СОСТАВ ПУСКОВОГО БРИКЕТА ДЛЯ ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2023 года по МПК A62D9/00 

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде.

В начальный период работы изолирующего дыхательного аппарата (ИДА) на химически связанном кислороде, пусковой брикет (ПБ), размещенный в патроне дыхательного аппарата, при запуске должен интенсифицировать начало протекания химических процессов в регенеративном продукте (РП) за счет повышения температуры в зоне реакции и обеспечить генерацию кислорода в начальный момент работы ИДА. С учетом физиологии дыхания человека пусковой брикет должен выделить за 50-60 сек не менее 6 нл кислорода (первый вдох человека). Запуск пускового брикета может инициироваться с помощью ампулы, содержащей водный раствор кислоты или соли, с помощью электронагрева, с помощью капсюльного пускателя и др. После этого примерно на второй минуте работы за счет химических процессов начинается выделение кислорода непосредственно регенеративным продуктом, размещенным в патроне ИДА, через который циркулирует регенерируемый воздух.

Пусковые брикеты для изолирующих дыхательных аппаратов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- простота и надежность запуска;

- высокая стехиометрическая емкость по кислороду на единицу массы;

- высокая кинетика процесса выделения кислорода;

- неизменность химического состава пускового брикета на протяжении длительного времени хранения;

- минимальные объемные изменения в процессе эксплуатации;

- высокая механическая прочность пускового брикета;

- надежная работа в температурном интервале от минус 40 до плюс 55°С.

Традиционно пусковые брикеты для изолирующих дыхательных аппаратов изготавливают путем механического смешения необходимых компонентов и последующего формования полученной шихты в брикеты различной формы, размещенные в патроне ИДА.

Известны составы пусковых брикетов, содержащие надпероксид калия, пероксид натрия, гидроксид алюминия, диоксид марганца и алюминий [Авт. св. СССР №1197679, МПК А62Д 9/00, 1985 г.] и надпероксиды натрия и калия, гидроксид алюминия и алюминий [патент РФ №2219982, МПК А62Д 9/00, 2003 г.]. Запуск пускового брикета осуществляется с помощью ампулы с солевым или кислотным раствором. Здесь перекисные соединения щелочных металлов при взаимодействии с водой генерируют кислород, гидроксид алюминия служит источником атомов водорода для дальнейшего образования воды, а алюминий при сгорании обеспечивает систему тепловой энергией, необходимой для быстрого протекания химических реакций. Пусковые брикеты, изготовленные по перечисленным выше изобретениям, выделяют достаточное количество кислорода и не выделяют токсичных веществ. Однако при эксплуатации пусковых брикетов, содержащих в своем составе гидроксид алюминия, возникает ряд проблем. Во-первых, за счет протекающих твердофазовых процессов, приводящих к изменению химического состава брикета, длительность хранения пусковых брикетов, содержащих гидроксид алюминия, не превышает пяти лет. Это снижает гарантийный срок эксплуатации изолирующих дыхательных аппаратов, оснащенных такими пусковыми брикетами. Во-вторых, при работе данных пусковых брикетов из-за протекающих физико-химических процессов происходит значительное увеличение их объема и изменение агрегатного состояния с твердого на жидкое, что сопряжено с высокой вероятностью выхода из строя изолирующего дыхательного аппарата. Это обусловлено тем, что остаток горения пускового брикета (подвижный из-за выделяющегося кислорода и имеющий значение рН порядка 13-14 и температуру порядка 300-500°С) может попасть на узлы дыхательного аппарата и нарушить герметичность изделия. Данный фактор может привести в чрезвычайной ситуации (природная или техногенная катастрофа) к гибели пользователя таким изолирующим дыхательным аппаратом.

Помимо этого, пусковые брикеты указанного выше состава не обеспечивают надежной разработки регенеративного продукта при отрицательных температурах (ниже минус 20°С), которые достаточно часто имеют место на значительной территории РФ.

Известен состав пускового брикета, полученный на основе смеси надпероксидов калия и натрия, бисульфата калия, алюминия и асбеста [патент РФ №2121858, МПК А62Д 9/00, 1997 г.]. Надпероксиды натрия и калия при взаимодействии с водой генерируют кислород, бисульфат калия служит источником атомов водорода для дальнейшего образования воды, а алюминий, так же как и в указанных выше способах, при сгорании обеспечивает систему тепловой энергией, необходимой для протекания химических реакций. Пусковой брикет указанного состава стабилен при хранении на протяжении до 5 лет, надежно инициирует разработку регенеративного продукта в температурном интервале от минус 40°С до плюс 50°С. А за счет наличия в рецептуре асбеста ПБ имеет высокую механическую прочность и сохраняет форму на протяжении всего времени работы. Однако данный состав обладает двумя весьма существенными недостатками - недостаточно высоким количеством выделяемого кислорода на единицу массы и низкой кинетикой его выделения. По этой причине при эксплуатации изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного пусковым брикетом данного состава, у пользователя (особенно в начальный период работы) могут возникнуть проблемы за счет недостатка газа в ИДА. Дыхательный мешок ИДА объемом около 6 литров (объем, соответствующий максимальному объему вдоха среднестатистического пользователя) не будет полностью заполнен газо-воздушной смесью, что приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления дыханию пользователя. Низкое содержание кислорода в первые 30 секунд (и, как следствие этого, высокое содержание диоксида углерода) в регенерируемом воздухе может привести к ухудшению физического состояния человека, что недопустимо для целой категории пользователей (шахтеры, горноспасатели, ликвидаторы ЧП в подразделениях МО и МЧС и др.).

Кроме того, все описанные выше составы пусковых брикетов при своей эксплуатации в ИДА из-за протекающих в них физико-химических процессов выделяют в дыхательный контур ИДА большое количество щелочных аэрозолей, негативно влияющих на верхние дыхательные пути человека.

Известен состав пускового брикета [патент РФ №2314128, МПК А62Д 9/00, 2008 г.], состоящего из трех частей (составов) - пусковой, переходной и основной. Пусковой состав массой около 2,5 г содержит надпероксид натрия (NaO₂), гидроксид алюминия (Al(ОН)₃), алюминиевый порошок (Al), аморфный бор (В) и хризотиловый асбест. Переходный состав массой около 1 г содержит надпероксид натрия, перхлорат магния (Mg(ClO₄)₂), алюминиевый порошок и хризотиловый асбест. Основной состав массой около 25 г содержит надпероксид натрия и перхлорат магния. Данный состав пускового брикета имеет высокую стехиометрическую емкость по кислороду на единицу массы, надежно запускается при отрицательных температурах, практически не образует щелочных аэрозолей. Тем не менее, ему присущ ряд недостатков. Во-первых, состав пускового брикета так же обладает низкой кинетикой выделения кислорода, что следует из представленных в описании результатов. Во-вторых, при разложении перхлората магния выделяются газообразный хлор и низшие оксиды хлора, представляющие опасность для пользователя изолирующего дыхательного аппарата, снаряженного пусковым брикетом указанного состава. Устранение данного недостатка требует применения эффективных поглотителей соединений хлора, что ведет к увеличению массо-габаритных характеристик и стоимости изделия в целом. В-третьих, пусковой брикет данного состава содержит гидроксид алюминия. Как отмечалось ранее, длительность хранения пусковых брикетов, содержащих контактирующие гидроксид алюминия и надпероксиды щелочных металлов, не превышает пяти лет.

И, кроме того, данный состав пускового брикета предполагает его запуск с помощью электронагрева, что при его эксплуатации в ИДА приводит к существенному усложнению конструкции ИДА и росту массогабаритных характеристик изделия, поскольку предполагает наличие оборудования, способного быстро нагреть электроспираль до температуры порядка 1000°С.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик пускового брикета при его работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата.

Задача решается тем, что пусковой брикет изолирующего дыхательного аппарата содержит пусковой состав, переходный состав, в который входит хризотиловый асбест, и основной состав, в который входит надпероксид натрия. Причем пусковой состав в количестве 0,86÷2,39% весовых от массы брикета содержит порошкообразный цирконий в количестве 20÷30% весовых, перхлорат калия (KClO₄) в количестве 10÷20% весовых и хроматы натрия или калия (Na₂Cr^₄ и К₂СrO₄) в количестве 50÷65% весовых, переходный состав в количестве 1,99÷4,31% весовых от массы брикета содержит 2÷6% весовых аморфного бора, 60÷70% весовых оксида железа (Fe₂O₃), 25÷35% весовых оксида меди (CuO) и 1,5÷2,5% весовых хризотилового асбеста, основной состав в количестве 94,83÷96,09% весовых от массы брикета содержит 4,0÷8,0% весовых порошкообразного циркония, 9÷20% весовых надпероксида натрия (NaO₂), 70÷85% весовых хлората натрия (NaClO₃) и 1,5÷2,5% весовых хризотилового асбеста.

Пусковой состав предназначен для запуска от луча пламени капсюля ударного типа (например, капсюля Жевело) и инициирования разложения переходного состава, который, в свою очередь, предназначен для инициирования запуска основного состава, генерирующего необходимый для пользователя кислород. Стоит отметить, что композиции пускового, переходного и основного составов подобраны таким образом, что отклонение хотя бы в одном из перечисленных выше соотношений ингредиентов приведет или к не запуску пускового брикета для изолирующего дыхательного аппарата или к снижению кинетики процесса выделения кислорода. При нарушении указанных выше соотношений ингредиентов так же возможно выделения заметного количества летучих соединений хлора или возникновение пожароопасной ситуации, которая обусловлена наличием в составах соединений, окисляющихся с большим экзотермическим эффектом.

Предлагаемый состав пускового брикета ИДА позволяет увеличить объемную скорость выделения кислорода до необходимых для комфортного дыхания человека значений за первые 50-60 сек работы изделия. Кроме того, отсутствие в составе брикета гидроксида алюминия (а, следовательно, атомов водорода) исключает возможность протекания твердофазового процесса его взаимодействия с надпероксидом натрия, что кратно повышает срок гарантийной эксплуатации пускового брикета и ИДА в целом.

Следует подчеркнуть, что предлагаемый состав пускового брикета содержит в своем составе меньшее, по сравнению с заявленным в патенте РФ №2314128, количество ионов (ClO₄)^-, при термическом разложении которых образуются крайне опасные для дыхания человека газообразный хлор и его оксиды. Таким образом абсолютно уместно говорить о повышении безопасности человека, пользующегося ИДА.

Пусковой брикет для изолирующего дыхательного аппарата готовят обычным отдельным смешиванием в требуемых соотношениях компонентов пускового, переходного и основного состава в любом смесителе сыпучих материалов и последующим формовании полученных шихт в брикеты различной конфигурации (цилиндр, параллелепипед и др.) в зависимости от конструкции патрона изолирующего дыхательного аппарата и условий его эксплуатации.

Примеры составов пусковых брикетов, заявляемых по изобретению, приведены в таблице 1.

Испытания пусковых брикетов проводили по стандартной методике, принятой в технике при разработке и изготовлении изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде в температурном интервале от минус 40°С до плюс 50°С, заключающейся в воздействии на пусковой брикет капсюля - воспламенителя, снятия кинетической кривой выделения кислорода и определения общего времени его выделения. Для сравнения с пусковыми брикетами различного состава по примерам 1-6 из таблицы 1 в тех же условиях испытывался специально изготовленный пусковой брикет - аналог по химическому составу пусковому брикету по патенту РФ №2314128. Все пусковые брикеты имели одинаковую цилиндрическую форму и массу (23,8±1,3 г). Кроме того, были проведены испытания с определением факта запуска пусковых брикетов после воздействия на них циклических климатических нагрузок (ускоренные климатические испытания), имитирующих хранение ПБ в течение 15 лет и подтверждающих срок службы изделий. Результаты испытаний представлены на рисунке и в таблице 2.

На рисунке представлены кинетические кривые выделения кислорода пусковыми брикетами при температуре минус 20°С (в температурном интервале от минус 40°С до плюс 50°С все кинетические кривые выделения кислорода пусковыми брикетами имеют аналогичный характер и поэтому не приводятся). Кривая 1 на рисунке характеризует кинетику выделения кислорода пусковым брикетом, изготовленным по патенту РФ №2314128. Поскольку для всех пусковых брикетов, имеющих химический состав по примерам 1-6 из таблицы 1, интервалы изменения кинетических характеристик в условиях проведенных экспериментов не превышают 5% от среднего значения, на рисунке представлено среднее значение кинетики выделения кислорода (кривая 2).

Как видно из представленных табличных и графических данных, составы пусковых брикетов, полученных по изобретению, обладают лучшими кинетическими параметрами генерации кислорода при работе в патроне изолирующего дыхательного аппарата (время полного разложения не превышает 62 сек) и выделяют большее количество кислорода на единицу массы пускового брикета, чем пусковой брикет, имеющий состав по патенту РФ №2314128.

Количество выделяемого кислорода на единицу массы пускового брикета в процессе его эксплуатации и кинетика данного процесса являются одними из основных эксплуатационных показателей пускового брикета для ИДА. Увеличение количества выделяемого кислорода на единицу массы ПБ в процессе его эксплуатации и повышение кинетики данного процесса не только создает более безопасные и комфортные условия для пользователя, но и существенно увеличивает круг лиц, могущих пользоваться изолирующими дыхательными аппаратами (дети, люди, страдающие легочными заболеваниями и др.).

Кроме того, составы пусковых брикетов, полученных по изобретению, имеют больший гарантийный срок эксплуатации и при использовании выделяют меньшее количество газообразного хлора и его оксидов, что является их несомненным преимуществом.

Особо следует отметить, что запуск пусковых брикетов, изготовленных по изобретению, осуществлялся от капсюля Жевело - серийного изделия, успешно эксплуатирующегося в составе различных технических устройств на протяжении более 100 лет. Это позволяет существенно снизить массогабаритные характеристики ИДА и повысить надежность их эксплуатации.

Улучшение эксплуатационных характеристик пускового брикета (по сравнению с пусковым брикетом по патенту РФ №2314128.) достигается за счет того, что пусковой брикет изолирующего дыхательного аппарата содержит пусковой состав, переходный состав и основной состав при указанных выше соотношениях компонентов.

Изобретение относится к составам химических веществ, используемых в изолирующих дыхательных аппаратах (ИДА) на химически связанном кислороде. Пусковой брикет изолирующего дыхательного аппарата содержит пусковой состав, переходный состав и основной состав. Пусковой состав в количестве 0,86-2,39% весовых от массы брикета содержит порошкообразный цирконий в количестве 20-30% весовых, перхлорат калия (KClO₄) в количестве 10-20% весовых и хроматы натрия или калия (Na₂CrO₄ или К₂CrO₄) в количестве 50-65% весовых. Переходный состав в количестве 1,99-4,31% весовых от массы брикета содержит 2-6% весовых аморфного бора, 60-70% весовых оксида железа (Fe₂O₃), 25-35% весовых оксида меди (CuO) и 1,5-2,5% весовых хризотилового асбеста. Основной состав в количестве 94,83-96,09% весовых от массы брикета содержит 4,0-8,0% весовых порошкообразного циркония, 9-20% весовых надпероксида натрия (NaO₂), 70-85% весовых хлората натрия (NaClO₃) и 1,5-2,5% весовых хризотилового асбеста. Пусковой состав предназначен запуска от луча пламени капсюля ударного типа, например, капсюля Жевело и инициирования разложения переходного состава, который, в свою очередь, предназначен для инициирования запуска основного состава, генерирующего необходимый для пользователя кислород. Пусковой брикет изолирующего дыхательного аппарата имеет высокие эксплуатационные характеристики при его работе в патроне ИДА в диапазоне температур от минус 40°С до плюс 55°С. Обеспечивается улучшение эксплуатационных характеристик пускового брикета, снижение массогабаритных характеристик ИДА и повышение надежности их эксплуатации. 1 ил., 2 табл.

Состав пускового брикета для изолирующих дыхательных аппаратов, содержащий пусковой состав, переходный состав, в который входит хризотиловый асбест, и основной состав, в который входит надпероксид натрия, отличающийся тем, что пусковой состав в количестве 0,86÷2,39% весовых от массы брикета содержит порошкообразный цирконий в количестве 20÷30% весовых, перхлорат калия (KСlO₄) в количестве 10÷20% весовых и хромат натрия или хромат калия (Nа₂СrO₄ или K₂СrO₄) в количестве 50÷65% весовых, переходный состав в количестве 1,99÷4,31% весовых от массы брикета содержит 2÷6% весовых аморфного бора, 60÷70% весовых оксида железа (Fе₂О₃), 25÷35% весовых оксида меди (СuО) и 1,5÷2,5% весовых хризотилового асбеста, основной состав в количестве 94,83÷96,09% весовых от массы брикета содержит 4,0÷8,0% весовых порошкообразного циркония, 9÷20% весовых надпероксида натрия (NaCl₂), 70÷85% весовых хлората натрия (NaClO₃) и 1,5÷2,5% весовых хризотилового асбеста.