Газогенерирующий состав

 

Изобретение относится к рецептурам газогенерирующих составов, использующихся в газогенераторах для систем вытеснения жидких и порошкообразных веществ, а также для изделий, в которых необходимо создать давление определенного уровня для приведения в действие подвижных механизмов, вскрытия мембран и др. Состав включает в себя нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния, аммофос при следующем соотношении компонентов, вес.%: нитрат калия 53,5-60,0; новолачная фенолформальдегидная смола 16,0-24,5; основной карбонат магния 6,0-18,0; аммофос 5,0-17,0. Предлагаемый состав имеет улучшенные эксплуатационные характеристики за счет снижения температуры образующихся газов и повышения удельной газопроизводительности. 1 табл.

Изобретение относится к рецептурам газогенерирующих составов, а именно к таким, в составе которых основным компонентом является нитрат калия и которые могут быть использованы в газогенераторах для систем вытеснения жидких и порошкообразных веществ, а также для изделий, в которых необходимо создать давление определенного уровня для приведения в действие подвижных механизмов, вскрытия мембран и др.

Поиск, проведенный по отечественным и зарубежным источникам информации, показал, что составов, содержащих нитрат калия, в технике известно довольно мало. Большинство известных газогенерирующих составов содержат, как правило, азиды щелочных или щелочноземельных металлов (см., например, патенты США N N 4604151, 4734141, 4836255, 4931111, 5064483; заявки и патенты Великобритании N N 1406002, 1443547, 1445551, 1447460, 1520297, Франции N N 2288721, 2648809, 2663628, 2663924; ФРГ N N 2327741, 373117, 3840571, 3842838, 3923179; Германии N 4218531, России N N 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, как правило, продуктами сгорания газогенерирующих составов являются газы, имеющие температуру выше, чем это допустимо для их использования в вышеперечисленных системах, в частности, для вытеснения огнетушащего порошка, который начинает спекаться при температуре более 200^oС. 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 ухудшаются его габаритно-массовые показатели.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой 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 Недостатками данной рецептуры являются: - высокая температура образующихся газов (из-за большого суммарного количества нитрата калия и новолачной фенолформальдегидной смолы по отношению к содержанию основного карбоната магния) и недостаточная их чистота; - уменьшение удельной газопроизводительности (объем газа, получаемый от разложения 1 кг газогенерирующего состава, приведенный к температуре 0^oC и давлению 0,1 МПа), из-за наличия в составе значительного количества основного карбоната магния и технологической добавки в виде дополнительного элемента.

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 характеристиками за счет снижения температуры образующихся газов и повышения удельной газопроизводительности, а также расширение номенклатуры газогенерирующих составов.

Поставленная задача решается предлагаемой рецептурой газогенерирующего состава, которая содержит нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния и аммофос при следующем соотношении компонентов, вес.%: Нитрат калия - 53,5-60,0 Новолачная фенолформальдегидная смола - 16,0-24,5
Основной карбонат магния - 6,0-18,0
Аммофос - 5,0-17,0
Нитрат калия в заявляемой рецептуре, так же как и в прототипе, является веществом, разлагающимся в процессе газификации на азот, кислород и гидроокись калия.

Аммофос в результате химических реакций выделяет газообразные вещества и, кроме того, он является активным теплопоглотителем, поглощая при плавлении до 310 кДж/кг.

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 заявляемой рецептуре аналогично прототипу благодаря своей развитой поверхности является структурообразующим элементом, который способствует сохранению структуры в процессе термообработки при достижении температуры каплепадения связующего, и выполняет роль компонента, поглощающего тепло.

Т. к. аммофос является активным теплопоглотителем, разлагающимся к тому же с образованием газообразных веществ, предлагаемый состав генерирует газы с температурой и газопроизводительностью не хуже, чем у прототипа.

Отверждение заявляемого состава в генераторе происходит с образованием щелевого зазора между корпусом генератора и наружным диаметром заформованного моноблока. Это позволяет существенно снизить уровень внутрикамерного давления. В то же время моноблок имеет пористость, через которую проходит существенное количество генерируемого газа, остывая при этом. Конденсированные продукты разложения удерживаются телом заряда и фильтром, а газ отдает свое тепло, проходя через тело заряда и фильтр. Экспериментально в этих условиях на выходе из газогенератора при горении заряда заявляемого состава получена температура газа не выше 140^oC при температуре окружающей среды от минус 50 до плюс 50^oC. Величина удельной газопроизводительности составила от 370 до 405 нл/кг.

Рецептура с указанными пределами содержания компонентов является оптимальной. При использовании данного состава в газогенераторе удается получить газ с температурой и газопроизводительностью на уровне прототипа, а существенных изменений в значениях основных параметров при длительном хранении газогенерирующей массы как вне конструкции, так и в конструкциях газогенераторов, в том числе и в негерметичном состоянии, приводящих к неработоспособности изделий, не отмечалось. Таким образом, поставленная задача изобретения предлагаемой рецептурой решается.

Увеличение содержания нитрата калия выше 60% за счет аммофоса ведет к повышению температуры образующихся газов, а уменьшение его количества ниже 53,5% приводит к снижению удельной газопроизводительности и ухудшению стабильности газификации.

Снижение содержания фенолформальдегидной смолы ниже 16% повышает температуру газификации и ухудшает механические свойства состава (снижается прочность на сжатие), а увеличение содержания связующего свыше 24,5% снижает газопроизводительность и газопроницаемость заряда.

Изменение процентного содержания аммофоса влияет на температуру химического превращения, удельную газопроизводительность; увеличение его содержания выше 17% за счет нитрата калия может привести к снижению газификации состава вплоть до ее прекращения, а уменьшение его количества ниже 5% - к повышению температуры продуктов разложения.

Увеличение содержания основного карбоната магния выше 18% приводит к повышению температуры образующихся газов и к ухудшению технологических характеристик массы (увеличивается ее вязкость). Уменьшение его ниже 6% ухудшает структуру заряда и приводит к снижению газопроницаемости в процессе термообработки.

Предлагаемый состав характеризуется хорошими эксплуатационными показателями, делающими его привлекательным для применения в составе гражданской продукции: газогенераторы с этим составом пожаровзрывобезопасны при нагревании до 150^oC, при падении с высоты 10 м, сохраняют работоспособность после падения с высоты 5 м, при ударах не взрываются и не детонируют.

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

В таблице приведены характеристики свойств состава 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 370 нл/кг;
- температура газов на выходе около 135^oC.

Параметры в таблице приведены для температуры окружающей среды 20^oC, и они обеспечивают надежное функционирование газогенератора в диапазоне температур от минус 50 до плюс 50^oC.

Сопоставительный анализ заявляемого 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 аммофос и изменено процентное содержание компонентов, то есть предложение обладает новизной.

Анализ уровня техники показал, что все компоненты, входящие в заявляемый состав, известны в технике (см. перечисленные выше патенты и заявки).

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", N 2, 1995 г., с. 37). Однако, эти составы имеют высокую температуру (порядка 1800 К), что сужает область их применения.

В технике известно и применение аммофоса:
- в качестве минерального удобрения;
- в качестве компонента, входящего в состав многих огнетушащих порошков, в которых он является основным огнегасящим веществом, создающим все основные факторы, определяющие процесс пожаротушения, и участвующим в реакциях гомогенного и гетерогенного ингибирования, в организации эффекта огнепреграждения (энергоотвод химической энергии из реакционной зоны и мгновенная и одновременная по всему объему порошкового облака тепловая "гибель" активных центров пламени), в образовании на тлеющей поверхности вязкой пленки, затрудняющей доступ кислорода воздуха в зону реакции, и в создании охлаждающего процесса. При этом процессы, связанные с теплоотводом, не играют определяющей роли среди прочих факторов, т. к. частицы огнетушащего порошка:
а) находятся внутри порошкового облака, где они экранированы соседними частицами;
б) в зоне нагрева находятся в течение короткого времени из-за быстрой седиментации.

Применение аммофоса в качестве компонента газогенерирующих составов не известно.

Аммофос, как компонент газогенерирующего состава, находится в совершенно иных условиях, чем в огнегасящем порошке, а именно: из-за связанного состояния процесс его взаимодействия с горячим протекающим газом с поглощением тепла происходит во все время течения газа, или до полного разложения аммофоса. Таким образом, в газогенерирующем составе аммофос наиболее полно проявляет свойство теплопоглощающего вещества.

Сравнение заявляемого состава не только с прототипом показало, что в технике отсутствует рецептура с предложенным сочетанием компонентов. Но именно такое сочетание позволяет достичь вышеуказанный результат - создать газогенерирующий состав с улучшенными характеристиками за счет снижения температуры образующихся газов и повышения удельной газопроизводительности и расширить тем самым номенклатуру продукции. Данное техническое решение не вытекает из существующего уровня техники и не является очевидным для специалистов, что дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Заявляемая рецептура газогенерирующего состава не вызывает затруднений при ее изготовлении. Используемые в ней компоненты изготавливаются промышленностью. Приготовление массы производится известным в технике способом и на известном оборудовании. Необходимость же в газогенерирующих составах для гражданской продукции не вызывает сомнений. Таким образом, предложение обладает и критерием промышленной применимости.

Предлагаемая рецептура газогенерирующего состава прошла опытную отработку и внедрена в производство.

Формула изобретения

Газогенерирующий состав, включающий в себя нитрат калия, новолачную фенолформальдегидную смолу, основной карбонат магния, отличающийся тем, что в него введен аммофос при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Нитрат калия - 53,5 - 60,0
Новолачная фенолформальдегидная смола - 16,0 - 24,5
Основной карбонат магния - 6,0 - 18,0
Аммофос - 5,0 - 17,0р

РИСУНКИ

Рисунок 1