Инициирующий состав и способ его получения

Изобретение относится к взрывчатым составам для средств инициирования с различным типом задействования для использования в горнорудной и угледобывающей промышленности, в нефтедобыче при перфорации скважин, в строительстве и спецтехнике. Инициирующий состав содержит 99,8-96 мас.% конденсированного взрывчатого вещества, в частности инициирующего взрывчатого вещества (ИВВ), бризантного взрывчатого вещества (БВВ), ВВ переходного типа в ряду координационных соединений, до 2 мас.% оптического полимера и 0,2-2 мас.%, сенсибилизирующей добавки - углеродного фуллероидного наномодификатора - астралена А, В или С. Для получения состава наномодификатор - астрален А, В или С в виде его суспензии в полярном растворителе смешивают с раствором конденсированного ВВ с последующим высаживанием частиц астралена на частицы конденсированного ВВ, а затем вводят оптический полимер. Технический результат заключается в увеличении чувствительности инициирующего состава к лазерному излучению и ударно-волновому воздействию, а также в увеличении плотности заряда. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к взрывчатым составам для средств инициирования с различным типом задействования для использования в горнорудной и угледобывающей промышленности, в нефтедобыче при перфорации скважин, в строительстве и спецтехнике.

Известно использование в системах пироавтоматики различного назначения взрывчатых составов на основе координационных соединений (по чувствительности к механическим воздействиям являющихся промежуточными между штатными инициирующими взрывчатыми веществами (ИВВ) и бризантными взрывчатыми веществами (БВВ). Так, в пироавтоматике ракетных комплексов США используются лазерные детонаторы (ЛД), содержащие заряды из ВВ BNCP (перхлорат тетрааммин-цис-бис(5-нитро-2H-тетразолато-N²)кобальта(III) (Hafenrichter E.S., Marshall B.W., Fleming K.J. Fast laser diode initiation of confined BNCP // American Institute of Aeronautics and Astronautics Paper. 2003-245).

Однако технология получения этого вещества достаточно сложна и не вписывается в технологические схемы получения штатных ИВВ.

Известно положительное использование ультрадисперсных алмазов (УДА) детонационного синтеза (размер конгломератов частиц 40-60 им) для введения во взрывчатый состав ВС-2 (Илюшин М.А., Целинский И.В., Судариков А.М. Разработка компонентов высокоэнергетических композиций. СПб, 2006. С. 90-93) на основе перхлората (5-гидразинотетразол-1H)ртути(II) и оптического сополимера 5-винил-2-метилтетразола с метакриловой кислотой для увеличения восприимчивости к одиночному импульсу неодимового лазера (длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса 9 нс).

Однако, ввиду высокой твердости и плотности УДА, при введении его в состав приводит к увеличению чувствительности к механическим воздействиям, к тому же получение УДА является довольно дорогостоящей и трудоемкой технологией.

Известно положительное использование наночастиц (100-120 нм) алюминия, используемых для увеличения восприимчивости смесевых ВВ на основе тэна к одиночному импульсу неодимового лазера (ФГВ. 2012. Т. 48. №3. С. 127). Максимальная чувствительность и максимальное давление продуктов взрыва достигается при массовой концентрации наночастиц алюминия 0,1%. Чувствительность таких смесевых ВВ может увеличиваться на два порядка относительно образцов, не содержащих наночастиц.

Данный эффект связан с поглощением излучения непосредственно наночастицами с образованием «горячих точек», что приводит к инициированию экзотермической реакции в основном веществе.

Недостатком данного состава является нестабильность свойств алюминия со временем из-за образования окиси алюминия на поверхности частиц и резкого снижения чувствительности.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является инициирующий состав и способ его получения, описанные в патенте РФ №2 176 070, МПК F42D 1/04, опубл. 20.11.2001 г. под названием «Система лазерного инициирования и способ управления инициированием пространственно разнесенных зарядов». Инициирующий состав состоит из конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), оптического полимера и наноуглерода, а способ заключается в смешивании взрывчатого вещества, оптического полимера и наноуглерода.

К недостаткам известного технического решения следует отнести использование дефицитных фуллеренов и технологии изготовления состава, не гарантирующая осаждение частиц фуллерена на частицы ВВ. Осаждение происходит через полимерную пленку, что значительно уменьшает эффективность действия частицы фуллерена на частицу ВВ. Высшие фуллерены практического значения не имеют и вряд ли будут иметь в будущем, поскольку все фуллерены - это синтетические формы углерода, так, например, фуллерена С₆₀ в фуллереновой саже при ее синтезе 7-10% от массы сажи, а высших фуллеренов (С₇₀ и более) - не более 0,15% и их выделение - крайне неэффективный процесс. Для фуллеренов С₆₀ область оптического взаимодействия составляет 400-700 нм и лишь для фуллеренов более С₇₀ (С₇₈, С₈₄) она сдвигается в область красного и ближнего инфракрасного спектра (ИК-спектра).

Задачей изобретения является создание инициирующего состава (смесевого взрывчатого состава), чувствительного к лазерному излучению в видимой и ближней инфракрасной области ПК-области спектра и технологии его изготовления на основе штатных ВВ (ИВВ, БВВ) и ВВ из области координационных соединений (НКТ, циркон и др.), обеспечивающих его изготовление на стандартном оборудовании с использованием компонентов, изготавливаемых отечественными производителями.

Технический результат заключается в увеличении более чем в 1000 раз чувствительности к лазерному излучению (ЛИ) образцов из инициирующего ВВ (ВС) при добавлении астраленов. Это связано не только с поглощением квантов излучения наночастицами астралена с образованием «горячих точек», но и со специфическим механизмом, свойственным для фуллероидных наночастиц, а именно - введение астраленов в инициирующее ВВ увеличивает чувствительность к лазерному излучению (особенно в области ИК-излучения), и увеличивает плотность заряда за счет большего сцепления частиц, обусловленного очень высоким уровнем дисперсионного взаимодействия на границах раздела фаз, в том числе и в различных средах.

Указанный технический результат достигается тем, что в инициирующем составе, состоящем из конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), оптического полимера и наноуглерода, согласно изобретению, в качестве наноуглерода использован наномодификатор астрален А или В, или С, частицы которого высажены на частицы конденсированного взрывчатого вещества, при следующем соотношении компонентов, масс. %: астрален - 0,2 - 2; ВВ - 99,8 - 96; оптический полимер - до 2.

Кроме того, в качестве наномодификатора использован астрален А или В, представляющий собой наночастицы фуллероидного типа, имеющие тороидальную форму и средний размер 15-100 нм.

Кроме того, в качестве наномодификатора использован астрален С, представляющий собой гидрофильный аддукт нанокластеров графенового типа, имеющий сульфокислотные группы.

Кроме того, в качестве конденсированного взрывчатого вещества использовано инициирующее взрывчатое вещество (ИВВ) или бризантное взрывчатое вещество (БВВ) или взрывчатое вещество переходного типа в ряду координационных соединений.

А также это достигается тем, что в способе получения инициирующего состава, заключающемся в смешивании конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), наноуглерода и оптического полимера, согласно изобретению, в качестве наноуглерода используют астрален А, В или Сив виде его суспензии в полярном растворителе смешивают с раствором конденсированного ВВ при перемешивании и охлаждении с последующим осаждением частиц астралена на частицы конденсированного ВВ, а затем вводят оптический полимер при следующем соотношении компонентов, масс. %: астрален - 0,2 - 2; конденсированное ВВ - 99,8 - 96; оптический полимер - до 2.

Кроме того, наноуглеродный модификатор астрален А или В диспергируют в полярном растворителе, в котором не растворяется конденсированное ВВ, до получения однородной устойчивой суспензии, и в эту среду вливают раствор конденсированного ВВ в растворителе при охлаждении и перемешивании.

Кроме того, осуществляют взаимный или раздельный слив суспензии астралена С в полярном растворителе и раствора конденсированного ВВ в охлажденный растворитель, в котором не растворяются астрален С и конденсированное ВВ, при охлаждении и перемешивании.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность - существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Новые признаки инициирующего состава (в качестве наноуглерода использован наномодификатор астрален А или В, или С, частицы которого высажены на частицы конденсированного взрывчатого вещества, при следующем соотношении компонентов, масс. %: астрален - 0,2 - 2; ВВ - 99,8 - 96; оптический полимер - до 2) и способа его получения (в качестве наноуглерода используют астрален А, В или С и в виде его суспензии в полярном растворителе смешивают с раствором конденсированного ВВ при перемешивании и охлаждении с последующим осаждением частиц астралена на частицы конденсированного ВВ, а затем вводят оптический полимер при следующем соотношении компонентов, масс. %: астрален - 0,2 - 2; конденсированное ВВ - 99,8 - 96; оптический полимер - до 2.) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение проиллюстрировано на чертеже, где представлены профили давления образцов при ударно-волновом инициировании через преграду в одинаковых условиях:

1 - из состава на основе ТЭНа с астраленом В 0,5% мас. (1);

2 - из ТЭНа (2).

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем: в предлагаемом инициирующем составе может быть использовано любое конденсированное ВВ (ИВВ, БВВ, ВВ переходного типа в ряду координационных соединений), а в качестве добавки, сенсибилизирующей процесс лазерного инициирования, - углеродный фуллероидный наномодификатор - астрален А или В, или астрален С в количестве от 0,2 до 2% масс.

Астрален А и В представляет собой углеродные наночастицы фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм, имеющие тороидальную форму с соотношением внешнего диаметра к толщине многослойного тора (10-3):1, имеющим средний размер 15-100 нм (ТУ 2166-001-13800624-2003), и отличающиеся лишь содержанием основного вещества.

Астрален С (АНКУ) ТУ 2166-049-91957749-2011 является гидрофильным аддуктом (производным продуктом) нанокластеров углерода графенового типа, и вследствие наличия сульфокислотных групп растворим в полярных растворителях (вода, спирты, ацетон и т.д.).

Сущность способа получения инициирующего состава заключается в следующем: астрален А диспергируют в растворителе (спирт, ацетон, вода или их смеси и др. полярные растворители) в ультразвуковом диспергаторе до получения однородной устойчивой суспензии до необходимой концентрации (путем добавления необходимого количества растворителя), причем в растворителе, в котором диспергируется астрален, не должно растворяться осаждаемое в нем конденсированное ВВ. Суспензия после диспергирования охлаждается до требуемой температуры, после чего в нее вливают раствор конденсированного ВВ в растворителе необходимой концентрации при перемешивании и охлаждении, в результате происходит взаимное соосаждение астрален - конденсированное ВВ, или осаждение конденсированного ВВ происходит в процессе синтеза в суспензии астралена в растворителе. Нелинейно-оптические свойства среды связаны с тем, что под действием электромагнитного излучения в среде возникает дипольный момент, и атомы среды поляризуются. При этом возникают эффекты генерации гармоник, двухфотонное поглощение, вынужденное комбинационное рассеяние и т.д.

При использовании астралена С (гидрофильный аддукт нанокластеров графенового типа) его диспергируют в полярном растворителе в котором растворяют конденсированное ВВ или суспензию астралена С вливают в раствор конденсированного ВВ при необходимой температуре, после чего взаимное соосаждение астрален - конденсированное ВВ происходит при сливе суспензии и раствора конденсированного ВВ в охлажденный растворитель, в котором не растворяется ни конденсированное ВВ, ни астрален, при интенсивном перемешивании и охлаждении.

Увеличение чувствительности заявляемого инициирующего состава к лазерному излучению (ЛИ) при добавлении астраленов для отдельных образцов более чем в 1000 раз связано, по-видимому, не только с поглощением квантов излучения наночастицами астралена с образованием «горячих точек», но и со специфическим механизмом, свойственным для фуллероидных наночастиц. Возможность осуществления предлагаемого технического решения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Получение инициирующего состава азида таллия с астраленом А.

Астрален А (УФМА 2-01а ТУ 2166-001-13800624-2003) диспергировали в ацетоне с использованием ультразвукового диспергатора до получения устойчивой суспензии концентрацией 0,2-0,5 г/л. Из полученной суспензии разбавлением ацетоном получали 0,5 л ацетона с содержанием в нем астралена 0,05 г (50 мг). 10 г конденсированного ВВ азида таллия (далее - азид таллия) растворяли в 0,5 л дистиллированной воды при температуре 80-90 С. Водный раствор азида таллия вливали в ацетоновую суспензию астралена при перемешивании таким образом, чтобы температура реакционной массы не превышала 40°С. Суспензия астралена в ацетоне предварительно охлаждалась до температуры 5-7°С. Дозировку раствора азида таллия проводили при охлаждении. По окончании слива и охлаждении реакционной массы до температуры около 10 С давали выдержку в течение 5 мин при перемешивании, после чего осадок отфильтровывали и промывали спиртом. После часового провяливания, продукт протирали через сито арт. 7-9 и сушили в термостате при температуре 60°С в течение 4 часов. Выход не менее 80%, содержание астралена в азиде таллия составило 0,5%.

Пример 2

Инициирующий состав на основе конденсированного ВВ перхлорат (5-нитротетразолато-N²)пентааммин-кобальта(III) (Co[(NH₃)₅(N₄C-NO₂)](ClO₄)₂) (НКТ) получали перекристаллизацией НКТ в суспензии астралена А в изопропиловом спирте. 12 г НКТ растворяли в 220 мл дистиллированной воды, подкисленной 0,7 мл 60% хлорной кислоты, при температуре 80-85°С. В реакционный стакан с мешалкой, установленный в водяную баню, заливали 75 мл изопропанола и 120 мл 0,05% суспензии астралена в изопропаноле. В охлажденную смесь при перемешивании вливали 40 мл горячего раствора НКТ и после небольшой выдержки вливали остальной раствор НКТ таким образом, чтобы температура реакционной массы не превышала 40-45°С. По окончании слива раствора НКТ давали 10-минутную выдержку при перемешивании, затем реакционную массу охлаждали до 20°С, выключали мешалку, после чего реакционную массу отстаивали и отфильтровывали. Продукт на вакуум-воронке промывали спиртом, после провяливания и просеивания через сито арт. 15, продукт сушили в термостате при 60 С в течении 4 ч. Выход состава 90%, содержание астралена в НКТ составило 0,5%.

Пример 3.

Инициирующий состав на основе конденсированного ВВ - тэн (далее - тэн) получали высаживанием из ацетонового раствора водой, в которую добавляли приготовленную спиртовую суспензию астралена В. 10 г тэна растворяли в 150 мл ацетона при комнатной температуре. В реакционный стакан с мешалкой заливали 400 мл дистиллированной воды, добавляли 100 мл суспензии астралена в спирте с концентрацией 0,5 г/л. В перемешиваемую суспензию быстро приливали раствор тэна в ацетоне. Давали выдержку в течение 5 минут, после чего осадок отфильтровывали на вакуум-воронке, промывали водой и спиртом, провяливали, протирали через сито арт. 15 и сушили в термостате при температуре 60°С в течение 6 ч. Выход состава 90%, содержание астралена в тэне составило 0,5%.

Пример 4.

Астрален С (АНКУ - ТУ 2166-049-91957749-2011) растворяли в полярном растворителе (водно-спиртовом растворе-90/10) при температуре 55-65°С. Необходимое количество 2% раствора вливали в охлажденный растворитель (ацетон, изопропанол, дистиллированная вода) при перемешивании и охлаждении, после чего вливали раствор конденсированного ВВ (азид таллия, НКТ, тэн) при температуре не выше 40-45°С. Реакционную массу охлаждали, давали выдержку и осадок отфильтровывали, после чего провяливали, протирали через сито арт. 9-15 и сушили.

Для задействования заявляемого инициирующего состава использовали систему лазерного инициирования (СЛИ), содержащую лазерный модуль, состоящий из лазерного диода, фокусирующей системы, оптического разъема и транспортного волокна. Выходная мощность СЛИ варьировалась в диапазоне (0,2…10) Вт. В качестве транспортного волокна использовали оптическое волокно кварц-кварц с апертурой NA=0,22 и активным диаметром 105 мкм. Длина волны лазерного излучения (ЛИ) СЛИ составляла 0,975 мкм.

В экспериментах прессованные образцы из модифицированных ВВ инициировали импульсами лазерного инициирования (ЛИ) в составе макетов лазерных детонаторов (ЛД). В экспериментах контролировали мощность (энергию) ЛИ и время срабатывания t_ср ЛД.

Плотность энергии варьировали путем изменения длительности инициирующего импульса в диапазоне t_и=(10-50) мкс, плотность мощности W-путем изменения мощности выходного импульса в диапазоне (0,2-10) Вт. Для регистрации времени срабатывания t_cp макета ЛД использовали оптический оптоволоконный регистратор и электроконтактный датчик.

Сравнительные результаты испытаний штатных ВВ и инициирующего состава, модифицированного астраленом (при содержании астралена - 0,5%) приведены в таблице 1.

Результаты сравнительных испытаний по лазерному инициированию штатных ВВ и инициирующих составов с астраленом в составе макета ЛД приведены в таблице 2.

Результаты сравнительных испытаний по лазерному инициированию ВВ и инициирующих составов с астраленом (с различным содержанием астралена В и С) в конструкции макета ЛД приведены в таблице 2.

При содержании астралена менее 0,2% и более 2% чувствительность инициирующих составов к лазерному излучению резко падает. При введении оптического полимера (например, оптический компаунд OK-115 на основе полиамида) в композицию инициирующего состава с астраленом до 2% порог плотности энергии (мощности) не изменяется. Чувствительность инициирующих составов с астраленом к удару (копер К-44-I, копер ГОСТ 4545-88) и трению (копер K-44-III) находится на уровне соответствующих штатных ВВ (без астралена).

Введение астралена увеличивает чувствительность инициирующего состава к ударно-волновому воздействию. На чертеже представлены профили давления образцов из тэна (2) и модифицированного тэна с астраленом В 0,5% (1) при ударно-волновом инициировании через преграду в одинаковых условиях. Если для штатного тэна давление на фронте инициирующей ударной волны близко к пороговому значению -критическому давлению инициирования детонации, то для инициирующего состава с астраленом оно значительно меньше.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа получения инициирующего состава и самого инициирующего состава и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Инициирующий состав, состоящий из конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), оптического полимера и наноуглерода, отличающийся тем, что в качестве наноуглерода содержит наномодификатор астрален А или В или С, частицы которого высажены на частицы конденсированного взрывчатого вещества, при следующем соотношении компонентов, мас. %: астрален - 0,2-2; конденсированное ВВ - 99,8-96; оптический полимер - до 2.

2. Инициирующий состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наномодификатора содержит астрален А или В, представляющий собой наночастицы фуллероидного типа, имеющие тороидальную форму и средний размер 15-100 нм.

3. Инициирующий состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наномодификатора содержит астрален С, представляющий собой гидрофильный аддукт нанокластеров графенового типа, имеющий сульфокислотные группы.

4. Инициирующий состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве конденсированного взрывчатого вещества содержит инициирующее взрывчатое вещество (ИВВ) или бризантное взрывчатое вещество (БВВ), или взрывчатое вещество переходного типа в ряду координационных соединений.

5. Способ получения инициирующего состава, заключающийся в смешивании конденсированного взрывчатого вещества (ВВ), наноуглерода и оптического полимера, отличающийся тем, что в качестве наноуглерода используют астрален А, В или С и в виде его суспензии в полярном растворителе смешивают с раствором конденсированного ВВ при перемешивании и охлаждении с последующим осаждением частиц астралена на частицы конденсированного ВВ, а затем вводят оптический полимер при следующем соотношении компонентов, мас. %: астрален - 0,2-2; конденсированное ВВ - 99,8-96; оптический полимер - до 2.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что наноуглеродный модификатор астрален А или В диспергируют в полярном растворителе, в котором не растворяется конденсированное ВВ, до получения однородной устойчивой суспензии, и в эту среду вливают раствор конденсированного ВВ в растворителе при охлаждении и перемешивании.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что осуществляют взаимный или раздельный слив суспензии астралена С в полярном растворителе и раствора конденсированного ВВ в охлажденный растворитель, в котором не растворяются астрален С и конденсированное ВВ, при охлаждении и перемешивании.