Пиротехнический сигнальный состав зеленого огня Российский патент 2025 года по МПК C06B31/06 C06B31/08 

Изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно к пиротехническим цветопламенным сигнальным составам зеленого огня, и может быть использован при производстве реактивных сигнальных патронов, а также пиротехнических сигнальных средств и фейерверочных изделий.

Основное требование, которое предъявляется к пиротехническим сигнальным средствам, снаряженным пиротехническим сигнальным составом, является подача сигнала необходимого уровня дальности видимости и различимости цвета.

Основной задачей, решаемой в процессе создания пиротехнических цветопламенных сигнальных составов (смесей) зеленого огня, является подбор таких компонентов смеси в процессе взаимодействия которых образовывались бы продукты (атомы или молекулы), интенсивно излучающие в зеленом диапазоне спектра (длины волн 510 нм ÷ 560 нм), что в свою очередь позволяет обеспечить необходимый уровень дальности видимости и различимости цвета сигнала.

В указанной зеленой области спектра излучают молекулы монохлорида бария BaCl, образующиеся в пламени сгорающего пиротехнического состава. Соль азотнокислый барий Ba(NO₃)₂ является донором бария, поэтому он используется в цветопламенных сигнальных составах в качестве окислителя. В качестве доноров хлора используют органические вещества гексахлорбензол - хороший донор хлора (содержит 74,7% хлора), гексахлорэтан содержит меньше хлора, чем гексахлорбензол.

Данный уровень техники характеризует состав, описанный в источнике Дегтева Т.Г. Термический распад фторсодержащих эластомеров типа Kel-F и PFP/VF. - «Высокомолекулярные соединения». 1961, т.3, №5, с. 671-678, содержащий магний 15%, Ва(NO₃)₂ 66%_; C₂CL₆, 15%, медь 2%, нефть 2%. Недостатком известного пиротехнического состава является то, что в его рецептуре в качестве хлорирующей добавки используется гексахлорэтан - C₂CL₆. Гексахлорэтан является хорошим донором хлора, однако, пироэлементы, изготовленные из этого состава имеют склонность к росту и растрескиванию в процессе хранения, что приводит к раскалыванию горящего пироэлемента и к искажению восприятия горящего сигнала.

Этот недостаток устранен в пиротехническом составе, описанном в источние «Сигнальные и осветительные составы и средства, изделия морского и речного регистра» (обзор по материалам зарубежных и отечественных источников информации), Сергиев Посад, Федеральный научно-производственный центр «НИИ прикладной химии», 2003 г., содержащий следующие компоненты: нитрат бария 66±2%, МПФ-2 14±1,5%, гексахлорбензол 14±1,5%, смолу СФ-0112 6±1%, спирт этиловый 4±1% (сверх 100%). Чистота цвета пламени этого состава 70%, при длине волны излучения пламени 540 нм. Как видно, пламя, образующееся при сгорании этого состава, излучает в зеленой области спектра с высокой чистотой, что обеспечивает необходимую дальность видимости и различимости цвета сигнала. Использование хлорирующей добавки - гексахлорбензола позволяет достичь необходимого уровня дальности видимости и различимости подаваемого сигнала.

Недостатком указанного аналога является то, что гексахлорбензол, входящий в его рецептуру, запрещен в соответствии со статьей 5 Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях от 2001 г., федеральным законом Российской Федерации от 27.06.2011 г. №164-ФЗ, что делает его непригодным для применения в современных образцах пиротехнических сигнальных средств.

Также недостатком выше указанного аналога является низкая скорость горения 1,6 мм/с и низкое значение удельной силы света 916 кд/см². Низкая скорость горения пиротехнического состава при его применении в реактивных сигнальных патронах приводит к длительному горению и как следствие падению горящего пироэлемента на землю, что не допустимо. Низкая удельная сила света не обеспечивает необходимого уровня дальности видимости и различимости цвета подаваемого сигнала реактивных сигнальных патронов.

К тому же технология приготовления данного аналога пиротехнического сигнального состава зеленого огня происходит в два цикла. На первом цикле в чаше смесителя перемешивают все сухие компоненты пиротехнического состава, затем в сухую смесь добавляют спирт этиловый и проводят второй цикл перемешивания. Перемешивание сухих компонентов на первом этапе сопровождается значительным пылением что создает опасность при промышленном производстве и это является еще одним существенным недостатком указанного аналога.

Известен пиротехнический сигнальный состав зеленого огня, описанный в издании: Ф.П. Мадякин Краткая энциклопедия по пиротехнике, Казань, Министерство образования Российской Федерации, 1999 г., с. 167, состав содержит Ва(NO₃)₂ 65%, МПФ-2 12%, ПВХ-С 17%, Канифоль 4,5%, масло индустриальное 1,5%. Чистота цвета пламени этого состава 70%, при длине волны излучения пламени 550 нм, скорость горения состава 0,9 мм/с.В описанном пиротехническом составе запрещенный гексахлорбензол замещен на хлорирующую добавку - ПВХ-С, содержание хлора в которой составляет 57,5%. Недостаток пылеобразования при приготовлении данного состава решен введением жидкой составляющей - масло индустриальное. Однако состав обладает низкой скоростью горения - 0,9 мм/с, что будет приводить к падению горящего пироэлемента на землю, а это не допустимо. При этом состав обладает низкой силой света, что не обеспечит необходимого уровня дальности видимости и различимости цвета сигнала.

Более совершенным является пиротехнический сигнальный состав зеленого огня по патенту РФ №2614721 от 2016 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве прототипа предложенному составу, имеющий следующую рецептуру при соотношении компонентов, мас. %:

нитрат бария 39-66 магний 8-25 поливинилхлорид 14-21 фенолформальдегидная смола 5-7 перекись бария 4-11 перекись бария 4-11

В данном техническом решении сила света составляет 3100 - 8400 кд, чистота цвета пламени 78-81%, что обеспечивает необходимый уровень дальности видимости и различимости цвета подаваемого сигнала.

Недостатком указанного пиротехнического сигнального состава является крайне сложный и трудоемкий процесс его изготовления - это делает его не технологичным. Изготовление указанного пиротехнического сигнального состава согласно описанию по патенту происходит в следующей последовательности:

1. Обработка магниевого порошка раствором фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте. Количество фенолформальдегидной смолы, необходимой для обработки магниевого порошка 3%±1%, зависит от удельной поверхности последнего.

2. Сушка магниевого порошка до содержания в ней массовой доли влаги не более 0,1%.

3. Грануляция обработанного магниевого порошка.

4. Загрузка всех сухих компонентов смеси и их перемешивание.

5. Добавление спирта этилового и перемешивание.

6. Провяливание.

7. Грануляция.

Все операции производят в заданных временных значениях до 70 минуты. При этом дополнительное время занимает процесс очистки чаши смесителя после операции обработки магниевого порошка (операция №3). Очистка чаши смесителя включает в себя ее промывку влажной ветошью с удалением остатков магниевого порошка с ее поверхности и последующим высушиванием чаши, что занимает более 20 мин. Итого общее время процесса приготовления состава по данной технологии составляет до 90 мин. Этот факт говорит о повышенных трудозатратах, направленных на изготовление состава и как следствие его удорожанию, а также его не технологичности и большого количества операций.

При этом еще одним существенным недостатком данного прототипа является содержание в нем компонента - перекиси бария. Перекись бария является дорогим и дефицитным компонентом.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является решение функциональных и технологических возможностей снижения трудоемкости изготовления пиротехнического сигнального состава зеленого огня, не содержащего дорогих дефицитных компонентов, соответствующего заданному уровню дальности видимости и различимости цвета подаваемого сигнала.

Требуемый технический результат достигается тем, что пиротехнический сигнальный состав зелено огня, содержащий окислитель - нитрат бария, горючее - магниевый порошком, связующее - идитол согласно изобретению дополнительно содержит перхлорат калия, являющийся дополнительным окислителем и цветопламенной добавкой, хлорпарафин, являющийся цветопламенной добавкой, и технологическую добавку - графит, при следующем их соотношении (%):

магниевый порошок 19-25 нитрат бария 44-50 идитол 3-9 перхлорат калия 5-14 хлорпарафин 11-20 графит 0,5-4 0,5-4

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили необходимый уровень дальности видимости и различимости цвета подаваемого сигнала, что достигается за счет применения цветопламенной добавки хлорпарафина, содержащего 70% хлора, в комбинации с дополнительным окислителем перхлоратом калия, который является также цветопламенной добавкой за счет содержащегося в нем хлора, а также улучшенный уровень технологичности.

Термическая основа пиротехнического сигнального состава зеленого огня сбалансирована по окислительному балансу, обеспечив оптимальное массовое соотношение окислителей, хлорсодержащих соединений и металличеркого горючего, связующего и технологической добавки для достижения дальности видимости и различимости цвета подаваемого сигнала горящего пироэлемента.

При горении состава происходит разложение окислителя нитрата бария, разложение окислителя, являющегося одновременно цветопламенной добавкой, - перхлората калия и хлорирующей цветопламенной добавки хлорпарафина, окисление металлического горючего - магниевого порошка и связующего идитола. В результате протекающих реакций в образуемом факеле пламени выделяются частицы, излучающие в зеленой области видимого спектра в виде молекул монохлорида бария BaCl.

При содержании в пиротехническом сигнальном составе зеленого огня порошка магния меньше 19% уменьшается дальность видимости подаваемого сигнала из-за снижения содержания в пламени раскаленных частиц окиси магния. При содержании порошка магния больше 25% ухудшается цветность подаваемого сигнала из-за высокого содержания окиси магния в пламени и, как следствие смещения излучения в желтую область спектра.

Меньшее минимального содержания в составе магниевого порошка и большее максимального содержания нитрата бария приводит к резкому падению дальности видимости сигнала.

При содержании в пиротехническом составе магниевого порошка больше максимального количества и нитрата бария меньше минимального количества приводит к резкому повышению скорости горения состава и ухудшению цветности.

Идитол - «новолачная» фенолформальдегидная смола, обеспечивает механическую прочность пироэлементов из предложенного пиротехнического сигнального состава зеленого огня, используется в качестве связующего. При горении образует бесцветное пламя и не искажает цвет подаваемого сигнала. Идитол используется в виде 50%-го раствора в спирте этиловом.

При использовании в пиротехническом сигнальном составе раствора идитола меньше 3% не обеспечивает необходимого уровня прочностных характеристик запрессованных пироэлементов, что приводит к раскалыванию горящего пироэлемента на несколько горящих частей и искажению восприятия подаваемого сигнала.

При использовании в пиротехническом сигнальном составе зеленого огня идитола больше 9% не целесообразно поскольку не приводит к повышению прочности запрессованных пироэлементов, при этом происходит искажение цветности подаваемого сигнала, цвет сигнала смещается в желтую область.

При горении термической основы предложенного состава в присутствии органических хлорсодержащих компонентов, а также неорганических хлорсодержащих солей в пламени горящего пиротехнического состава зеленого огня образуются реакционный хлор, который участвует в образовании атомов монохлорида бария BaCl, придающего пламени зеленую окраску.

Перхлорат калия является дополнительным окислителем и донором хлора, который участвует в образовании монохлорида бария, придает пламени зеленую окраску. ¹

Содержание перхлората калия в составе меньше 5% снижает насыщенность пламени зеленым цветом.

Увеличение содержания перхлората калия более 14% не целесообразно из-за снижения содержания остальных компонентов смеси и ухудшения цветности пламени.

Хлорпарафин в пиротехническом сигнальном составе зеленого огня играет роль цветопламенной добавки, является донором хлора, обеспечивает окраску пламени зеленым цветом. Увеличение содержания хлорпарафина более 20% приводит к ухудшению цветности пламени горящего пироэлемента¹ из-за образования несгоревшего углерода, что переводит окраску пламени в желтый цвет.

Снижение содержания хлорпарафина ниже 11% приводит к ухудшению окраски пламени зеленым цветом из-за уменьшения количества образующегося при его разложении хлора, который участвует в образовании монохлорида бария. К тому же ухудшается воспламеняемость пиротехнического состава.

Графит, входящий в рецептуру состава, является технологической антифрикционной добавкой, улучшает прессуемость пироэлементов из сигнального состава зеленого огня, уменьшает трение между прессуемым составом и корпусом пироэлемента.

Уменьшение содержания графита ниже 0,5% приводит к ухудшению прессуемости состава, к увеличению коэффициента трения между прессуемым составом и поверхностью корпуса пироэлемента из-за чего происходить сильная усадка корпуса, образование на его поверхности гофр и трещин, что в целях безопасности не допустимо.

Увеличение содержания графита в составе более 4% приводит к искажению цвета подаваемого сигнала и переводит его в желтую область спектра из-за появления в пламени несгоревших частиц углерода.

Улучшение технологичности и снижение трудоемкости приготовления состава происходит за счет уменьшения числа операций и сокращения времени, затрачиваемого на приготовление состава.

Компоненты предлагаемого пиротехнического сигнального состава зеленого огня не дефицитны, не дороги, выпускаются предприятиями отечественной промышленности.

Изготовление пиротехнического сигнального состава зеленого. огня осуществляется по следующей технологии:

1. В чашу смесителя загружается магниевый порошок и раствор идитола и перемешиваются до однородной массы.

2. Добавляются нитрат бария, перхлорат калия, хлорпарафин, графит и перемешиваются до однородной массы.

3. Включается поддув под заданным давлением, компоненты перемешиваются.

4. Смесь гранулируется через сетку до получения гранул.

Все операции по изготовлению сигнального состава зеленого огня производят в заданных временных значениях до 60 мин.

Допускается после выполнения операции №2 состав выгрузить на лотки и состав провяливать на лотках, а затем приступить к выполнению операции №4.

Заявленный состав обладает химической стойкостью и физико-химической стабильностью, компоненты состава совместимы. Чувствительности пиротехнического состава к трению и удару позволяют проводить его приготовление и прессовать из него пироэлементы на штатном оборудовании на предприятиях промышленности.

Полученную композицию направляют на прессование пироэлементов входящих в конструкцию реактивных сигнальных патронов.

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 показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пиротехнического сигнального состава зеленого огня, можно сделать вывод о соответствии условиям патентоспособности.

Для оптимизации количественного соотношения компонентов предложенного пиротехнического состава были проведены испытания пироэлементов реактивных сигнальных патронов, 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 конструкции пироэлементов реактивных сигнальных патронов приведены в таблице ниже.

Натурные испытания пироэлементов из предложенного пиротехнического состава зеленого огня показали полную пригодность к требуемым условиям изготовления и переработки его в изделия, которые обеспечивают достижение показателей назначения, являются составы 2-4.

Состав 1 характеризуется низкой скоростью горения при неудовлетворительных показателях цветности и низком уровне дальности видимости и различимости.

Состав 5 показал также худшие показатели цветности из-за высокого содержания магниевого порошка, пироэлементы из этого состава имеют низкую механическую прочность, а также при формовании пироэлементов из этого состава наблюдается сильная усадка и образование гофр и трещин на корпусе.

Полученные результаты опытной проверки технического решения по изобретению позволяют рекомендовать предложенный пиротехнический сигнальный состав зеленого огня для практического применения в пиротехнических сигнальных патронах с обеспечением необходимого уровня дальности видимости и различимости.

Пиротехнический сигнальный состав зеленого огня относится к пиротехнике, а более конкретно к пиротехническим цветопламенным сигнальным составам зеленого огня и может быть использован при производстве реактивных сигнальных патронов, а также пиротехнических сигнальных средств и фейерверочных изделий. Пиротехнический сигнальный состав зеленого огня содержит окислитель - нитрат бария, горючее - магниевый порошок, связующее - идитол. В качестве дополнительного окислителя и цветопламенной добавки содержит перхлорат калия. В качестве цветопламенной добавки содержит хлорпарафин. В качестве технологической добавки содержит графит. Компоненты содержатся в следующем соотношении, мас. %: магниевый порошок - 19-25, нитрат бария - 44-50, идитол - 3-8, перхлорат калия - 5-9, хлорпарафин - 13-20, графит - 1-3. Обеспечивается реализация назначения. 1 табл.

Пиротехнический сигнальный состав зеленого огня, содержащий окислитель - нитрат бария, горючее - магниевый порошок, связующее - идитол, отличающийся тем, что он дополнительно в качестве дополнительного окислителя и цветопламенной добавки содержит перхлорат калия, в качестве цветопламенной добавки - хлорпарафин, в качестве технологической добавки - графит при следующем соотношении компонентов, мас. %:

магниевый порошок19-25 порошок19-25 нитрат бария44-50 бария44-50 идитол3-8 идитол3-8 перхлорат калия5-9 калия5-9 хлорпарафин13-20 хлорпарафин13-20 графит1-3 графит1-3