Пиротехнический состав зеленого огня Российский патент 2023 года по МПК C06B33/14 C06B31/02 F42B4/04 

Изобретение относится к пиротехнике, в частности к пиротехническим составам на основе нитратов металлов, которые предназначены для образования цветного огня при горении от химического взаимодействия нескольких твердых веществ и предназначено для формирования сигнала зеленого огня, который используется в средствах подачи сигнала и целеуказания в военизированных и специальных подразделениях, а также может быть использован спасателями, альпинистами, охотниками и др.

Изобретение обеспечивает решение поставленной задачи, а именно, разработку состава для зарядов, обладающих повышенной прочностью и более низкой скоростью горения состава для обеспечения продолжительности времени горения в ограниченных габаритах конструкции патрона и улучшение технологичности приготовления состава для формования зарядов на высокотехнологичном оборудовании, горение которых обеспечивает более высокую насыщенность пламени ярким зеленым цветом для обеспечения дальности видимости и различимости на всей траектории горения заряда.

Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав зеленого огня, описанный в изобретении, патент №2525419, С06В 33/14, C06D 3/00, приоритет от 04.04.2013 г., который содержит цветообразующий окислитель - барий азотнокислый, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4), усилитель цвета, который выполнен в виде смеси порошка хлорпарафина ХП-66Т и жидкого хлорпафина ХП-470 и органическое горючее - фенолоформальдегидная смола СФ-342А (идитол), вводимая в форме спиртового лака, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

барий азотнокислый 67-73 порошок алюминиево-магниевого сплава 8-10 хлорпарафин порошок 14-16 хлорпарафин жидкий 2-3 фенолоформальдегидная смола СФ-342А (на сухое вещество) 3-4

Изготовленные из этого состава пиротехнические заряды, имеющие оптимальное соотношение горючее/окислитель, стабильно воспламеняются и горят с заданной температурой и скоростью, обеспеченной активным магнием, связанным в сплаве с алюминием, который повышает калорийность и температуру горения.

Выполнение усилителя цвета зеленого пламени в виде смеси порошкового и жидкого хлорпарафинов продиктовано необходимостью полноты хлорирования бария с получением при горении состава монохлорида бария - основного излучателя монохроматического зеленого цвета, которым насыщается пламя, в результате чего увеличивается дальность видимости сигнала и его различимость при удалении.

В качестве органического горючего связующего используется 30%-ный раствор фенолоформальдегидной смолы СФ-342А в этиловом спирте, который удаляется из приготовленной смеси при ее сушке.

Совместное использование в пиротехническом составе раствора фенолоформальдегидной смолы СФ-342А и жидкого хлорпарафина ХП-470, как хлорсодержащего реагента, улучшает технологичность взрывобезопасного смешивания мелкодисперсных порошковых компонентов и снижает внутреннее трение при формовании зарядов с пониженным давлением.

Известный пиротехнический состав обеспечил расширение области использования для зарядов сигнального зеленого огня и для фейерверков, характеризующихся повышенной дальностью видимости и различимости за счет стабильности его горения и яркого свечения аэрозольных продуктов горения.

Однако, продолжением отмеченных достоинств являются присущие известному составу недостатки, в частности, заряды, изготовленные из вышеуказанного состава, обладают низкой прочностью из-за слабого связующего, раствора фенолоформальдегидной смолы СФ-342А в ацетоне, введенного в состав в незначительном количестве и жидкого хлорпарафина ХП-470, который в большей степени выполняет роль поставщика хлора, для образования монохлорида бария, который служит основным излучателем зеленого монохромного цвета.

Также использование в составе в качестве связующих двух жидких составляющих, раствора фенолоформальдегидной смолы СФ-342 в ацетоне и жидкого хлорпарафина ХП-470, увеличивает время провяливания состава перед грануляцией и время сушки готового состава перед формированием заряда, что требует дополнительных площадей.

Отмеченные недостатки частично устранены в пиротехническом составе зеленого огня по патенту №2719009, C1, С06В 33/14, С06В 31/02, F42B 4/00, приоритет от 16.04.2020 г, который выбран по технической сущности и числу совпадений существенных признаков в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу.

Требуемый технический эффект достигнут тем, что известный пиротехнический состав зеленого огня, включающий окислители - барий азотнокислый и калий хлорнокислый, металлическое горючее - порошок алюминиево-магниевого сплава, усилитель цветности - порошок хлорпарафина ХП-66Т, в качестве органического горючего - фенолоформальдегидная смола СФ-342А и технологическую добавку - стеарат кальция, при следующем соотношении компонентов (мас. %):

барий азотнокислый 42-45 калий хлорнокислый 24-26 хлорпарафин ХП-66Т 7,5-8,0 порошок алюминиево-магниевого сплава ПАМ-4 14-16 фенолоформальдегидная смола СФ-342А 8-6 стеарат кальция 1,5-2,0

При этом фенолоформальдегидная смола СФ-342А вводится в смесь компонентов в форме 50%-ного раствора в этиловом спирте.

Описанный пиротехнический состав зеленого цвета пламени характеризуется повышенным временем существования сигнального огня, насыщенного ярким зеленым цветом, что позволило достичь большей дальности видимости и различимости, сравнительно с аналогами.

Использование в пиротехническом составе окислителей бария азотнокислого и калия хлорнокислого обеспечивают новое качество термической основе состава - усиление цветности зеленым пламенем при горении зарядов.

Использование в качестве металлического горючего порошка алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4) повышает калорийность термической основы за счет присутствия алюминия, при сохранении динамики горения термической основы состава с магнием, связанным в сплаве, что допускает бескорпусное применение зарядов.

Использование в качестве технологической добавки раствора фенолоформальдегидной смолы СФ-342А в ацетоне, который флегматизирует пиротехнический состав, обеспечивая активацию горения, при этом, вступая в химическое взаимодействие с нитратом бария, способствует повышению скорости горения состава и дополнительно обеспечивает газодинамический вынос генерируемых частиц монохлорида бария, чем усиливается цветность пламени.

Введение сильного хлорсодержащего окислителя калия хлорнокислого, при соответствующем уменьшении доли бария азотнокислого, позволило заметно увеличить содержание металлического горючего для повышения скорости горения состава.

Состав зеленого огня, идеально подходит для формирования из него зарядов, не требующих габаритных ограничений, такие как фейерверки, где за счет высокой скорости горения состава увеличивается масса заряда, и соответственно увеличивается разлет зарядов, обеспечивая более красочный зрелищный эффект фейерверка.

Продолжением отмеченных преимуществ являются присущие недостатки для использования этого состава в качестве зарядов для сигнальных патронов:

- высокая скорость горения зарядов, не позволяющая использование зарядов с ограниченными габаритами корпуса изделия;

- недостаточная прочность зарядов для сигнальных патронов, обладающих повышенной мощностью пороховых газов от срабатывания вышибного заряда;

- недостаточная сыпучесть состава, для обеспечения автоматического дозирования на высокопроизводительном оборудовании.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение области использования пиротехнических составов в сигнальных зарядах и улучшение показателей пиротехнического состава зеленого огня, а именно, разработка состава для зарядов, обладающих повышенной прочностью и более низкой скоростью горения состава для обеспечения времени горения зарядов, в ограниченных габаритах конструкцией патрона и улучшение технологичности приготовления состава для формования зарядов на высокотехнологичном оборудовании, горение которых обеспечивает более высокую насыщенность пламени ярким зеленым цветом для обеспечения дальности видимости и различимости.

Для достижения технических результатов за основу взят вышеуказанный прототип с его преимуществами в сочетании компонентов, которые обеспечивают технологичность приготовления состава и хорошую насыщенность цвета пламени, а именно:

- использование в качестве металлического горючего порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4), который повышает калорийность термической основы за счет присутствия алюминия, что допускает бескорпусное горение зарядов;

- использование в пиротехническом составе двух окислителей, которые при смешивании продуктов реакции формируют радикально зеленый цвет пламени, а выбранное оптимальное их массовое соотношение обеспечивает насыщенность пламени зеленым цветом при горении зарядов;

- использование для активации горения калия хлорнокислого, сильного окислителя, который обеспечивает объемное горение состава, при этом генерируется реакционный хлор, усиливающий насыщенность огня цветом;

- использование технологической добавки - стеарата кальция, который улучшает прессуемость зарядов, снижая чувствительность состава к трению при механических нагрузках;

- использование дешевого и доступного порошка хлорпарафина ХП-66Т, выпускаемого отечественным, промышленным производством являющегося поставщиком хлора и одновременно выполняющего роль пластификатора состава.

Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический состав зеленого огня, содержащий в качестве окислителей - барий азотнокислый и калий хлорнокислый, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4), усилителя цвета - хлорпарафин ХП-66Т, технологической добавки - стеарат кальция, органического связующего - порошок фенолоформальдегидной смолы СФ-342А, дополнительно введено горючее связующее в форме 20%-ного раствора фторкаучука СКФ-32 в ацетоне, где фторкаучук СКФ-32 является цементатором, а содержащегося в растворе фторкаучука СКФ-32 ацетона, достаточно для пластификации порошка фенолоформальдегидной смолы СФ-342А, который одновременно является связующим и горючим при следующем соотношении компонентов, мас. %:

барий азотнокислый 52-55 калий хлорнокислый 18-21 хлорпарафин ХП-66Т 8-10,5 порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4) 8-8,5 фенолоформальдегидная смола СФ-342А 5-7 стеарат кальция 1,5-2,0 фторкаучук СКФ-32 (на сухое вещество) 1,5-2,0

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили улучшение технологичности приготовления состава смешиванием за счет введения раствора фторкаучука СКФ-32, состоящего из 20% фторкаучука, который является цементатором и 80% ацетона, которого достаточно для одновременного растворения смолы СФ-342А, которая является горючим и дополнительным связующим, для обеспечения достаточной прочности зарядов в сигнальном патроне, после их формирования, которые горят ярким пламенем зеленого насыщенного цвета, хорошо видимого и различимого на удалении.

Совместное использование этих связующих при смешивании обеспечивают их диспергирование в объеме и за счет липкости частиц -прочную адгезионную связь компонентов смеси, пригодной для гранулирования.

После удаления из приготовленных гранул провяливанием технологического растворителя состав приобретает новое свойство - сыпучесть, которая обеспечивает возможность автоматического дозирования на операции прессования зарядов.

Увеличение массовых долей горючих связующих - фторкаучука СКФ-32 и фенолоформальдегидной смолы СФ-342А за счет уменьшения массовой доли горючего - порошка алюминиево-магниевого сплава в составе позволило снизить скорость горения зарядов из состава и одновременно повысить их прочность.

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

Количественное соотношение компонентов предложенного пиротехнического состава зеленого сигнального огня рассчитано по математической модели планирования эксперимента и нашло подтверждение по достижению показателей назначения при экспериментальном опробовании опытных образцов зарядов.

Предложенная композиция приготавливается по принятой в пиротехнике технологии смешивания в штатном смесителе, куда помещают все порошковые компоненты мерными долями (мас. %): 54±3 барий азотнокислый, 20±2 калий хлорнокислый, 8±1 порошок алюминиево-магниевого сплава (ПАМ-4), 10±1,0 хлорпарафин ХП-66Т, 6±1 фенолоформальдегидная смола и 2±0,5 стеарат кальция, которые смешивают в смесителе.

После этого в приготовленную смесь добавляют 20%-ный раствор фторкаучука СКФ-32 в ацетоне в количестве 10±2 (2±0,5 - на сухое вещество) мас. %, после чего смешивают до равномерного распределения компонентов в объеме. Затем приготовленную смесь пропускают через гранулятор и готовый состав выгружают в лотки и провяливают на стеллаже, после чего направляют на прессование зарядов заданных формы и размеров.

С целью оптимизации количественного соотношения компонентов состава по изобретению были приготовлены композиции для испытаний, которые включили структурные компоненты в пределах предложенного диапазона, в его середине и за границами оптимизированных значений необходимого минимального и максимального количества их массового содержания в составе.

Для достижения улучшенных показателей назначения проведены натурные испытания пиротехнических зарядов с характерным массовым соотношением компонентов, которые представлены в Таблице.

Характерные составы для испытаний

Натурные испытания опытных образцов зарядов из составов №№2-4 полностью подтвердили достижение показателей назначения и пригодность их для использования в качестве сигналов зеленого огня.

Состав №1 характеризуется неудовлетворительной насыщенностью пламени зеленым цветом, снижающей дальность различимости сигнала при одновременном понижении содержания бария азотнокислого и повышении содержания металлического горючего (ПАМ-4), при этом существенно увеличивается чувствительность сигнальных зарядов к механическим воздействиям, за счет одновременного увеличения содержания в составе калия хлорнокислого и металлического горючего - ПАМ-4.

Состав №5 нетехнологичен из-за пониженной прочности зарядов, которые при вылете из патрона имеют отколы так как уменьшение раствора -фторкаучука СКФ-32 могло привести к неравномерности распределения компонентов в объеме смеси из-за неполного смачивания раствором сухих компонентов, что существенно сказалось на прочности сигнального заряда.

Предложенный пиротехнический состав характеризуется эффективным и стабильным формированием зеленого сигнального огня, дальность видимости и различимости которого увеличена на 14-16%, в 2 раза снижена скорость горения состава и прочность заряда обеспечивает его сохранность при срабатывании в сигнальных патронах по сравнению с прототипом.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Предложенные отличия пиротехнического состава зеленого огня не являются очевидными для специалиста по пиротехнике, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.

Изготовление предложенного состава и сигнальных зарядов из него возможно осуществлять на действующем серийном производстве.

Технологический регламент на изготовление предложенного пиротехнического состава зеленого сигнального огня отработан для серийного производства.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.

Пиротехнический состав зеленого огня относится к пиротехнике, в частности к пиротехническим составам на основе нитратов металлов, которые предназначены для образования цветного огня при горении от химического взаимодействия нескольких твердых веществ и предназначено для формирования сигнала зеленого огня, который используется в средствах подачи сигнала и целеуказания. Пиротехнический состав зеленого огня содержит в качестве окислителей барий азотнокислый и калий хлорнокислый, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава, усилителя цвета - хлорпарафин ХП-66Т, технологической добавки - стеарат кальция, органического связующего - порошок фенолоформальдегидной смолы СФ-342А. В состав введен 20%-ный раствор фторкаучука СКФ-32 в ацетоне в качестве цементатора. Соотношение компонентов, мас. %, следующее: барий азотнокислый 52-55, калий хлорнокислый 18-21, хлорпарафин ХП-66Т 8,0-10,5, порошок алюминиево-магниевого сплава ПАМ-4 8,0-8,5, фенолоформальдегидная смола СФ-342А 5-7, стеарат кальция 1,5-2,0, фторкаучук СКФ-32 на сухое вещество 1,5-2,0. Обеспечивается улучшение показателей пиротехнического состава зеленого огня. 1 табл.

Пиротехнический состав зеленого огня, содержащий в качестве окислителей - барий азотнокислый и калий хлорнокислый, в качестве металлического горючего - порошок алюминиево-магниевого сплава, усилителя цвета - хлорпарафин ХП-66Т, технологической добавки - стеарат кальция, органического связующего - порошок фенолоформальдегидной смолы СФ-342А, отличающийся тем, что в состав введен 20%-ный раствор фторкаучука СКФ-32 в ацетоне в качестве цементатора, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

барий азотнокислый 52-55 калий хлорнокислый 18-21 хлорпарафин ХП-66Т 8,0-10,5 порошок алюминиево-магниевого сплава ПАМ-4 8,0-8,5 фенолоформальдегидная смола СФ-342А 5-7 стеарат кальция 1,5-2,0 фторкаучук СКФ-32 на сухое вещество 1,5-2,0