ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЭЛАСТИЧНЫХ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК C06B33/12 C06C9/00 

Изобретение относится к энергосодержащим устройствам, например зарядам, таблеткам и резервным источникам тока, приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических электродов батареи примыкающими эластичными воспламенителями.

Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав эластичных ленточных воспламенительных элементов для химического источника тока, сформированный из смеси порошкового циркония (горючего) и хромата бария (окислителя), в которой содержится 1-5 мас.% асбестового волокна длиной 0,5-3 мм, используемого в качестве активного наполнителя - минерального связующего, описанный в патенте JP 60-077362, H01M 3/36, 1985 г.

Указанный состав пиротехнического воспламенителя приготавливается перемешиванием в виде водной суспензии, которую затем фильтруют, отделяя дисперсную фазу, а влажную смесь формуют в виде плоского листа и сушат.

В результате получается эластичный пироэлемент, который используется в качестве воспламенителей, входящих в структуру резервного источника тока (термохимичекой батареи). Ленточные воспламенители примыкают с торцов к пиротехническим электродам для их воспламенения при запуске батареи в работу.

Описанные пиротехнические воспламенители образуют при сгорании коксовые остатки и характеризуются относительно высокими скоростью горения и теплоотдачей, что обеспечивает воспламенение пиротехнических электродов и функционирование батареи.

Недостатком описанных эластичных воспламенителей является функциональная ненадежность из-за нестабильности скорости горения, в результате чего воспламенение пиротехнических электродов батареи происходит не одновременно, при этом не обеспечиваются требуемые разрядные характеристики.

Это, в частности, объясняется потерей сплошности пиротехнических воспламенителей из-за недостаточной эластичности, не обеспечивающей плотного контакта в примыкании по периметру электродов батареи. Разрушающие деформации воспламенителей происходят по причине недостаточной их гибкости при изгибе с растяжением, когда пространственно формируется конгруэнтная структура с беззазорным примыканием по периметру электродов батареи функциональных нагревателей.

В эксплуатации возможны случаи, когда электроды не воспламеняются или воспламеняются с временной задержкой, что резко ухудшает динамику выхода на режим и разрядные характеристики батареи.

В принципе возможен отказ в срабатывании резервного источника тока, что недопустимо в ответственных изделиях.

Более совершенным является пиротехнический состав для эластичных воспламенителей, описанный в патенте RU 2342352 C2, C06B 33/06, C06B 29/02, 2008 г., который содержит барий хромовокислый (хромат бария), циркониевый порошок и измельченные волокна асбеста. Особенностью этого состава является то, что в него дополнительно введены перхлорат калия и латекс, модифицирующий измельченные волокна асбеста.

Указанный пиротехнический состав по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.

В известном пиротехническом составе перхлорат калия служит активным окислителем, использование которого на порядок повышает скорость сгорания тонкого пиротехнического воспламенителя до 1 м/с.

Перхлорат калия обеспечивает конвективный режим сгорания пиротехнических воспламенителей между электродными пластинами батареи, что стабилизирует тепловыделение.

При введении в пиротехнический состав латекса (органического связующего) модифицируются измельченные волокна асбеста за счет образования на них пленочного покрытия из коагулирующего латекса, что обеспечивает повышение прочности и гибкости каркасной структуры тонкого пиротехнического воспламенителя.

Недостатком известного состава является ограниченное использование эластичных воспламенителей только в форме лент, так как тонколистовой воспламенитель из-за недостаточной способности сохранять форму в процессе и после горения вследствие диспергирования и разрушения шлаков, при этом физически невозможно беззазорно примкнуть воспламенитель к профилю воспламеняемого изделия и, главное, при горении сплошной воспламенитель будет разорван бурно генерируемыми газами, нарушая контакт с изделием, то есть конструкция такой батареи нефункциональна.

Кроме того, сложная технология изготовления ленточных воспламенителей неприемлема в серийном производстве, во-первых, из-за применения в пиротехническом составе воспламенителей латекса, который при контакте с асбестом практически мгновенно коагулирует и комкуется, не образуя пленочного покрытия волокон.

Для того чтобы ввести органическое связующее в состав, латекс диспергируют в жидкой фазе.

Во-вторых, для обеспечения гибкости минеральному наполнителю и несущей прочности формируемому тонкому воспламенителю, необходимо поверхность диспергированных в жидкости измельченных волокон асбеста покрыть латексом в присутствии лигносульфоната.

После этого жидкую фазу - водный насыщенный раствор перхлората калия с лигносульфонатом (которую необходимо утилизировать) принудительно удаляют.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование воспламенительного пиротехнического состава, технологически просто перерабатываемого в эластичные воспламенители, характеризующиеся функциональной надежностью и повышенной эффективностью действия по основному назначению.

Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический состав эластичных воспламенителей, включающий хромат бария, циркониевый порошок и диспергированный асбест в качестве связующего, согласно изобретению, содержит асбест хризотиловый дисперсностью 0,2-2 мм и дополнительно стабилизатор шлаков - диоксид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хромат бария 62-70 циркониевый порошок 26-30 асбест хризотиловый 2-4 диоксид циркония 2-4

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили стабилизацию формы тонколистовых эластичных воспламенителей при горении, с повышением теплопроводности формируемых шлаков, а также гарантированно одновременное воспламенение пиротехнических электродов резервного источника электропитания за счет стабилизации скорости горения воспламенителей и оптимизации их качественного и количественного пиротехнического состава.

В предложенных эластичных воспламенителях практически исключено диспергирование шлаков, за счет формирования при горении состава газопроницаемого коксового остатка с пористостью 10%, а также минимизировано газовыделение при горении, что расширяет область применения.

При содержании в пиротехническом составе хромата бария меньше 62 мас.% ухудшается воспламеняемость из-за снижения скорости горения ниже оптимальной, когда время задействования батареи электропитания неудовлетворительно продолжительное.

При содержании в пиротехническом составе хромата бария больше 70 мас.% происходит неполное взаимодействие с металлическим горючим термической основы и остаток является балластом в массе воспламенителя.

Цирконий - металлическое горючее термической основы состава, обеспечивающее заданные теплоотдачу и скорость горения воспламенителя.

При содержании в пиротехническом составе циркониевого порошка меньше 26 мас.% резко снижается скорость горения воспламенителя, при этом в результате низкой интенсивности теплоотдачи продуктов сгорания распределенные функциональные пиротехнические электроды батареи воспламеняются и горят нестабильно, вплоть до затухания.

Содержание в пиротехническом составе циркониевого порошка больше 30 мас.% является балластным, так как при этом не отмечается улучшения показателей назначения, при вероятном частичном невоспламенении электродов.

Повышенный объем газообразования продуктов сгорания сопровождается диспергированием разрыхляемых шлаков и, как следствие, ухудшается контакт с воспламеняемым изделием, причем применение пластинчатых воспламенителей в этом случае невозможно из-за их разрыва давлением в зоне примыкания.

Диоксид циркония служит в качестве каркасообразователя воспламенителя как при изготовлении, так и при горении, сохраняя его исходные габариты в форме пористого газопроницаемого коксового остатка, что стабилизирует теплоотдачу, исключая диспергирование шлаковых частиц в фронте горения.

Содержание в пиротехническом составе диоксида циркония меньше 2 мас.% гарантированно не обеспечивает стабильности его начальной формы при функционировании и после сгорания воспламенителя, что нарушает структурную монолитность с электродами и соответственно оптимальную теплопередачу.

Содержание в пиротехническом составе диоксида циркония больше 4 мас.% увеличивает долю инертной массы, которая в холостую потребляет часть развиваемой тепловой энергии, ухудшая воспламеняемость основного пиротехнического заряда, из-за снижения калорийности состава и скорости его горения.

Термостойкий хризотиловый асбест представляет собой волокнистый минеральный материал, который легко расщепляется на гибкие и тонкие волокна толщиной до 0,5 мкм, имеющих прочность при растяжении вдоль волокон до 3 ГПа.

Хризотиловый асбест легко распушивается и измельчается при циркулировании водной суспензии в обычном диспергаторе до заданных линейных размеров волокон в прямой зависимости от числа циклов ее вращения.

При использовании асбестовых волокон длиной меньше 0,2 мм прочность и эластичность тонких воспламенителей не достигают заданных пределов для практического применения с силовым деформированием для примыкания с развитой поверхностью воспламеняемого изделия.

При измельчении волокон асбеста размером больше 28 мм резко усложняется процесс смешивания компонентов пиротехнического состава, ухудшается качество смеси из-за образования конгломератов при свивании волокон, что не обеспечивает равномерного распределения в массе состава и термомеханических свойств воспламенителей.

При содержании в пиротехническом составе измельченного хризотилового асбеста меньше 2 мас.% не достигается требуемая эластичность воспламенителей из-за недостаточной функциональной связки компонентов, формируемой в процессе вакуумного осаждения композиции.

При содержании в пиротехническом составе измельченного хризотилового асбеста больше 4 мас.% увеличивается толщина воспламенителя и резко уменьшается скорость его горения, ухудшая воспламеняющую способность.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

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 неизвестно, а с учетом практической возможности серийного изготовления пиротехнических составов для эластичных тонких воспламенителей на действующем оборудовании, можно сделать вывод о соответствии условиям патентоспособности.

Оптимальный количественный состав предложенного воспламенительного состава был рассчитан по математической модели планирования эксперимента и проверен испытаниями опытных образцов воспламенителей в комплекте с пиротехническими электродами термохимической батареи, изготовленных при различном массовом соотношении компонентов для определения уровня показателей назначения: в пределах диапазона содержания компонентов, на его границах и за границами оптимизированных диапазонов.

Характерные составы, испытанные в структуре эластичных воспламенителей, приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Характерные составы по изобретению компоненты Содержание, мас.% 1 2 3 4 5 хлорат бария 72 70 64 62 60 циркониевый порошок 23 26 30 30 29 диоксид циркония 1 2 3 4 6 асбест хризотиловый 4 2 3 4 5

Сравнительные результаты опытной проверки функционирования воспламенительных составов сведены в Таблицу 2.

Таблица 20 Показатели назначения пиротехнических составов Показатели СОСТАВЫ 1 2 3 4 5 Прототип скорость горения, мм/с 15 40 70 115 20 1000 удельное газовыделение, см³/г 10 6 12 20 10 80 диспергирование шлаков, % 15-20 1-2 2-3 8-10 1-2 20-30

Из данных таблиц следует, что составы 1 и 5 не обеспечивают гарантированного и одновременного воспламенения пиротехнических электродов батареи из-за низкой скорости горения воспламенителя.

При этом в составе 1 при горении происходит значительное диспергирование шлаков, приводящее к резкому уменьшению поверхности контакта с воспламеняемым зарядом и, следовательно, ненадежному его воспламенению.

Составы 2-3 характеризуются надежностью функционирования по скорости горения и практически одновременной передачей теплового импульса на распределенные пиротехнические заряды и электроды.

Предложенный воспламенительный состав готовится и перерабатывается по принятой в пиротехническом производстве технологии, на существующем стандартном оборудовании.

Порошкообразные компоненты состава вводят в технологическую жидкую среду барботера мерными долями (мас.%): 66±4 хромата бария, 28±2 циркония, 3±1 диоксида циркония и 3±1 измельченного асбеста (волокнистого связующего).

Технологическую суспензию приготавливают активным перемешиванием компонентов подаваемым снизу в емкость сжатым воздухом, создающим барботирование смеси, чем обеспечивается равномерное их распределение в объеме.

Хризотиловый асбест измельчают посредством циркулирования технологической суспензии в диспергаторе, содержащем кавитатор и тангенциально расположенные сопла ротора, в течение времени, которое обеспечивает распушивание волокон и дробление их на фрагменты длиной 0,2-2 мм.

Измельченные волокна асбеста прокаливают для удаления органических примесей и получения однородной массы, обеспечивающей образование заданной каркасности структуре формуемого эластичного воспламенителя.

Затем приготовленную суспензию компонентов пиротехнического состава вводят, перемешивая, в плоскую форму листоотливного аппарата, установленную на фильтре-подложке, создав на нем оптимальный перепад давления 0,06-0,10 МПа.

В результате удаления жидкой фазы на фильтре-подложке формируется тонкий слой пиротехнического состава в пластине 200×200 мм, которую снимают при влажности 15-30%.

Далее сформированную пиротехническую пластину толщиной 0,3-0,6 мм сушат при температуре 16-80°C до конечной влажности не более 0,4 мас.%.

Пиротехнический состав и технология его приготовления позволяют качественно формировать тонкие эластичные пластины, пригодные для беззазорной установки на воспламеняемых изделиях сложной пространственной формы. При этом увеличивается контактная поверхность и, следовательно, надежность воспламенения.

Использование тонколистового воспламенителя стало возможным при условии, что предложенный пиротехнический состав является малогазовым и при горении не нарушается его сплошность и контакт с нагреваемым изделием.

Далее готовую пиротехническую пластину режут на ленты шириной 4-6 мм для использования в качестве воспламенителей пиротехнических электродов термохимической батареи.

Предложенные эластичные воспламенители выдерживают 20-30 полных реверсных перегибов при растягивающем усилии 0,1 кгс, что гарантированно обеспечивает их конструктивную и технологическую адаптивность в примыкании к профилю изделий сложной формы.

Положительные результаты испытаний опытных образцов эластичных воспламенителей из предложенного состава по стабильности воспламенения и скорости их горения, обеспечивающих, в частности, гарантированный вывод резервного источника тока на заданный режим функционирования по назначению, позволяют рекомендовать изобретение на промышленное серийное использование для поставки заказчикам.

Изобретение относится к энергосодержащим резервным источникам тока, приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических электродов батареи примыкающими эластичными воспламенителями. Пиротехнический состав для эластичных воспламенителей включает, в мас.%: хромат бария 62-70, циркониевый порошок 26-30, стабилизатор шлаков - диоксид циркония 2-4 и связующее - диспергированный асбест хризотиловый дисперсностью 0,2-2 мм в количестве 2-4. Решение направлено на стабилизацию формы тонколистовых эластичных воспламенителей при горении, повышение теплопроводности формируемых шлаков и обеспечивает гарантированно одновременное воспламенение пиротехнических электродов резервного источника электропитания за счет стабилизации скорости горения воспламенителей и оптимизации их качественного и количественного пиротехнического состава. В предложенных эластичных воспламенителях практически исключено диспергирование шлаков, за счет формирования при горении состава газопроницаемого коксового остатка с пористостью 10%, а также минимизировано газовыделение при горении, что расширяет область применения. 2 табл., 5 пр.

Пиротехнический состав для эластичных воспламенителей, включающий хромат бария, циркониевый порошок и в качестве связующего измельченные волокна асбеста, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стабилизатор шлаков - диоксид циркония, а в качестве связующего используют асбест хризотиловый дисперсностью 0,2-2 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хромат бария 62-70 циркониевый порошок 26-30 асбест хризотиловый 2-4 диоксид циркония 2-4