КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОГНЕТУШАЩЕГО АЭРОЗОЛЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК A62D1/00 

Изобретение относится к области аэрозольного пожаротушения, в частности к композиции для охлаждения аэрозоля, используемого для тушения пожара в сооружениях с замкнутыми объемами (склады, гаражи, дачи и т.д.) и в моторных, топливных, багажных отсеках и пассажирских салонах различных транспортных средств.

Известно охлаждение аэрозоля в устройстве для объемного тушения пожара, выполненное в виде облицовки стенок корпуса и сопла, либо в виде воздушного эжектора, соединенного с соплом, либо в виде резервуара, заполненного охлаждающей жидкостью, расположенного вокруг сопла и соединенного с корпусом (заявка РСТ/US 93/01234 от 10.02.93, WO 93/15793 от 10.08.93).

Известно использование для теплопоглощения в газогенераторах для порошкового огнетушения различных химических веществ в виде терморазлагающихся порошков (оксамид), химических покрытий (на основе оксалатов), также разлагающихся при высоких температурах на стенках газоходных каналов с выделением газообразных продуктов (авт. св. СССР N 1475685 приор. 1987, БИ N 16, 1989; авт. св. N 753436 приор. 1978, БИ N 29, 1980).

Однако известные средства теплопоглощения либо слишком громоздки, либо малоэффективны как охладители огнетушащего аэрозоля и поэтому не могут служить прототипом предлагаемого изобретения.

Технической задачей изобретения является расширение сырьевой базы высокоэффективных композиций для охлаждения огнетушащего аэрозоля с целью использования двойных технологий в рамках конверсии военной промышленности.

Поставленная задача решается созданием композиции, содержащей в качестве связующего нитроцеллюлозу, пластифицированную труднолетучим пластификатором, дифениламин, поливинилацетат, углерод и окись железа, а в качестве наполнителя основной карбонат магния или оксалат аммония, или фосфат магния основной, в композицию введены также технологические добавки масло индустриальное или приборное, стеарат натрия или цинка, графит, парафин и вода при следующем соотношении компонентов, мас.

Нитроцеллюлоза 5,0.12,5
Труднолетучий пластификатор 5,0.12,5
Дифениламин 0,1.0,5
Поливинилацетат 0,2.1,5
Углерод 0,1.0,5
Окись железа 0,3.1,5
Основной карбонат магния или оксалат аммония, или фосфат магния основной
25,0.45,0
Масло индустриальное или приборное 0,5.5,0
Стеарат натрия или цинка 0,1.3,0
Графит 0,1.1,5
Парафин 0,1.1,5
Вода Остальное
Принцип действия предлагаемой композиции заключается в поглощении тепла, выделяющегося при работе аэрозольного огнетушителя, в котором сгорает элемент, например, шашка из аэрозольобразующего огнетушащего состава, за счет эндотермического разложения наполнителя, например, основного карбоната магния:

На чертеже приведена кривая дифференциально-термического анализа (ДТА) для основного карбоната магния, где ппп% процент после прокаливания, T^oC температура нагревания, видно наличие трех эндотермических эффектов:
I-й 96-136^oC выделяется легко связанная гидратная вода,
II-ой 136-320^oC выделяется прочно связанная гидроксильная вода,
III-ий 370-431^oC происходит декарбонизация и полное разложение структуры основного карбоната магния.

Постепенный характер разложения наполнителя полностью отвечает требованиям эндотермического разложения охладителя для огнетушащего аэрозоля.

С целью расширения сырьевой базы в качестве наполнителя могут быть использованы оксалат аммония либо фосфат магния основной.

Наиболее предпочтительным нитроэфиром целлюлозы в композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля является коллоксилин, а в качестве пластификатора для нитроцеллюлозы триацетин и/или дибутилфталат, взятые в соотношении 1:1.

Эффективность работы предлагаемой композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля оценивается по отсутствию пламени на выходе продуктов сгорания аэрозольобразующих составов из аэрозольного огнетушителя и по массе охладителя, необходимого для обеспечения ликвидации пламени.

Пример 1. Изготовлена композиция охладителя на основе следующих компонентов (мас.):
Коллоксилин 7,1
Триацетин 7,0
Дифениламин 0,2
Поливинилацетат 0,5
Углерод 0,3
Окись железа 0,5
Основной карбонат магния 38,3
Масло индустриальное 0,8
Стеарат натрия 0,4
Графит 0,4
Парафин 0,5
Вода 44,0
Охладитель в виде таблеток 5/0-5 мм в количестве 150 г помещается в аэрозольный огнетушитель с весом шашки 100 г. Заряд поджигался. Наблюдалось выделение большого количества аэрозоля, проскока пламени не было.

Чем выше содержание наполнителя, тем более эффективной является композиция, однако вводить его более 45% нецелесообразно, т.к. резко ухудшается технологичность состава, а ввод менее 25% резко снижает его эффективность.

Разработанные композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля представляют собой высоконаполненные системы с использованием в качестве связующего пластифицированной нитроцеллюлозы. Соотношение между нитроцеллюлозой и пластификатором и их количество определяют комплекс технологических свойств состава. Технологически приемлемыми являются соотношения между нитроцеллюлозой и пластификатором от 60:40 до 40:60. При соотношении выше 60:40 растет вязкость состава, а ниже 40:60 он становится очень эластичным.

В обоих случаях ухудшаются реологические характеристики, что приводит к технологическим трудностям при переработке композиции.

В качестве антистарителя в композицию вводится дифениламин. Как правило (известно из практики пороходелия), его количество от 0,1 до 0,5% является достаточным для обеспечения необходимого запаса химической стойкости композиции.

Для повышения вязкости системы с целью обеспечения удовлетворительных реологических характеристик целесообразно вводить в связующее на основе пластифицированной нитроцеллюлозы поливинилацетат (ПВА), причем при содержании в композиции ПВА менее 0,2% его действие проявляется в незначительной степени, а при содержании выше 1,5% возрастающая вязкость композиции вызывает технологические трудности.

Для улучшения реологических характеристик композиции в связующее вводят углерод и окись железа, при этом содержание их менее 0,1 и 0,3% и выше 0,5 и 1,5% соответственно приводит к тем же трудностям, что и в случае с ПВА.

Масла индустриальное и приборное являются идентичными веществами, поэтому в композиции могут взаимозаменяться или использоваться совместно в любых соотношениях без изменения ее характеристик. По той же причине взаимозаменяемы стеараты натрия и цинка. При этом количество масла менее 0,5% и стеарата менее 0,1% является недостаточным для снижения удельного внешнего трения одной из основных характеристик, определяющих реологические свойства композиции, а содержание масла более 5% и стеарата более 3% ухудшает когезию и адгезию композиции.

В качестве технологических добавок используются графит и парафин, причем при содержании менее 0,1% их действие не проявляется, а при содержании более 1,5% резко ухудшается технологичность композиции. В данной композиции вода является одним из основных технологических компонентов, она выполняет роль и пластификатора, и технологической добавки, без которой вообще невозможна переработка состава.

Проведенный патентно-информационный поиск способов получения композиций для охлаждения огнетушащего аэрозоля не привел к нахождению аналогов предлагаемому способу изготовления композиции.

Технической задачей данного изобретения является разработка высокопроизводительного непрерывного способа изготовления композиции на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучим пластификатором, для охлаждения огнетушащего аэрозоля.

Задача решается созданием способа изготовления композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля, состоящего в смешении в течение 1-20 мин нитроцеллюлозы, окиси железа и углерода с наполнителем, введении воды с индустриальным или приборным маслом с дополнительным перемешиванием смеси в течение 1-20 мин, в последующем введении раствора дифениламина в пластификаторе и после перемешивания добавления в полученную смесь эмульсии поливинилацетата и остальных добавок.

Композицию перемешивают в течение 1-20 мин и затем осуществляют вальцевание ее с влажностью 45-55 мас. при температуре валков 90-120^oC до влажности 25-30 мас. гранулируют полотно в гранулы диаметром 3-8 мм, причем сушку осуществляют до влажности 15-20 мас. затем гранулы экструдируют, и образующиеся после резки шнура элементы сушат до равновесной влажности 3-5 мас.

Пределы технологических параметров предлагаемого способа обусловлены следующими обстоятельствами.

1. Смешение ряда компонентов связующего с наполнителем осуществляют отдельно от других компонентов, так как удельная поверхность волокнистого материала нитроцеллюлозы весьма велика и при смешении с мелкодисперсными компонентами происходит их фиксация и удерживание нитроцеллюлозой. При вводе в композицию жидких компонентов, взаимодействующих с нитроцеллюлозой, ее удельная поверхность и способность удерживать сыпучие компоненты падает примерно в 3 раза, что показано многочисленными исследованиями, проведенными в ЛНПО "Союз". Поэтому порядок ввода компонентов играет весьма важную роль в данном способе. Смешение компонентов в течение менее 1 мин не дает требуемой однородности смеси, а увеличение времени более 20 мин приводит к неоправданным энергозатратам и снижению производительности процесса.

2. Ввод в смесь воды с маслом обеспечивает высокую равномерность распределения и впитывание масла в гидрофобные участки нитроцеллюлозы. Смешение в течение менее 1 мин и более 20 мин приводит к тем же последствиям, что и в п.1.

3. Поскольку дифениламин является стабилизатором химической стойкости, ввод его в виде раствора в пластификаторе обеспечивает полное проникновение его в нитроцеллюлозу и химическую стойкость готовой смеси. Ввод поливинилацетата осуществляют после ввода пластификатора, так как в противном случае поливинилацетат снижает скорость пластификации, обволакивая частицы смеси, что неоправданно удлиняет технологический цикл (требуется большее время смешения смеси).

Вводимый в смесь парафин играет роль одной из технологических добавок, снижающей коэффициент трения смеси при ее переработке. Особенностью парафина является то, что он размягчается при трении и растекается на границе металл
смесь. Этот эффект проявляется только при переработке. Поэтому размеры частиц парафина должны отвечать определенным требованиям. При размере частиц более 3 мм появляется неоднородность на поверхности трения, сопротивление трения возрастает, снижаются производительность и качество при переработке. Снижение размера частиц парафина менее 0,1 мм ведет к их агрегации и комкованию, что затрудняет ввод его при смешении компонентов: возникают забивки течки и снижается производительность процесса. Нарушение порядка подготовки и ввода компонентов в предлагаемом способе в целом приводит к ухудшению качества изделий, прежде всего механической прочности элементов, что в свою очередь ведет к неудовлетворительным эксплуатационным характеристикам композиции: разрушению элементов в аэрозольном огнетушителе при тряске, перевозке, складировании и т.д. Кроме того, нарушение порядка ввода и указанных режимов изготовления приводит к снижению однородности и пористости, что оценивается по эффективности охлаждения аэрозоля, выходящего из стандартного огнетушителя, заряженного охлаждающей композицией. Требуемая температура должна быть не более 400^oC.

Вальцевание композиции с влажностью 45-55 мас. осуществляют при температуре валков 90-120^oC. Композиция на основе пластифицированной нитроцеллюлозы является термопластичной и может перерабатываться только при высоких температурах. Поэтому валки снабжены системой интенсивного теплообмена и обогреваются в течение всего процесса водой с температурой 90-120^oC. За счет интенсивных сдвиговых деформаций происходит смешение, пластификация и сушка композиции. При этом она обволакивает в виде полотна-чулка передний валок и под действием новых порций продвигается к краям валка, где продавливается через фильеру с диаметром отверстий 3-8 мм в виде шнуров, которые режутся ножом на гранулы длиной 3-8 мм. Гранулы с влажностью 30-35 мас. направляют в сушилку, где высушивают их конвективным или контактным способом до влажности 15-20 мас. и затем подают в экструдер. Выходящие через экструзионную головку шнуры режут на элементы заданной длины, которые подсушивают в естественных условиях до равновесной влажности 3-5 мас.

При температуре валков ниже 90^oC неэффективен процесс сушки полотна, выходящие с вальцев гранулы имеют высокую влажность. При температуре валков выше 120^oC возможны локальные перегревы и деструкция нитроцеллюлозы.

При диаметре отверстий фильеры менее 3 мм снижаются производительность и влажность полотна ниже 25 мас. вязкость композиции резко возрастает и прекращается ее течение через фильеру. При диаметре отверстий более 8 мм гранулы имеют повышенную влажность более 30 мас. и плохо сохнут в сушилке. 2 При высушивании гранул в сушилке до влажности менее 15 мас. вязкость композиции увеличивается настолько, что прекращается ее течение в экструдере. При влажности гранул более 20 мас. выходящие из экструдера шнуры получаются рыхлыми, крошатся при резке, и удлиняется процесс сушки до равновесной влажности.

Пример 2. Изготовлена композиция охладителя на основе следующих компонентов (мас.):
Коллоксилин 7,1
Триацетин 7,0
Дифениламин 0,2
Поливинилацетат 0,5
Углерод 0,3
Окись железа 0,5
Основной карбонат магния 38,3
Масло индустриальное 0,8
Стеарат натрия 0,4
Графит 0,4
Парафин 0,5
Вода 44,0
Навески коллоксилина, окиси железа, углерода и наполнителя смешивали в смесителе в течение 1 мин, затем в смесь при перемешивании струей вводили воду с индустриальным маслом. По окончании ввода смесь перемешивали 1 мин, после чего вводили в нее раствор дифениламина в триацетине, после перемешивания добавляли эмульсию поливинилацетата и остальные компоненты, парафин вводили в виде порошка дисперсностью 0,1-0,2 мм. Композицию перемешивали в течение 1 мин и с влажностью 50 мас. вальцевали при температуре валков 95^oC, гранулировали полотно в гранулы диаметром 5 мм, влажность гранул составляла 30 мас. их сушили до влажности 20 мас. и экструдировали в шнуры, которые резали на элементы диаметром 5 мм и длиной 5-6 мм, сушили до влажности 3 мас. Полученные элементы (таблетки) для охлаждения огнетушащего аэрозоля имеют ровную поверхность без задиров. При нарушении описанного порядка ввода компонентов при экструзии шнуры получаются с задирами, что говорит о низкой однородности массы и большом внешнем трении. Готовые элементы (таблетки) для охлаждения аэрозоля имели прочность на сжатие 0,66 МПа при требуемой для нормальной эксплуатации изделий не менее 0,15 МПа. Полученные элементы оценивались также на эффективность охлаждения, которая обеспечивается как рецептурой, так и качеством смешения (однородность, пористость уд. поверхность). Эффективность охлаждающей способности элементов оценивалась по температуре аэрозоля, выходящего из стандартного огнетушителя на расстоянии 20 мм от его среза. Требуемая температура не более 400^oC, без охладителя она порядка 1900^oC, с охладителем составила 380^oC.

Пример 3. Изготовлена композиция согласно рецептуре в примере 1 при той же последовательности операций, но длительность перемешивания компонентов была по 20 мин, а дисперсность парафина 2,8-3,0 мм. Переработка массы проводилась аналогично примеру 1. Полученные элементы (таблетки) имели ровную поверхность без задиров. Прочность на сжатие составила 0,69 МПа, а температура аэрозоля с охладителем 390^oC.

Пример 4. Изготовлена та же композиция, что в примере 1, но длительность перемешивания на всех стадиях была по 10 мин, а дисперсность парафина - 1,4-1,6 мм. Последующая переработка массы аналогична примеру 1. Полученные таблетки имели ровную поверхность без задиров. Прочность на сжатие 0,6 МПа, температура аэрозоля 375^oC.

Таким образом, проведенными экспериментами подтверждена высокая эффективность предлагаемой композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля и ее изготовления.

Высокая эффективность предлагаемой композиции для охлаждения огнетушащего аэрозоля была подтверждена сотнями испытаний на автомобилях ЗИЛ-130, "Волга", "Тойота", "КАМАЗ", ВАЗ 2121Б ("Нива"), автобусах ЛАЗ, ПАЗ, при тушении загораний на многочисленных производственных объектах. Подтверждена она также испытаниями ВНИИПО МВД РФ. В настоящее время ведутся работы по созданию серийного производства аэрозольных огнетушителей с использованием разработанной композиции для охлаждения аэрозоля на базе использования двойных технологий в рамках конверсии оборонной промышленности для оснащения российского и стран СНГ рынков.

Использование: аэрозольное пожаротушение, в частности, средство для охлаждения огнетушащего аэрозоля и способ его получения. Сущность изобретения, композиция для охлаждения огнетушащего аэрозоля содержит: связующие: на основе нитроцеллюлозы, например, коллоксилин - 5,0-12,5 мас.%, дифениламин - 0,1-0,5 мас. %, поливинилацетат - 0,2-1,5 мас.%, углерод - 0,1-0,5 мас.%, окись железа - 0,3-1,5 мас.%, труднолетучий пластификатор нитроцеллюлозы: триацетин и/или дибутилфталат в соотношении 1:1 в количестве 5,0-12,5 мас.%, наполнитель: основной карбонат магния или оксалат аммония или фосфат магния основной - 25,0-45,0 мас.%, и технологические добавки: масло индустриальное или приборное - 0,5-5,0 мас.%, стеарат натрия или цинка - 0,1-3,0 мас.%, графит - 0,1-1,5 мас.%, парафин - 0,1-1,5 мас.%, вода - остальное. Для изготовления композиции смешивают в течение 1-20 мин нитроцеллюлозу, окись железа и углерод с наполнителем. Вводят воду с индустриальным или приборным маслом. Смесь перемешивают 1-20 мин. Вводят раствор дифениламина в пластификаторе. Перемешивают. Добавляют эмульсию поливинилацетата и остальные добавки. Композицию перемешивают 1-20 мин. Вальцуют ее с влажностью 45-55 мас.% при температуре валков 90-120^oC до влажности 25-30 мас.%. Полотно гранулируют в гранулы диаметром 3-8 мм. Сушат до влажности 15-20 мас.%. Гранулы экструдируют. Шнур режут и сушат до равновесной влажности 3-5 мас.%. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Композиция для охлаждения огнетушащего аэрозоля, отличающаяся тем, что она содержит связующее на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучим пластификатором, дифениламина, поливинилацетата, углерода и окиси железа, наполнитель основной карбонат магния, или оксалат аммония, или фосфат магний основной и технологические добавки масло индустриальное или приборное, стеарат натрия или цинка, графит, парафин и воду при следующем соотношении компонентов, мас.

Нитроцеллюлоза 5,0 12,5
Труднолетучий пластификатор 5,0 12,5
Дифениламин 0,1 0,5
Поливинилацетат 0,2 1,5
Углерод 0,1 0,5
Окись железа 0,3 1,5
Основной карбонат магния, или оксалат аммония, или фосфат магния основной 25,0 45,0
Масло индустриальное или приборное 0,5 5,0
Стеарат натрия или цинка 0,1 3,0
Графит 0,1 1,5
Парафин 0,1 1,5
Вода Остальное
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве связующего на основе нитроцеллюлозы она содержит коллоксилин.