ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СОСТАВ Российский патент 2020 года по МПК C06D5/06 C09K8/592 

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к разработке термопластичного, перерабатывающегося литьем газогенерирующего состава на основе нитрата аммония и нитрата магния, который может быть использован для приведения в действие различных механизмов, использующих энергию сжатых газов.

Известно достаточно много газогенерирующих составов на основе нитрата аммония и, как правило, их недостатки сводятся в две группы, либо недостаточные скорости горения как при атмосферном, так и при повышенном давлении, сочетающиеся как правило с невысокой энергетикой, либо высокое содержание дорогих и дефицитных энергонасыщенных материалов, делающих данные составы дорогостоящими в производстве.

Известен по патенту РФ № 2423339 «Твердотопливный газогенерирующий состав», который содержит окислитель, горючее-связующее и энергетическую добавку. В качестве окислителя в составе использован нитрат аммония марки ЖВ, в качестве горючего-связующего - метилполивинилтетразол, а в качестве энергетической добавки - нитраминопропионитрил, при следующем содержании компонентов, мас.%: 60-70 нитрата аммония марки ЖВ, 5-20 метилполивинилтетразола, 20-25 нитраминопропионитрила. Состав не содержит токсичные соединения в продуктах сгорания, обладает низкой чувствительностью к детонационным и механическим воздействиям, высокой газопроизводительностью при низкой температуре продуктов сгорания, хорошей воспламеняемостью составов при повышенной скорости их горения в нормальных условиях.

Известен газогенерирующий состав по патенту РФ № 2444505, содержащий 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.

Изобретение по патенту РФ № 2425821 относится к низкотемпературным твердотопливным газогенерирующим составам на основе нитрата аммония, предназначенным для газогенераторов, используемых в средствах пожаротушения, в устройствах надува различных оболочек и для механизмов, работающих под действием сжатых газов. Газогенерирующий состав содержит, мас.%: нитрат аммония 50,0-70,0, поли-N-метил-5-винилтетразол 4,8-8,0, окись цинка 1,0-2,0, нитраминопропионитрил 16,7-27,3, 2,4-динитро-2,4диазапентан 7,2-11,6, дифениламин 0,3-1,0.

Газогенерирующий состав имеет повышенную удельную газопроизводительность, обладает высоким уровнем механических характеристик и улучшен с экологической точки зрения.

Приведенные выше составы обеспечивают хороший уровень энергетических характеристик, но содержат дорогостоящие и дефицитные соединения, такие как производные динитрамида и тетразолов, нитро- и диазосоединения. Данный фактор по суди сводит к нулю самое главное преимущество нитрата аммония, как дешевого и экологически чистого окислителя. Так как экологичность (экологическая чистота) зависит не только от того какие продукты образуются в результате сгорания данного конкретного состава в момент его применения на месте. Но в равной степени и от того, сколько ресурсов в целом было затрачено на его производство, так как использование ресурсов, а в частности выработка энергии и есть основная нагрузка на окружающую среду, а конечным показателем суммы затраченных ресурсов является стоимость конечного продукта.

Также известен газогенерирующий состав по патенту РФ № 2444554, опубликован 02.07.2010 C09K 8/00. Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке термопластичного твердотопливного состава, используемого для интенсификации и добычи нефти. Термопластичный твердотопливный состав, содержащий нитрат аммония, каучук, катализатор горения, содержит в качестве каучука порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм, в качестве катализатора горения - бихромат калия или бихромат аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитрат аммония 79-88, указанный каучук 8-18, бихромат калия или бихромат аммония 1-11. Технический результат - увеличение при повышенном давлении скорости горения состава и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания.

Данный состав имеет низкую стоимость, не содержит дефицитных компонентов, но содержит токсичные соединения хрома, имеет низкую плотность и низкую скорость горения, а также не высокие энергетические характеристики.

Технической проблемой является создание твердотопливного газогенерирующего состава с максимальной реализацией энергетического потенциала нитрата аммония, а также достижение приемлемых для широкого практического применения скоростей горения без использования дорогостоящих и токсичных компонентов при минимальной стоимости состава в целом.

Техническим результатом является полная реализация энергетического потенциала нитрата аммония как экологически чистого окислителя газогенерирующих составов без использования дорогостоящих, дефицитных или токсичных соединений в составе, а также увеличение плотности состава и скорости горения газогенерирующих составов на основе нитрата аммония.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что твердотопливный состав, содержащий в качестве основного окислителя нитрат аммония, в качестве дополнительного окислителя содержит нитрат магния, в качестве катализаторов горения нитраты аммиакатов цинка и меди, в качестве основного горючего компонента органический амин предпочтительно с двумя или более аминогруппами, например, гексаметилентетрамин, полиэтиленполиамины, триэтилентетрамин при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитрат магния 10-22; аммиакат нитрата цинка 1,5-30; аммиакат нитрата меди 1,5-3,0; органический амин 10-18; нитрат аммония - остальное.

Назначение компонентов: нитрат аммония используется как основа - дешевый и доступный источник легких газов, а также как окислитель, нитрат магния служит дополнительным окислителем, являясь в этом плане весьма эффективным соединением благодаря небольшой атомной массе магния, и невысокой теплоте образования самого нитрата.

Нитрат магния при этом практически полностью и без разложения обезвоживается в расплаве нитрата аммония, впоследствии эффективно снижая температуру плавления всего состава. Образующаяся при горении окись магния с очень развитой поверхностью также частично служит поверхностью для каталитических процессов.

Аммиакаты нитратов меди и цинка являются основными катализаторами процесса горения топлива, особенно аминного, также они снижают фактическую гигроскопичность составов и сильно влияют на физико-механические свойства, в частности, благодаря образованию координационных полимерных соединений с аминами, содержащими от двух и более аминогрупп. Аминные горючие, как уже указано выше, влияют на механические свойства состава. В качестве основного горючего выбран гексаметилентетрамин благодаря ряду положительных свойств, таких как низкая стоимость и доступность, низкая токсичность, положительная теплота образования, достаточно высокая плотность, а также высокое содержание водорода.

Далее в таблице 1 приводится сравнительная характеристика свойств по патенту РФ № 2444554 и предлагаемого изобретения:

Таблица 1.

Состав Газопроизводительность, л/кг Расчетный удельный импульс при 68 атм. Плотность,
гр/см³ Скорость горения при 2,5МПа, мм/сек РФ № 2444554 850-960 200-210сек 1,5-1,55 До 4,4 Изобретение 740-960 216-245сек 1,68-1,78 8-12мм/сек

Также, предлагаемый состав имеют низкую зависимость скорости горения от давления, что облегчает проектирование газогенераторов и различных двигателей.

Скорость горения при атмосферном давлении 2-5мм/сек, в газогенераторе/двигателе 8-12мм/сек, при чем скорость 8мм/сек, достигается уже при давлениях не более 10 атм, дальше следует выраженное плато.

ПРИМЕРЫ:

Изготовление данных твердотопливных составов осуществляют в три стадии:

1-я стадия: Сплавление нитрата аммония с нитратами, аммиакатами нитратов, и/или оксидами соответствующих металлов (Mg, Zn, Cu).

2-я стадия: Сплавление полученного на первой стадии окислителя с аминным горючим. Для этого окислитель расплавляется при постоянном контроле температуры не более 130 °С, после чего температура снижается до 100-110 °С, и вводится аминное горючее, при дальнейшем снижении температуры до 90-100 °С. На этой же стадии возможно введение дополнительного горючего, армирующих материалов и технологических добавок. После того, как состав станет однородным, он может заливаться в формы.

В таблице 2 приведены примеры твердотопливных газогенерирующих составов в соответствии с изобретением

Компонент/
характеристика 1 2 3 4 5 6 7 8 NH₄NO₃ 63,5% 59,5% 62% 34,5% 56,2% 59,5% 59,5% 50,7% Mg(NO₃)₂ 10% 16% 22% 17,5% 12% 16% 16% 13,6% Zn(NO₃)₂*2NH₃ 12,5% 9,5% 1,5% 30% 11% 9,5% 9,5% 8% Cu(NO₃)₂*2NH₃ 3% 3% 1,5% 3% 2,8% 3% 3% 2,5% C₆H₁₂N₄
гексаметилентетрамин 11% 12% 13% 15% 18% 10,2% триэтилентетрамин 12% полиэтиленполиамин 12% алюминий 15% Скорость горения при 1атм, мм/сек 2 2,2 2,2 4,5 -- 2 2 2 Скорость горения при 25атм, мм/сек 7-8 8 8 8 7-8 7-8 7-8 12 Газопроизводительность, л/кг 886 871 860 818 962 865 870 740 Расчетный удельный импульс при 68 атм. 225
сек 225,5сек 228
сек 216
сек 215
сек 220
сек 221
сек 245
сек

Технический результат подтверждается тем, что плотность составов в среднем составляет от 1,68 до 1,78гр/см³ без использования дополнительного металлического горючего, при этом скорость горения 2-5мм/сек при 1 атм и 8-10 и мм/сек при 25-60 атм, количество газообразных продуктов 740-960 литров на килограмм. Также благодаря наличию в составе нитрата магния и ненасыщенных аммиакатов нитратов цинка и меди в сочетании с аминным горючим достигаются невысокие температуры переработки состава, 90-110 °С. Кроме того, для данных составов характерны такие свойства, как легкость литья в формы, хорошая адгезия к ряду материалов (в основном тканевые и бумажные волокнистые основы), при бронировании же заранее отлитых заготовок хорошей адгезией к составам обладает ряд полимеров, например эпоксидные смолы, полиуретаны, идитол. Достаточное время жизни (длительное сохранение вязко-пластичных свойств после заливки состава).

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к разработке термопластичного, перерабатывающегося литьем газогенерирующего состава, который может быть использован для приведения в действие различных механизмов, использующих энергию сжатых газов, а также как модельное ракетное топливо. Технический результат - возможность полной реализации энергетического потенциала нитрата аммония как экологически чистого окислителя газогенерирующих составов и модельных ракетных топлив без использования дорогостоящих, дефицитных или токсичных соединений в составе, увеличение плотности состава и скорости горения газогенерирующих составов на основе нитрата аммония. Твердотопливный газогенерирующий состав содержит в качестве основного окислителя нитрат аммония, в качестве дополнительного окислителя - нитрат магния, в качестве катализаторов горения - нитраты аммиакатов цинка и меди, в качестве основного горючего компонента - органический амин предпочтительно с двумя или более аминогруппами, например гексаметилентетрамин, полиэтиленполиамины, триэтилентетрамин, при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитрат магния 10-22; аммиакат нитрата цинка 1,5-30; аммиакат нитрата меди 1,5-3,0; органический амин 10-18; нитрат аммония остальное. 2 табл.

Твердотопливный газогенерирующий состав на основе нитрата аммония, отличающийся тем, что он включает в качестве дополнительного окислителя нитрат магния, также нитраты аммиакатов цинка и меди, органический амин предпочтительно с двумя или более аминогруппами, например гексаметилентетрамин, полиэтиленполиамины, триэтилентетрамин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нитрат магния 10-22 аммиакат нитрата цинка 1,5-30 аммиакат нитрата меди 1,5-3 органический амин 10-18 нитрат аммония остальное