Аэрозолеобразующий огнетушащий состав на основе сахаридов Российский патент 2021 года по МПК A62D1/00 

Изобретение относится к объемному аэрозольному пожаротушению, в частности к твердотопливным аэрозолеобразующим составам (АОС).

Большинство аэрозолеобразующих составов имеют относительно высокую температуру продуктов сгорания, т.е. выделяемого огнетушащего аэрозоля, близкую к 1000°С, при приемлемой огнетушащей эффективности, и близкое к предельно допустимому содержание токсичных газообразных продуктов сгорания, таких как монооксид углерода (СО), оксиды азота (NO, NO₂) и аммиак (NH₃).

Эти параметры обусловлены, в первую очередь, применением в АОС высокотеплотворных горючих и горюче-связующих из ряда углеводородных соединений (фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол и т.п.), а также технического углерода (угля, сажи). Характерными АОС подобного ряда являются составы представленные патентами РФ на изобретения №2046614, №2006239, №2146546, №2477163, №2477162.

Тепло-физические характеристики некоторых видов топлива в АОС представлены в таблице 1.

Горение на воздухе АОС с высокотеплотворным горючим или горюче-связующим из ряда углеводородных соединений сопровождается интенсивным свечением горячих газов и раскаленных частиц, которые оказывают значительное термическое воздействие на окружающую среду.

Это затрудняет применение АОС в генераторах огнетушащего аэрозоля (ГОА) без охладителя, в герметичных и условно-герметичных объемах и исключает их использование в переносных генераторах (ГОАП), предназначенных для подавления пламенного горения объектов (например, одежды на человеке) в открытом пространстве.

В отличие от этих составов предлагаемый авторами аэрозолеобразующий состав на основе сахаридов является экологически чистым, низкотемпературным, малопламенным.

Сахариды, их модификации и смеси в технике пожаротушения достаточно давно известны, в основном в качестве эмульгаторов, для создания высокократных пен.

Из уровня техники известна «Огнетушащая композиция, содержащая сахарид и производное сахарида» (патент US 9662522 B2), в которой используют сахариды и их производные, но не для генерации аэрозоле-газовой смеси, а для улучшения пожаротушащих свойств ГОА, снабженного обычным пиротехническим зарядом АОС. Аэрозоль, вырабатываемый этим зарядом, выбрасывает смесь сахаридов в зону пожара. То есть используются сахариды, по существу, в качестве порошкового пожаротушащего агента.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению (прототипом) является «Аэрозолеобразующий твердотопливный состав для гашения пожара» (патент UA 7773), содержащий древесную муку и нитрат калия. Дополнительно он содержит перхлорат калия, сахарозу либо лактозу, либо сорбит, дициандиамид или дифениламин, при следующим соотношении компонентов, масс. %: перхлорат калия 5÷8; нитрат калия 50÷63; сахароза, лактоза или сорбит 20÷33; дициандиамид или дифениламин 5÷10; древесная мука - остальное.

К недостаткам прототипа можно отнести:

- повышенное содержание дициандиамида, которое нарушает баланс твердой и газообразной составляющих газо-аэрозольного комплекса, что снижает пожаротушащую эффективность. К тому же ухудшаются условия воспламенения состава;

- наличие в составе перхлората калия, который как показывает многолетний опыт, нежелателен в композициях с сорбитом, в первую очередь из-за способностей солей хлора замедлять его кристаллизацию. Состав может не затвердевать месяцами и обладает хладотекучестью. К тому же, перхлорат калия компонент повышенной опасности - чувствителен к трению, требует особых условий хранения и ограничен в реализации;

- применение в составе прототипа древесной муки повышает теплотворную способность АОС, (т.е. к повышению температуры газо-аэрозольной смеси) и увеличивает содержание вредных веществ (в основном, канцерогенов) в генерируемом газо-аэрозольном облаке;

- допустимая замена дициандиамида на дифениламин в указанном количестве, приводит к значительному снижению температуры эксплуатации АОС (температура плавления дифениламина 56°С);

- отсутствие катализаторов в составе, обеспечивающих стабильное горение с оптимальной скоростью и минимальным содержанием моноокиси углерода;

- отсутствие в составе присадок - стабилизаторов, антиоксидантов, без которых АОС, содержащий сорбит, деградирует за короткий промежуток времени.

Для наглядности существенные отличия приведены в таблице 2.

Стоит отметить, что два варианта производства прототипа так же содержат ряд серьезных недостатков. Предлагаем краткий обзор этих технологий:

Вариант 1 - исходные компоненты измельчают, перемешивают в соответствующих пропорциях и прессуют. Для получения составов с заявленными свойствами необходимо измельчать компоненты до фракций 20-50 мкм. В этом случае даже такой инертный компонент как дициандиамид становится взрывоопасным в воздушно-пылевом облаке, не говоря уже о том, что одновременно там может присутствовать и измельченный перхлорат калия. Опасным является и процесс прессования т.к. давление прессования сухой смеси не менее 2500 кг/см², при температуре плавления связующего (186°С для сахарозы).

Вариант 2 - исходные компоненты растворяются в воде, раствор упаривается до нужных кондиций, затем разливается в формы и сушится. Технология намного безопаснее, но требует специального оборудования: вакуумной оснастки, сушильных шкафов, мощной вентиляции и увеличенной производственной площади. Процесс требует больших электрических мощностей и протяжен во времени (только сушка может занимать более 30 часов).

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является создание семейства АОС, лишенных указанных недостатков.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в повышении огнетушащей эффективности АОС (менее 0,030 г/м³) и снижении температуры генерируемой газо-аэрозольной струи (менее 100°С). Обеспечивается этот результат двумя основными факторами:

- применением горюче-связующего с небольшой теплотворной способностью и относительно высоким содержанием кислорода в молекулярном звене;

- использованием расплавной технологии, позволяющей уменьшить расстояния между частицами компонентов АОС, до размеров сравнимых с размерами молекул.

Базовый состав предлагаемого семейства АОС, на основе сахаридов содержит горюче-связующее - сорбит, газообразователь - дициандиамид, окислитель - нитрат калия, дополнительно вводятся технологические добавки - церезин или стеарат металла, например натрия, катализатор - например, оксид железа и стабилизатор химической стойкости - например, централит и/или дифениламин в количестве не превышающем 0,5 мас. %.

Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях мас. %: сорбит - 15÷40, дициандиамид - 2÷5, оксид железа - 0,1÷5, церезин или стеарат меди 0,1÷1,0, централит и/или дифениламин в количестве не превышающем 0,5 мас. % - 0,1÷1,0, нитрат калия - остальное.

Оптимальное количество дициандиамида позволяет в сочетании с катализатором обеспечить стабильное горение и оптимальную скорость горения состава 1,9-2,2 мм/с. Очевидно, что увеличение количества дициандиамида в предлагаемых АОС приведет к уменьшению скорости реакции горения и ухудшит воспламеняемость.

Включенный в состав оксид железа выступает в качестве катализатора, ускоряя реакцию.

Наравне с газообразователем дициандиамидом могут также использоваться уротропин, мелем, гуанидин, мелон, меламин, органические соли металлов.

В качестве катализаторов могут выступать химические соединения металлов или их смесь, а в качестве окислителя - нитраты металлов или их смесь.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с моносахаридом, например глюкозой.

В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с олигосахаридом, например сахарозой.

В следующем предпочтительном варианте в качестве горюче-связующего используют сорбит в смеси с полисахаридом, например с крахмалом.

В другом варианте выполнения изобретения в качестве горюче-связующего используют нитроцеллюлозу в различных вариациях.

В следующем предпочтительном варианте в качестве газообразователя используют уротропин в смеси дициандиамидом.

В следующем предпочтительном варианте в качестве газообразователя используют органическую соль металла.

Стоит особенно отметить эффективность использования предлагаемых малопламенных АОС на основе сахаридов в переносных генераторах (ГОАП), без охладителя, предназначенных для подавления пламенного горения объектов (например, одежды на человеке) в открытом пространстве.

Температура газо-аэрозольной струи этих огнетушителей не превышает 50°С на расстоянии 20 см от выпускного отверстия.

Предлагаемые АОС могут быть использованы в качестве вытесняющего агента в порошковых и жидкостных системах пожаротушения, усиливая пожаротушащий эффект.

Как уже отмечалось ранее, технология изготовления малопламенных АОС на основе сахаридов является простой и безопасной. Компоненты расплавляются в обычном реакторе с мешалкой, при температуре около 100°С (точка плавления сорбита, основного компонента горюче-связующего 95°С), то есть при температуре значительно ниже температуры возгорания компонентов состава.

Затем состав разливается в формы или картриджи и сразу после остывания (40-60 минут) может использоваться по назначению. Эта технология, используя равномерное распределение измельченных компонентов в расплаве горюче-связующего, обеспечивает расстояние между частицами, вступающими в реакцию, сравнимую с размерами молекул. Это обстоятельство, наряду с удачно подобранным химическим составом, придает уникальные эксплуатационные свойства предлагаемым авторами АОС.

При необходимости, предлагаемые АОС могут изготавливаться и по традиционным технологиям: экструзия, вальцевание, глухое и проходное прессование и пр., но надо учесть при этом, что эксплуатационные характеристики АОС ухудшаются.

Акцентируем: эффективность предлагаемого семейства АОС определяется расстоянием между частицами, вступающими в реакцию, которое сравнимо с размерами молекул и удачно сложенной рецептурой.

Изобретение относится к объемному аэрозольному пожаротушению, в частности к твердотопливным аэрозолеобразующим составам (АОС). Технический результат заключается в повышении огнетушащей эффективности АОС (менее 0,030 г/м³) при низкой теплотворной способности горюче-связующего и относительно высоком содержании кислорода в молекулярном звене, что позволяет снижать температуру горения в сочетании с оптимальной скоростью, что обеспечивается малым расстоянием между частицами, вступающими в реакцию (сравнимую с размерами молекул). Технический результат достигается тем, что аэрозолеобразующий состав на основе сахаридов содержит горючесвязующее сорбит, газообразователь дициандиамид, окислитель нитрат калия, согласно изобретению в состав дополнительно вводят технологические добавки церезин или стеарат металла, катализатор оксид железа. Входящие в АОС компоненты взяты в следующих соотношениях мас.%: сорбит 15÷40, дициандиамид 2÷5, оксид железа 0,1÷5, церезин или стеарат металла 0,1÷5, нитрат калия - остальное. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Аэрозолеобразующий огнетушащий состав на основе сахаридов, содержащий горючесвязующее и окислитель - нитрат калия, отличающийся тем, что расстояние между частицами, вступающими в реакцию, сравнимо с размерами молекул, и состав содержит: горючесвязующее – сорбит или сорбит в смеси с моносахаридами или сорбит в смеси олигосахаридами или сорбит в смеси с полисахаридами, газообразователь, технологические добавки, катализатор - оксид железа, при этом компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%:

Горючесвязующее 15÷40 Газообразователь 2÷5 Катализатор 0,1÷1,0 Технологические добавки 0,1÷5,0 Окислитель остальное

2. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразователя содержит дициандиамид.

3. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразователя содержит уротропин в смеси с дициандиамидом.

4. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразователя содержит органические соли металлов.

5. Состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразователя содержит мелем или меломин.