ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ НИТРАТА АММОНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C06D5/06 C06B31/32 

Изобретение относится к области газогенерирующих составов и может быть использовано в различных системах пожаротушения на основе газогенераторов, автономных системах подъема затонувших объектов, подушках безопасности автомобилей, системах интенсификации добычи нефти, для получения селективных газов.

Известен ряд газогенерирующих составов [1-3, 5, 6, 8-11], которые характеризуются высокой газопроизводительностью и скоростью горения.

Основным недостатком некоторых из известных составов, например по [1, 2], является наличие в составе металлического горючего, что при горении приводит к образованию конденсированных продуктов сгорания и требует фильтрации получаемых газов с соответствующим введением дополнительных элементов в конструкцию газогенератора. В составах содержится перхлорат аммония (ПХА), что приводит к появлению в продуктах сгорания токсичных соединений хлора. Кроме того, наличие ПХА в твердотопливном газогенерирующем составе является причиной высокой температуры генерируемых газов, что ограничивает область его применения.

При наличии в газогенерирующем составе [3] гидрида алюминия существенно повышается чувствительность газогенерирующего состава к механическим воздействиям и тем самым повышается взрывоопасность такого состава [4]. Это является его основным недостатком. Кроме того, наличие гидрида алюминия, используемого в качестве металлического горючего, приводит к нежелательному появлению большого количества конденсированных продуктов сгорания в составе генерируемых газов. Такой газогенерирующий состав характеризуется низкой газопроизводительностью.

Основным недостатком известных газогенерирующих составов [5, 6] является наличие в их составе взрывчатых веществ (октоген, гексоген), что переводит данные газогенерирующие составы в класс взрывоопасных и существенно сужает допустимую область их применения [4]. Кроме того, в газогенерирующих составах [5, 6] используется нитрат аммония, стабилизированный оксидами переходных металлов (никель, медь, цинк), характеризующийся низкой стабильностью физико-химических свойств, ввиду образования высокочувствительных комплексных соединений [7].

Известен газогенерирующий состав [8], основным недостатком которого является наличие в его составе соединений хлора - хлорида аммония, используемого в качестве охладителя. Наличие хлорида аммония в составе газогенерирующего состава приводит к появлению токсичных соединений в продуктах сгорания. Кроме того, в таком составе используется нитрат аммония, стабилизированный нитратными комплексами, характеризующийся низкой стабильностью физико-химических свойств. В качестве катализатора в данном составе применяется сажа, что приводит к увеличению конденсированных соединений в продуктах сгорания.

Основными недостатками газогенерирующего состава [9] на основе инертного горючего-связующего являются низкая скорость горения и большое содержание конденсированных соединений в продуктах сгорания, что в целом приводит к низкой газопроизводительности и низкой скорости выделения газов. А наличие большого количества конденсированных продуктов сгорания приводит к необходимости решать проблему фильтрации генерируемых газов. Кроме того, для применения данного состава необходимо решать проблему его плохой воспламеняемости.

Известен газообразующий состав [10], содержащий порошок алюминия в качестве металлического горючего. Это приводит к образованию конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах. Газогенерирующий состав содержит ПХА и взрывчатые вещества (октоген), что является причиной наличия токсичных соединений хлора в продуктах сгорания и высокой чувствительности состава к механическим воздействиям. Кроме того, в составе [10] используется фазонеустойчивый нитрат аммония, что приводит к нестабильности физико-химических свойств состава в целом.

Газогенерирующий состав [11] содержит активное горючее-связующее (на основе нитроэфиров и тетразольного полимера), октоген, перхлорат аммония и порошок алюминия. Его основным недостатком является использование фазонеустойчивого нитрата аммония, что нарушает стабильность физико-химических свойств состава в целом. Наличие октогена и активного горючего-связующего на основе нитроэфиров приводит к росту чувствительности состава, переводя данный газогенерирующий состав в класс взрывоопасных и сужая область его применения. Присутствие в составе перхлората аммония приводит к наличию токсичных соединений хлора в генерируемых газах, а наличие металлического горючего - к образованию большого количества конденсированных соединений в продуктах сгорания.

Таким образом, известные твердотопливные газогенерирующие составы характеризуются большим содержанием конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах, нестабильностью физико-химических свойств окислителя, высокой температурой продуктов сгорания, наличием токсичных соединений хлора (HCl и др.) в продуктах сгорания, низкой газопроизводительностью, высокой чувствительностью к механическим воздействиям, низкой скоростью горения, что существенно ограничивает их функциональные возможности и области применения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является твердотопливный низкотемпературный газогенерирующий состав [прототип, 12]. В нем в качестве окислителя используется нитрат аммония марки ЖВ, в качестве горючего - динитрамид гуанилмочевины, в качестве горючего-связующего - метилполивинилтетразол, который при горении состава приводит к образованию конденсированных продуктов сгорания (сажа). Это, в свою очередь, приводит к необходимости решать проблему фильтрации генерируемых газов путем введения дополнительных конструкционных элементов в конструкцию газогенератора. Кроме того, образование конденсированных продуктов сгорания при горении состава приводит к низкой газопроизводительности состава. Большое содержание нитрата аммония (60-70 мас.%) приводит при горении состава к образованию сплошного слоя расплава нитрата аммония на поверхности горения, что является причиной низкой скорости горения состава. Это также является причиной большого времени задержки воспламенения состава, особенно при низких давлениях.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков прототипа и создание газогенерирующего состава, способного при сохранении низкой температуры горения, стабильности физико-химических свойств, отсутствия токсичных соединений хлора в генерируемых газах, низкой чувствительности к механическим воздействиям, обеспечить существенное снижение содержания конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах, увеличение газопроизводительности и скорости горения, снижение времени задержки воспламенения.

Технический результат выражается в существенном снижении содержания конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах, повышении газопроизводительности и скорости горения, снижении времени задержки воспламенения (см. таблицу).

В предлагаемом газогенерирующем составе в качестве окислителя используется нитрат аммония марки ЖВ, в качестве горючего-связующего используется метилполивинилтетразол (МПВТ), пластифицированный эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом, в качестве горючего - динитрамид гуанилмочевины, в качестве катализатора - дикарболлильный комплекс железа в следующем соотношении, мас.%:

Метилполивинилтетразол 5 Динитразапентан 7 1,2,4-нитротриазол 16 Динитрамид гуанилмочевины 20-50 Дикарболлильный комплекс железа 2 Нитрат аммония марки ЖВ остальное до 100%

Содержание горючего-связующего выбрано из расчета обеспечения необходимого уровня технологических и физико-механических характеристик газогенерирующего состава. Наличие в составе нитрата аммония марки ЖВ и динитрамида гуанилмочевины обусловлено высокой газопроизводительностью, низкой чувствительностью к механическим воздействиям, отсутствием соединений хлора в продуктах разложения и горения, высокой стабильностью физико-химических свойств. Варьирование соотношения нитрат аммония/динитрамид гуанилмочевины в предлагаемых границах позволяет обеспечить регулирование скорости горения и газопроизводительности в широком интервале значений.

Таблица 1 Физико-химические показатели аналогов, прототипа и заявляемого состава Состав Z, % n V_газа, моль/кг Т, °С HCl+Cl₂, моль/кг u, мм/с Р, кгс/см² L, мм t, c [1, 2] 5-30 0 19-23 >2500 4-6 1-3 1200 140 0,3 [3] >50 0 15-17 >2300 3 5 200 50 0,3 [5, 6] 5-7 10 18-21 >1800 0 1-2 3600 250 0,7-1 [8] 3-5 15 21 1500 0 1 3600 250 1 [9] 20 0 20 2200 0 1 2800 250 1 [10] 15-30 20 21-23 2500 2 1-3 1500 120 0,7-1 [11] 10-15 0 19-21 2500 1-2 1-3 1500 150 0,5-0,7 [прототип, 12] 1 >100 25 1800 0 1 5200 >500 0,8-1 Предлагаемый состав <0,1 >100 35-40 1800 0 2-5 4800-5100 >500 0,3-0,5 Примечание: Z - количество конденсированных соединений в генерируемых газах; n - количество циклов температурного нагружения, выдерживаемых нитратом аммония; Т - температура генерируемых газов (термодинамический расчет при р>2 МПа); Р - чувствительность к трению (по ГОСТ Р 50835-95); L - чувствительность к удару (по ГОСТ 4545-88); t - время задержки воспламенения при давлении 0,1 МПа.

Из таблицы видно, что предлагаемый состав по сравнению прототипом [12] характеризуется меньшим количеством конденсированных соединений в продуктах сгорания, большей газопроизводительностью и скоростью горения, меньшим временем задержки воспламенения при реализации близкого уровня температуры генерируемых газов, содержания токсичных соединений хлора, параметров чувствительности к механическим воздействиям, стабильности физико-химических свойств нитрата аммония, определяющих стабильность свойств состава в целом.

Отличительным признаком предлагаемого газогенерирующего состава является использование впервые в составе газогенерирующих составов дикарболлильного комплекса железа, а также использование впервые горючего-связующего на основе метилполивинилтетразола, пластифицированного эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом.

Существенное снижение содержания конденсированных продуктов сгорания в составе генерируемых газов обеспечивается особенностями горения и термического разложения предлагаемого состава, а именно наличием в составе горючего-связующего эвтектики динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом, что приводит к интенсификации процесса горения и сдвигу баланса между образованием конденсированных и газообразных продуктов сгорания в сторону последних. Сдвиг баланса в сторону образования газообразных продуктов сгорания, в свою очередь, приводит к существенному росту газопроизводительности состава.

Использование в качестве катализатора дикарболлильного комплекса железа приводит к интенсификации разложения сплошного слоя расплава нитрата аммония на поверхности горения состава. Это, в свою очередь, приводит к увеличению скорости процессов разложения-сублимации других компонентов, увеличению скорости горения и снижению времени задержки воспламенения состава. Высокая эффективность дикарболлильного комплекса железа как катализатора обусловлена его растворением в расплаве нитрата аммония, и его введение в количестве 2 мас.% в состав обусловлено наиболее оптимальными параметрами горения газогенерирующего состава именно при этом содержании катализатора.

Снижение времени задержки воспламенения обеспечивается наличием катализатора и компоновкой горючего-связующего. Компоновка горючего-связующего обеспечивает дополнительное тепловыделение в конденсированной фазе в температурном интервале разложения нитрата аммония, что приводит к интенсификации химических реакций в поверхностном слое и снижению времени задержки воспламенения. Кроме того, при разложении горючего-связующего выделяются окислительные элементы, что является причиной снижения времени задержки воспламенения и роста скорости горения состава.

Совокупность вышеназванных компонентов позволила решить техническую задачу существенного снижения количества конденсированных продуктов сгорания, повышения скорости горения и газопроизводительности, снижения времени задержки воспламенения за счет наличия в составе горючего-связующего на основе метилполивинилтетразола, пластифицированного эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом, и применения в качестве катализатора дикарболлильного комплекса железа (см. таблицу).

Для проверки эффективности предложенного состава были проведены экспериментальные лабораторные исследования, подтвердившие высокую эффективность предложенного состава по сравнению с аналогами и прототипом.

Список литературы

1. Патент США №4084992 от 18.04.1978 г.

2. Патент США №7335270 от 22.11.2002 г.

3. Патент РФ №2335484 от 30.10.2006 г.

4. Kubota N. Propellants and Explosives: Thermochemical Aspects of Combustion. - New York: Wiley-VCH Verlag, 2002. - 310 p.

5. Патент США №5596168 от 29.09.1995 г.

6. Патент США №5589661 от 29.09.1995 г.

7. Audrieth L.F., Schmidt М.Т. Fused "Onium" Salts as Acids. I. Reactions in Fused Ammonium Nitrate // Procedings of the National Academy of Sciences. - 1934. - №4. - P.221-225.

8. Патент США №6231702 от 15.05.2001 г.

9. Патент РФ №2363691 от 06.11.2007 г.

10. Патент США №4158583 от 19.06.1979 г.

11. Патент США №6682615 от 02.03.2003 г.

12. Патент РФ №2393140 от 18.06.2009 г.

Изобретение относится к области газогенерирующих составов и может быть использовано в различных системах пожаротушения на основе газогенераторов, автономных системах подъема затонувших объектов, подушках безопасности автомобилей, системах интенсификации добычи нефти, для получения селективных газов. Предлагаемый газогенерирующий состав содержит нитрат аммония марки ЖВ, динитрамид гуанилмочевины, дикарболлильный комплекс железа и горючее-связующее на основе метилполивинитетразола, пластифицированного эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом. Изобретение обеспечивает низкое содержание конденсированных продуктов сгорания в генерируемых газах, высокую скорость горения и газопроизводительность и низкое время задержки воспламенения. 1 табл.

Газогенерирующий состав на основе нитрата аммония, используемого в качестве окислителя, включающий горючее-связующее и горючее, отличающийся тем, что дополнительно содержит катализатор - дикарболлильный комплекс железа, в качестве горючего-связующего - метилполивинилтетразол, пластифицированный эвтектикой динитразапентана с 1,2,4-нитротриазолом при следующем содержании компонентов, мас.%:
Метилполивинилтетразол 5 Динитразапентан 7 1,2,4-нитротриазол 16 Динитрамид гуанилмочевины 20-50 Дикарболлильный комплекс железа 2 Нитрат аммония марки ЖВ Остальное до 100%