Состав для пиротехнических ленточных воспламенителей

Изобретение относится к тепловым резервным источникам тока, приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических элементов. Пиротехнический состав для ленточного воспламенителя содержит цирконий, барий хромовокислый, перхлорат калия и покрытые латексом измельченные волокна асбеста. Изобретение обеспечивает увеличение скорости горения состава, что сокращает время выхода батареи на режим, а также обеспечивает гибкость ленточного воспламенителя в результате создания эластичной структуры при покрытии измельченных волокон асбеста латексом.

 

Изобретение относится к тепловым резервным источникам тока (термохимическим батареям), приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических элементов от теплового импульса примыкающих к ним ленточных пиронагревателей, а более конкретно к составам для пиротехнических ленточных воспламенителей.

Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав ленточного нагревательного элемента для химического источника тока, сформированный из смеси 100 частей восстановителя (цирконий, гафний в форме порошка фракции 1-2 мкм) и окислителя (хромат бария), а также 1-5 частей асбестового волокна длиной 0,5-3 мм, используемого в качестве активного наполнителя, описанный в патенте JP 60-077362, Н01М 3/36, 1985 г.

Известный состав пиротехнического ленточного воспламенителя по существу и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.

Из указанных компонентов перемешиванием приготавливают водную суспензию, которую затем фильтруют, отделяя дисперсионную фазу, а влажную смесь формуют в виде плоского листа и сушат. В результате получают пластинчатый пироэлемент, который разрезают на ленточные воспламенители, используемые в качестве пиронагревателей, входящих в структуру резервного источника тока (термохимической батареи), примыкая с торцов к электродам для их разогрева и воспламенения при запуске.

Известные пиротехнические ленточные воспламенители характеризуются относительно высокими скоростью горения и теплоотдачей, образуя при сгорании непроводящие электрический ток коксовые остатки, что обеспечивает нормальное функционирование батареи.

Недостатком ленточных воспламенителей из известного пиротехнического состава является функциональная ненадежность из-за нестабильности скорости горения, в результате чего воспламенение гальванических элементов термохимической батареи происходит не одновременно или вовсе не происходит, при этом не обеспечивается требуемых разрядных характеристик.

Это, в частности, объясняется потерей сплошности пиротехнических ленточных воспламенителей, неконтролируемой в процессе установки по периметру электродов батареи. Разрушающие деформации происходят из-за недостаточной гибкости ленточных воспламенителей при изгибе с растяжением, когда пространственно формируется их конгруэнтный профиль по периметру примыкания.

В эксплуатации возможны случаи, когда один или несколько пиротехнических ленточных воспламенителей не воспламеняются или воспламеняются с временной задержкой. При этом резко ухудшаются время выхода на режим и разрядные характеристики термохимической батареи. В принципе возможен отказ в срабатывании резервного источника тока, что недопустимо.

Отмеченный недостаток усугубляется неудовлетворительной скоростью горения известного состава, из-за относительно невысокой активности окислителя, для всестороннего и практически одномоментного воспламенения всех пироэлементов батареи.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование состава и структуры ленточных воспламенителей, для повышения функциональной надежности при технологической адаптивности в составе резервного источника тока при гарантированном обеспечении заданных показателей назначения.

Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический состав для ленточного воспламенителя, содержащий цирконий, барий хромовокислый и измельченные волокна асбеста, согласно изобретению содержит латекс в виде покрытия на поверхности измельченных волокон асбеста и перхлорат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цирконий	27-30
барий хромовокислый	54-61
перхлорат калия	8-12
асбест	3-4
латекс	0,5-1,5.

Отличительные признаки обеспечили повышение показателей назначения ленточных воспламенителей, изготовленных из усовершенствованного пиротехнического состава, а именно: как минимум на порядок увеличена скорость горения от дополнительного окислителя - перхлората калия, что сокращает время выхода батареи на режим, и обеспечена гибкость лент в результате создания эластичной каркасности структуры при покрытии измельченных волокон асбеста (наполнителя) органическим связующим - пленкой латекса, что практически обеспечило техническую идентичность изделий в серийном производстве и функциональность при эксплуатации по назначению.

Введение в состав дополнительного активного окислителя - перхлората калия на порядок, как минимум, повышает скорость сгорания тонкого (0,3-0,4 мм) пиротехнического ленточного воспламенителя до 1 м/с.

Продукт разложения перхлората калия - хлорид калия - соль, не проводящая ток в кристаллическом состоянии, которая в зоне горения находится в парообразном виде (температура кипения 1417°С), обеспечивая конвективный режим сгорания тонкого ленточного воспламенителя между электродными пластинами батареи, что стабилизирует тепловыделение.

При содержании в составе перхлората калия меньше 8 мас.% не обеспечивается заданная скорость горения ленточного воспламенителя, а при содержании в пиротехническом составе дополнительного активного окислителя (перхлората калия) более 12 мас.% происходит неприемлемое снижение прочности и гибкости пиротехнического ленточного воспламенителя. Кроме того, образуется недопустимое для электротехники пиковое (за доли секунды) увеличение газообразных продуктов сгорания.

Введение в пиротехнический состав латекса модифицирует измельченные волокна асбеста за счет образования на нем пленочного покрытия. Латекс коагулирует на поверхности измельченных волокон асбеста, которые распределены в составе, обеспечивая повышение прочности и гибкости каркасной структуры тонкого пиротехнического изделия, без заметного снижения скорости горения композиции ленточного воспламенителя.

Выбранное массовое соотношение содержания (мас.%) в составе асбеста и латекса (3-4):(0,5-1,5) соответственно является оптимальным для создания равномерного покрытия всех измельченных волокон асбеста латексом, без пропусков и комкований.

Содержание в пиротехническом составе измельченных волокон асбеста в количестве 3-4 мас.% определено опытным путем для формирования каркасной структуры при распределении в объеме композиции и является достаточным в качестве минерального волокнистого связующего, заметно не влияющего при этом на режим и скорость горения состава.

Цирконий - металлическое горючее, обеспечивающее относительно высокую скорость горения тонкого ленточного воспламенителя.

При содержании в составе циркония более 30 мас.% не исключается возможность появления в шлаках металлических продуктов сгорания (бария, хрома и неокисленного циркония), что увеличивает электропроводимость шлаков, недопустимую из-за короткого замыкания батареи.

При содержании в составе циркония менее 27 мас.% не обеспечивается заданная скорость горения пиротехнического ленточного воспламенителя.

Барий хромовокислый является основным окислителем в составе, обеспечивая высокую скорость его горения при образовании неэлектропроводных шлаков.

При содержании в составе бария хромовокислого меньше 54 мас.% не обеспечивается необходимая скорость горения тонкого изделия, а при его содержании больше 61 мас.% происходит неполное взаимодействие с горючим и остаток является балластом в ленточном воспламенителе.

Оптимальное количественное содержание компонентов в пиротехническом составе для ленточных воспламенителей было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и проверено испытаниями опытных образцов изделий на механические свойства и функциональные характеристики.

Равномерное распределение всех компонентов состава в объеме технологической суспензии предотвращает или практически минимизирует возможность свивания элементарных волокон асбеста, покрытых латексом, в жгуты, что обеспечивает прочность и гибкость тонких изделий при оптимальном содержании связующего, придающего структуре состава каркасность.

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 эффектом суммы признаков.

Для иллюстрации сущности изобретения ниже приведен пример приготовления предложенного пиротехнического состава и ленточных воспламенителей из него.

Порошкообразные цирконий, барий хромовокислый и перхлорат калия, а также волокнистое связующее (измельченные волокна асбеста) в качестве дисперсной фазы вводят в приготовленный водный насыщенный раствор перхлората калия, содержащий поверхностно-активное вещество - лигносульфонат технический.

Технологическую суспензию приготавливают активным перемешиванием компонентов за счет подаваемого снизу в емкость сжатого воздуха, создающего барботирование смеси.

Предварительно измельченные волокна асбеста (водного силиката магния и других металлов) прокаливают для удаления органических примесей и получения однородной массы (взвеси в жидкой фазе), обеспечивающей образование оптимальной каркасной структуры ленточного воспламенителя.

При замачивании измельченных и прокаленных волокон асбеста в течение 30 минут происходит разделение массы асбеста на элементарные волокна и более равномерное распределение их как в объеме технологической суспензии, так и в готовом изделии.

Однородную суспензию перечисленных компонентов приготавливают из расчета их общей массы 40 г в 1 литре водного насыщенного раствора перхлората калия, при следующем соотношении, мас.%: 29 циркония, 56 бария хромовокислого, 10 перхлората калия, 4 асбеста и 1 латекса.

Лигносульфонат технический вводят в количестве 0,04 г на 1 литр насыщенного раствора перхлората калия.

Водорастворимый лигносульфонат выводится из композиции пиротехнического ленточного воспламенителя при принудительном удалении жидкой фазы на фильтре-подложке, поэтому эта технологическая добавка не влияет на служебные характеристики готового изделия.

Содержание лигносульфоната 8-12% от массы латекса в пересчете на сухое вещество является оптимальным. При содержании лигносульфоната менее 8% покрытие асбестовых волокон латексом происходит неравномерно, с пропусками, что в итоге не обеспечивает заданной гибкости ленточному воспламенителю, а при его содержании более 12% возможно комкование латекса, приводящее к аномалии прочностных свойств и служебных характеристик изделия.

Параллельно приготавливают 1 литр дисперсии органического связующего, например, бутадиен-нитрильного латекса (полимерный каучук) в количестве 0,4 г в вводном насыщенном растворе перхлората калия.

Латекс (водная дисперсия полимерного каучука) является органическим связующим, обеспечивающим при введении в состав ленточного воспламенителя в оптимальном количестве повышение его прочности на разрыв при перегибах.

При содержании в составе латекса меньше 0,5 мас.% не обеспечивается требуемой прочности и гибкости ленточных изделий, а при содержании латекса более 1,5 мас.% происходит неприемлемое снижение скорости горения ленточного воспламенителя и увеличение объема газообразных продуктов горения, а также служит причиной электропроводности шлаков, что недопустимо по условиям работоспособности термохимического источника тока.

Затем приготовленную суспензию компонентов состава и дисперсию латекса одновременно вводят, перемешивая, в плоскую форму листоотливного аппарата, установленную на фильтре-подложке.

Латекс диспергируют в жидкой фазе для распределения его в объеме приготавливаемой суспензии, чтобы при этом снизить концентрацию, минимизировав контакт латекса с измельченными волокнами асбеста для исключения комкования, так как коагуляция латекса при взаимодействии с асбестом происходит практически мгновенно. В результате организованного их взаимодействия обеспечивается равномерное покрытие волокон асбеста тонкой пленкой латекса. При этом формируется несущая эластичная структура каркасной основы тонкопленочного пиротехнического воспламенителя, гибкого и прочного как в изготовлении, так и в служебном обращении.

Латекс вводят в виде дисперсии в насыщенном растворе перхлората калия, чтобы не уменьшать заданной массы дополнительно вводимого в состав кислородсодержащего окислителя - перхлората калия. Покрытие поверхности диспергированных в жидкости измельченных волокон асбеста латексом в присутствии лигносульфоната (поверхностно-активного вещества) происходит равномерно, обеспечивая гибкость минеральному наполнителю и несущую прочность формируемой при фильтровании его структуры. Введение латекса в технологическую суспензию, содержащую лигносульфонат, в виде дисперсии в водном насыщенном растворе перхлората калия сохраняет заданное массовое соотношение компонентов в составе, дополнительно включающем дозированное количество перхлората калия (нерастворенного).

После этого принудительно удаляют жидкую фазу (водный насыщенный раствор перхлората калия с лигносульфонатом), создав на фильтре-подложке оптимальный перепад давления 0,08-0,10 МПа.

Уменьшение перепада давления (менее 0,08 МПа) вызывает нестабильность характеристик назначения из-за расслоения компонентов изделия, вызванного длительным временем удаления жидкой фазы. Увеличение перепада давления больше 0,10 МПа не дает качественных улучшений свойств ленточного воспламенителя, но требует значительных затрат на его осуществление, что нецелесообразно.

В результате удаления жидкой фазы формируется тонкий (0,3-0,4 мм) слой 200×200 мм пиротехнического состава, который снимают с фильтра-подложки при влажности 15-30%.

Далее сформированную пиротехническую пластину сушат при температуре 16-80°С до конечной влажности не более 0,4 мас.%.

Сушка сформированной пиротехнической композиции при температуре ниже 16°С нерациональна из-за продолжительности процесса, что нетехнологично, а при температуре выше 80°С снижает прочностные характеристики изделия из-за образования кристаллов перхлората калия из дисперсной среды, что снижает несущую способность сотовой структуры воспламенителя и потерю динамической эластичности.

Влажность готовых ленточных воспламенителей после сушки ограничена верхним пределом 0,4 мас % для гарантированного обеспечения стабильности основных технических характеристик в течение длительного срока их хранения.

Готовую пиротехническую пластину режут на ленты толщиной 4-6 мм.

Приготовление технологической суспензии структурных компонентов в водном насыщенном растворе перхлората калия позволило ввести в состав ленточного воспламенителя дополнительный активный окислитель - перхлорат калия - в форме дисперсной фазы, которая на операции фильтрования не выводится из смеси.

Техническим результатом дополнительного введения в состав перхлората калия является повышение скорости горения ленточного воспламенителя, как минимум, до 1 м/с, что увеличивает быстродействие резервного источника тока, который динамично выходит на режим, обеспечивая стабильные токовые характеристики.

Покрытие пленкой латекса измельченных волокон асбеста создает упругую каркасность структуры ленточных воспламенителей, обеспечивая повышение прочности при перегибах и растяжении, необходимых для примыкания к профилю термохимических элементов резервного источника тока.

Испытания опытных образцов ленточных воспламенителей из предложенного состава, смонтированных в резервных источниках тока, показали, сравнительно с прототипом, на порядок большую скорость их устойчивого горения, при этом в 5 раз снижено отклонение от номинала скорости горения и тепловыделения.

Ленточные воспламенители по изобретению выдерживают 15-20 перегибов на 180° при растягивающем усилии 0,1 кгс, что улучшает технологичность в служебном обращении.

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 не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления ленточных воспламенителей для комплектования резервных источников тока можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Пиротехнический состав для ленточного воспламенителя, содержащий цирконий, барий хромово-кислый и измельченные волокна асбеста, отличающийся тем, что он содержит латекс в виде покрытия на поверхности измельченных волокон асбеста и перхлорат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цирконий	27-30
барий хромово-кислый	54-61
перхлорат калия	8-12
асбест	3-4
латекс	0,5-1,5