопроизводительности составила от 375 до 410 нл/кг.

Рецептура с указанными пределами содержания компонентов является оптимальной. Она дает возможность снизить температуру газов на выходе из газогенератора и повысить удельную газопроизводительность.

Увеличение содержания нитрата калия выше 60% за счет аммония щавелевокислого одноводного ведет к повышению температуры образующихся газов, а уменьшение его количества ниже 54% приводит к снижению удельной газопроизводительности и ухудшению стабильности газификации.

Снижение содержания фенолформальдегидной смолы ниже 15% повышает температуру газификации и ухудшает механические свойства состава (снижается прочность на сжатие), а увеличение содержания связующего выше 24% снижает газопроизводительность и газопроницаемость заряда.

Изменение процентного содержания аммония щавелевокислого одноводного влияет на температуру химического превращения, удельную газопроизводительность: увеличение его содержания выше 20% за счет нитрата калия может привести к снижению скорости газификации состава вплоть до ее прекращения, а уменьшение его количества ниже 5% - к повышению температуры продуктов разложения.

Увеличение содержания основного карбоната магния выше 17% приводит к повышению температуры образующихся газов и к ухудшению технологических характеристик массы (увеличивается ее вязкость). Уменьшение его ниже 5% ухудшает структуру заряда и приводит к снижению газопроницаемости в процессе термообработки.

Предлагаемый состав характеризуется хорошими для гражданской продукции эксплуатационными показателями: газогенераторы с этим составом пожаровзрывобезопасны при нагревании до температуры 150^oC, при падении с высоты 10 метров; сохраняют работоспособность после падения с высоты 5 метров, не способны к взрыву и детонации при ударах.

Предлагаемый состав приготавливается известным в технике способом: перечисленные порошкообразные компоненты перемешиваются в смесителе типа "Бекен" или "Пьяная бочка". Смесь порошков засыпается в заранее подготовленный корпус и любым способом уплотняется до необходимой плотности. После формования состав подвергается термообработке, предусмотренной для используемой марки фенолформальдегидной смолы (130 - 150^oC), с последующим охлаждением.

В таблице приведены характеристики свойств для различного процентного содержания компонентов газогенерирующей композиции.

Из таблицы видно, что композиции NN 2,3,4 имеют наилучшие показатели для применения состава в газогенераторах, а именно:
- удельная газопроизводительность не менее 375 нл/кг;
- температура газов на выходе около 130^oC.

Эти параметры обеспечивают надежное функционирование конструкции газогенератора в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oC.

Данные в таблице приведены при температуре окружающей среды 20^oC.

Сопоставительный анализ предлагаемого газогенерирующего состава с прототипом показал, что он имеет с ним ряд одинаковых компонентов: нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния, но отличается от него тем, что в него введен аммоний щавелевокислый одноводный, при этом рецептура имеет иной количественный состав компонентов, то есть предложение обладает новизной.

Анализ уровня техники показал, что все компоненты, входящие в предлагаемый состав, известны в технике (см. в перечисленных патентах).

Известно использование калийсодержащих неорганических окислителей в твердотопливных композициях, при сжигании которых образуются газоаэрозольные составы (см. , например, статью "Определение длины струи газоаэрозольной смеси, выходящей из генераторов установок объемного тушения", журнал " Взрывобезопасность", 1995, N 2, стр. 37).

Однако эти составы имеют высокую температуру (порядка 1800 К), что сужает область их применения.

В технике известно и применение аммония щавелевокислого одноводного:
- в качестве химического реактива для осаждения солей щелочноземельных металлов;
- в текстильной промышленности в качестве протравы.

Применение аммония щавелевокислого в качестве компонента газогенерирующих составов не известно.

Сравнение предлагаемого состава не только с прототипом показало, что в технике отсутствует рецептура в предложенном сочетании компонентов. Но именно такое сочетание позволяет достичь вышеуказанный результат - создать газогенерирующий состав с улучшенными эксплуатационными качествами, то есть решить поставленную задачу. Таким образом данное техническое решение явно не вытекает из существующего уровня техники и не было очевидным для специалистов, что дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Предлагаемая рецептура газогенерирующего состава не вызовет затруднений при ее изготовлении. Используемые в ней компоненты изготавливаются промышленностью. Приготовление массы производится известным в технике способом и на известном оборудовании. Необходимость же газогенерирующих составов с улучшенными эксплуатационными качествами не вызывает сомнений. Таким образом, изобретение обладает и третьим критерием - промышленной применимостью.

Предлагаемая рецептура газогенерирующего состава прошла опытную отработку и готовится к внедрению в производство.

Формула изобретения

Газогенерирующий состав, включающий в себя нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния, отличающийся тем, что в него введен аммоний щавелевокислый одноводный при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Нитрат калия - 54,0 - 60,0
Новолачная фенолформальдегидная смола - 15,0 - 24,0
Основной карбонат магния - 5,0 - 17,0
Аммоний щавелевокислый одноводный - 5,0 - 20,0о

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2