СПИЧКА Российский патент 2000 года по МПК C06F5/00 

Изобретение относится к устройствам для разжигания огня в быту, в сложных погодных условиях, освещения предметов, находящихся под водой, а также использования в пирошоу.

Предлагаемая спичка предназначена для особо экстремальных условий: сильные ливни, разведение огня в снежном покрове, сильно загазованные топки печей, для возможности обнаружения различных предметов под водой при плохой видимости, а также, благодаря высокому искрящемуся факелу, для развлекательных целей: карнавала, новогодних и рождественских праздников и различных пирошоу.

Известна спичка, содержащая стержень из горючего материала - пропитанной горючим составом древесины - зажигательную головку на одном конце стержня (см. ГОСТ 1820-85). Эта спичка выпускается многими производствами РСФСР и стран бывшего СССР, широко используется в быту.

Эта спичка недостаточно надежна, особенно в условиях, отличающихся от домашних, например в полевых условиях, на ветру, в условиях повышенной влажности, а в качестве сигнального средства малопригодна также из-за ненадежности возгорания и неустойчивости и несформированности факела пламени, невозможности получения окрашенного пламени.

Известна также спичка, содержащая первый стержень из горючего материала, в торце которого выполнено центральное отверстие, в котором жестко закреплен другой стержень с зажигательной головкой, вершина которой расположена вне полости центрального отверстия, причем в первом стержне выполнен один или более одного продольных каналов, заполненных горючей смесью порошков химических веществ, включающий перхлорат аммония, мелкодисперсный порошок металла, бронзовую пудру и органические добавки, а на поверхности спички нанесено защитное покрытие (RU, патент 2074847, кл. C 06 F 5/00, 10.03.1997). Данное решение принято в качестве ближайшего аналога. Однако эта известная спичка имеет ограниченные функциональные возможности.

Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей, а именно обеспечения горения спички под водой. Предлагаемая спичка обеспечивает:
- возможность разжигания огня в условиях сильного ливня, снегопада, мокрого разжигаемого материала (сучья, ветки, дрова и т.д.);
- возможность освещения придонного слоя прудов, глубоких луж, озер, рек при поиске различных предметов в ночных условиях или плохой видимости.

Дополнительно предлагаемая спичка обеспечивает получение искрящегося яркого факела при массовых развлекательных мероприятиях.

Для достижения указанного технического результата канал (каналы) стержня спички заполняются горючей смесью порошков химических веществ: окислителя, горючего, стабилизатора горения, предотвращающего аномальное и резонансное горение, вещества, позволяющего регулировать скорость горения.

Предложенное заполнение канала (каналов) спички позволяет отметить следующую причинно-следственную связь между признаками и достигаемым техническим результатом:
- процесс горения в предлагаемой спичке происходит при совместном взаимодействии продуктов разложения материала стержня спички и продуктов горения смеси порошков, заполняющих канал (каналы) спички;
- так как горение специально подобранной смеси порошков в канале спички происходит значительно быстрее горения активной оболочки (материала стержня), перед фронтом горения порошков образуется камера сгорания продуктов разложения материала стержня и продуктов разложения смеси порошков; образуется как бы специально организованная камера сгорания с активными стенками и отверстием для истечения продуктов сгорания, играющим роль сопла;
- так как давление в камере сгорания и в струе значительно больше давления окружающей среды (в частности воды), холодный воздух или вода не могут достичь поверхности горения и, следовательно, загасить процесс передачи тепла от нагретого газа к поверхности пиротехнического состава и внутренней поверхности стержня спички, т.е. прекратить процесс горения.

Поставленная задача решена за счет того, что в спичке, содержащей первый стержень из горючего материала, в торце которого выполнено центральное отверстие, в котором жестко закреплен другой стержень с зажигательной головкой, вершина которой расположена вне полости центрального отверстия, причем в первом стержне выполнен один или более одного продольных каналов, заполненных горючей смесью порошков химических веществ, включающей перхлорат аммония, мелкодисперсный порошок металла, бронзовую пудру и органические добавки, а на поверхности спички нанесено защитное покрытие, горючая смесь в качестве мелкодисперсного порошка металла содержит порошок титана при следующем соотношении входящих в нее компонентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 30-58
Порошок титана - 30-55
Бронзовая пудра - 8-12
Органические добавки - 1-5
На чертеже представлена предлагаемая спичка в разрезе.

Предлагаемая спичка содержит стержень 1 из древесины и зажигательную головку 2. В качестве такого стержня с зажигательной головкой может быть использована обычная хозяйственно-бытовая спичка по ГОСТ 1820-85, описанная в качестве аналога. Первый стержень 3 имеет цилиндрическую форму, в нем имеется центральное отверстие 4, имеющее форму усеченного конуса, большее основание которого совпадает с торцом первого стержня 3 и равно диаметру зажигательной головки 2. Второй стержень 1 в отверстии жестко закреплен посредством клинового соединения. Зажигательная головка 2 выступает из отверстия 4. На торце стержня 3 выполнена фаска 5 для более надежного возгорания его от зажигательной головки 2. На поверхность спички нанесено защитное покрытие 6. В этой части предлагаемая спичка полностью аналогична прототипу по всем существенным признакам. Как и в прототипе, стержень 3 изготовлен из двухосновного твердого топлива (пороха). Основные компоненты топлива этой группы - окислитель и горючее входят в структуру одной молекулы. Основой этих топлив является нитроклетчатка - продукт нитрации целлюлозы. При смешивании ее с пластификаторами образуется пластмасса, которой путем продавливания через матрицы можно придать любую форму, например стержня. Растворители нитроклетчатки бывают летучие и труднолетучие, на летучем растворителе изготавливают пироксилиновые пороха, на труднолетучем - баллиститные. Стержень 3 спички может быть выполнен как из пироксилиновых, так и из баллиститных порохов.

Защитное покрытие 6 представляет собой, например, лакокрасочную композицию на основе нитролака с наполнителем в виде металлического порошка - алюминия, бронзы, меди и др. Защитное покрытие предохраняет от распространения пламени по боковой поверхности, предохраняет стержень 3 и головку 2 от влаги, паров и агрессивных средств, защищает руки пользователя при горении спички.

В теле стержня 3 выполнены продольные каналы 8. Канал может быть всего один и может быть выполнен как продолжение центрального отверстия 4.

Канал (каналы) 8 заполняются горючей смесью порошков химических веществ. Для защиты зажигательной головки 2 от механических воздействий и влаги на торец стержня 3 надет колпачок 7.

Приведенный диаметр канала d = П/π, где П - периметр, должен составлять не более 5 мм ввиду того, что увеличение диаметра канала приводит к увеличению критического объема смеси порошков, горение которой будет уже осуществляться в аномальном (объемном) режиме горения, что может привести к разрыву стержня и как следствие к травме человека.

Запрессовывание смеси порошков в канал при больших давлениях не технологично (требует большого объема технологического оборудования, большой сложности конструкции), кроме того, приводит к невозможности воспламенения получающегося столбика отпрессованной смеси горящим материалом стержня.

Канал (каналы) 8 заполнены горючей смесью порошков перхлората аммония или калия в качестве окислителя и мелкодисперсного порошка металла в качестве горючего.

Выбор перхлоратов аммония и калия в качестве окислителя обусловлен их сильным окисляющим действием на порошки металлов за счет выделения при горении содержащихся в них кислорода (4 атома) и хлора (1 атом). Следует отдать предпочтение при использовании в промышленном производстве перхлорату аммония ввиду его хорошей химической стойкости, негигроскопичности, кроме того, он обеспечивает обильное газообразование, что немаловажно для формирования факела спички с повышенным давлением.

В качестве горючего предлагается порошок титана. Порошок титана применяется с дисперсностью 50-200 мкм; с одной стороны это обеспечивает более низкую скорость горения по сравнению со скоростью горения материала активной оболочки (пироксилинового, дигликолиевого или твердого ракетного топлива), с другой - обеспечивает наличие в факеле, истекающем из канала стержня, ярких светящихся звездочек. Кроме того, применение Ti позволяет обеспечить стабильное горение неуплотненной химической смеси в узких каналах (4,0-1,0 мм) с коэффициентом уплотнения 0,5-0,6. Бронзовая пудра вводится в смесь в качестве стабилизатора процесса горения: обеспечения синхронного горения с активной оболочкой стержня спички, предотвращения резонансного горения в канале стержня, т. е. исключения аномального горения в канале стержня, т.е. исключения аномального горения и разрыва спички.

Кроме этих 3-х основных компонентов вводятся органические добавки для обеспечения регулирования скорости горения спички и ее технологичности при заполнении канала стержня, лучшей сыпучести, хорошего уплотнения без подпрессовки и т.п.

В качестве этих добавочных компонентов опробованы: гексахлорбензол, уратропин, полиформальдегид, полистирол, колоксилин. Для заполнения канала стержня спички предлагается смесь следующего состава, мас.%:
Перхлорат аммония (окислитель) - 30-58
Порошок титана (горючее) - 30-56
Бронзовая пудра (стабилизатор горения) - 8-12
Гексахлорбензол (добавка для регулирования скорости горения, технологичности) - 1-5
Функционирование спички осуществляется следующим образом. После воспламенения головки спички посредством терки происходит воспламенение и горение материала стержня. Материал стержня горит по торцевой поверхности и частично по каналу, заполненному смесью порошков. Смесь порошков представляет собой пористую массу. В эту пористую массу поступают продукты горения материала стержня, которые воспламеняют смесь порошков и поддерживают ее горение. Следует отметить, что без наличия продуктов сгорания стержня смесь не горит. Под действием температуры продуктов сгорания материала стержня происходит разложение окислителя (перхлората аммония), образовавшиеся свободный кислород и хлор окисляют с выделением тепла порошок металла и гексахлорбензола. Смесь продуктов сгорания поступает в факел спички, где происходит дальнейшее догорание продуктов разложения порошков, при этом температура смешанных продуктов сгорания порошков и материалов стержня резко возрастает и тем самым яркость факела увеличивается. Кроме того, продукты сгорания материала стержня в основном газообразные (CO, CO₂, H₂O) при истечении из канала, в котором давление больше, чем давление окружающей среды, формируют осесимметричную струю, создавая протяженный светящийся факел, заполненный частицами догорающего металла (светящимися звездочками).

Таким образом, функции смеси порошков в канале спички следующие.

Смесь порошков горит в канале стержня спички со скоростью большей скорости горения стержня спички, температура продуктов разложения пиротехнической смеси достаточно высокая (около 2200^oC), газообразных продуктов выделяется в канал стержня достаточно много (удельное газообразование продуктов разложения пиротехнической смеси плюс продукты горения материала стенок стержня спички (около 500 л/кг); в горящем стержне образуется как бы миниатюрный аккумулятор давления. Давление в канале спички повышенное по сравнению с давлением окружающей среды, поэтому при истечении из канала спички формируется струя достаточной протяженности (до 800 мм), т.е. протяженный яркий факел с догорающими в нем частицами металла (Ti) - звездочками. Газообразные продукты не дают возможность субстанции окружающей среды, в частности воде, проникнуть к горящей смеси. Спичка горит под водой, а на воздухе образует красивый яркий факел с рассыпающимися светящимися звездочками.

В спичке подводного горения процесс горения осуществляется следующим образом. Воспламенение смеси порошков и поддержание их процесса горения осуществляется за счет продуктов сгорания материала стержня (пироксилинового или баллиститного топлива), которые являются основными поставщиками окислителя - кислорода.

Под действием этих продуктов сгорания происходит разложение веществ, входящих в состав порошков, и дальнейшее их окисление в струе за пределами стержня. Догорание продуктов разложения смеси порошков "размазывается" по длине факела, то есть имеется в какой-то мере система раздельной подачи горючего и окислителя. Этим достигается поддержание необходимой температуры по всей длине излучающего факела, а не ее падение по мере удаления от зоны горения (торца стержня спички). Таким образом, яркость факела поддерживается на необходимом уровне.

Отработка соотношений компонентов в пиротехнической смеси велась следующим образом. Развешивались необходимые количества порошков компонентов. Предварительно смешивались порошки металлов: Ti и бронзовой пудры. Эта смесь добавлялась в порошок перхлората аммония, находящийся в фарфоровой емкости, с помощью деревянной мешалки производилось предварительно перемешивание, затем добавлялась органическая добавка и смесь тщательно перемешивалась. Затем на специальном вибростенде с помощью металлических воронок смесью порошков заполняли центральный канал динитрогликолиевого пороха ДГ-2 (диаметр стержня 7 мм, диаметр канала 2,5 мм, длина 200 мм). С одного торца стержень закрывался деревянной пробкой, в другой помещалась головка спички хозяйственной, которая служила воспламеняющим устройством. Задействование такой спички осуществлялось с помощью обычной спичечной терки.

Динитрогликолевые стержни с каналом при отработке брались с точки зрения прозрачности их стенок, т.е. возможности фиксирования величины камеры сгорания во время горения (части канала стержня между торцом стержня и поверхностью горения пиротехнической смеси). Отработка спички подводного горения проводилась в 2 этапа. На первом этапе испытания образцов проводились с измерением скорости горения стержня спички, длины образующегося факела и яркости пламени при горении спички на открытом воздухе. На втором этапе проверялось горение стержня спички при погружении ее в воду.

Скорость горения стержня спички, длина факела и величина камеры сгорания фиксировались с помощью видеокамеры и секундомера. Яркость пламени изменялась с помощью спектрометра типа БРС-1.

Искрообразование (количество светящихся звездочек в факеле) оценивалось путем подсчета по фотографиям, полученным с помощью скоростной кинокамеры "Гладиолус".

Пример. Отработка оптимальной рецептуры.

Отвешивался порошок титановый марки ПТМ с дисперсностью 150-200 мкм (МРТУ/4-2-56-66) изготовитель АО "Тулачермет", смешивался с пудрой бронзовой, навеска порошка перхлората аммония измельчалась в фарфоровой ступке. Смесь перемешивалась, добавлялась навеска порошка гексохлорбензола и с помощью деревянной мешалки смесь тщательно перемешивалась.

На специальном вибростенде заполнялся канал стержня спички и готовая спичка поступала на испытания. Для каждой конкретной рецептуры подвергалось испытаниям не менее 10 спичек.

В таблице приведены результаты испытаний.

При превышении содержания в смеси 55% Ti наблюдались разрывы в конце горения стенок стержня спички. При повышении процентного содержания (более 58%) перхлората аммония - происходило загасание процесса горения спички в слое воды. Уменьшение содержания бронзовой пудры в смеси (менее 8%) приводило к беспорядочным вспышкам - аномальное горение.

Испытания горения спички в слое воды производилось в резервуаре, имеющем глубину 3 м. Отдельные испытания проводились в бассейне глубиной 5 м. Отказов в горении не наблюдалось.

При отработке рецептуры брались порошки промышленно выпускающихся веществ. Сырье использовалось отечественное.

Пиротехнический состав для заполнения канала спички не может самостоятельно выполнять возложенную на спичку функцию: гореть под водой, образовывать протяженный искрящийся факел, так же как и стержень спички, даже имеющий канал.

В процессе экспериментов также установлено, что предлагаемая спичка физически стабильна, не крошится, не распадается, имеет хорошую химическую стойкость - не разлагается за счет внутренних процессов при хранении при температуре ±50^oC при времени хранения до 5 лет включительно. Предлагаемые смеси порошков перерабатываются на общепринятом пиротехническом оборудовании, сборка и изготовление спичек осуществляется с применением простейших технологических приспособлений.

Спичка содержит первый стержень из горючего материала, в торце которого выполнено центральное отверстие, в котором жестко закреплен другой стержень с зажигательной головкой, вершина которой расположена вне полости центрального отверстия. В первом стержне выполнен один или более одного продольных каналов, заполненных горючей смесью порошков химических веществ. На поверхности спички нанесено защитное покрытие. Горючая смесь содержит перхлорат аммония в качестве окислителя, порошок титана в качестве горючего, бронзовую пудру в качестве стабилизатора и органические добавки при следующем соотношении компонентов, мас.%: перхлорат аммония 30 - 58; порошок титана 30 - 55; бронзовая пудра 8 - 12; органические добавки 1 - 5, что обеспечивает возможность горения спички под водой. 1 ил., 1 табл.

Спичка, содержащая первый стержень из горючего материала, в торце которого выполнено центральное отверстие, в котором жестко закреплен другой стержень с зажигательной головкой, вершина которой расположена вне полости центрального отверстия, причем в первом стержне выполнен один или более одного продольных каналов, заполненных горючей смесью порошков химических веществ, включающей перхлорат аммония, мелкодисперсный порошок металла, бронзовую пудру и органические добавки, а на поверхности спички нанесено защитное покрытие, отличающаяся тем, что горючая смесь в качестве мелкодисперсного порошка металла содержит порошок титана при следующем соотношении входящих в нее компонентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 30 - 58
Порошок титана - 30 - 55
Бронзовая пудра - 8 - 12
Органические добавки - 1 - 5