Термостойкий воспламенительный экологически чистый состав и способ его получения

Изобретение относится к производству средств инициирования, а именно к пиротехническим составам для электровоспламенителей (ЭВ).

Электровоспламенитель представляет собой смонтированные в гильзе с капсюлем детонатором 1 два электрода 4, соединенные между собой тонким проводником - мостиком накаливания 2, окруженные легковоспламеняющимся составом - воспламенительной головкой 3, закрепленные в гильзе мастикой 5 (Фиг. 1).

К электровоспламенителям предъявляют ряд специфических требований:

- электровоспламенитель должен быть достаточно, но не чрезмерно чувствительным к электрическому току, чтобы обеспечить надежность работы и безопасность применения в условиях сравнительно высоких блуждающих токов и электромагнитных полей;

- элекровоспламенитель должен быть стоек при хранении и иметь высокую термостойкость и влагостойкость;

- луч огня от электровоспламенителя должен быть достаточной силы для того, чтобы вызвать надежное срабатывание следующего элемента инициирующей огневой цепи (капсюля-детонатора, замедлителя и т.д.).

Из предъявленных требований к электровоспламенителям видно, что в их выполнении большую роль играют воспламенительные составы.

Из составов, применяемых для электровоспламенителей (электрозапалов), заслуживает внимания состав [1] (мас. %):

пироксилиновая вата - 40

железисто-синеродистый свинец - 30

бертолетова соль - 30.

Недостатками данного состава являются высокая взрывоопасность его изготовления и невысокая надежность работы.

В настоящее время в России для электровоспламенителей широко применяется воспламенительный состав [2] (мас. %):

бертолетова соль - 49,5

роданид свинца - 49,5

оксид свинца Pb₃O₄ - 1.

Недостатками данного состава также является высокая взрывоопасность и чувствительность к механическим воздействиям и электрической искре. Поэтому стадии подготовки исходных компонентов воспламенительных составов, а особенно стадии их смешения, являются чрезвычайно взрывоопасными, из-за чего на заводах-изготовителях электровоспламенителей часто бывают взрывы, разрушающие оборудование.

Недостатки состава ведут к опасно низкому минимальному току срабатывания и электростатической чувствительности готовых изделий по сравнению с мировым уровнем изготовления ЭВ.

В качестве еще одного аналога может быть приведен состав [3], менее чувствительный к внешним воздействиям и имеющий более безопасный способ получения химическим соосаждением (мас. %):

роданид свинца - 44-50

перхлорат калия - 49-50

хромат свинца - 1-6.

Общим недостатком известных аналогов является наличие высокотоксичных соединений свинца (ПДК=0,005 мг/м³). В последнее время экологические требования делают данный недостаток очень существенным.

Из патента [4] известен воспламенительный состав, (мас. %):

перхлорат калия - 61

феррицианид калия или гексацианокобальтат калия - 31.

Он имеет хорошие эксплуатационные свойства и может применяться в качестве пиротехнического воспламенительного состава. Однако он имеет и недостатки: феррицианид калия и гексацианокобальтат калия хорошо растворимы в воде и гигроскопичны.

Указанные недостатки устранены в предлагаемом воспламенительном составе и невзрывоопасном способе его получения. Взрывобезопасность, улучшение эксплуатационных характеристик, а также актуальная экологическая чистота работы электровоспламенителя достигаются с помощью предлагаемого термостойкого электровоспламенительного состава. Он содержит в качестве горючего двойные соли: малорастворимые ферроцианиды с двумя катионами из первой и второй группы периодической таблицы Менделеева, например, ферроцианид калия-магния или ферроцианид калия-кальция. В качестве окислителей могут применяться перхлорат, хлорат, бромат и нитрат калия.

В качестве примера приведен состав, состоящий из компонентов, взятых в следующем процентном содержании (мас. %):

ферроцианид калия-магния - 40±5

перхлорат калия - 60±5.

Данный воспламенительный состав является более термостойким, чем аналоги, так как содержит двойную соль ферроцианида калия-магния и перхлорат калия.

Способ получения состава заключается в процессе химического соосаждения из водных растворов исходных реактивов в одну стадию.

Изобретение направлено на создание нового термостойкого воспламенительного состава с нетоксичными продуктами сгорания, безопасным способом его получения и на его применение для изготовления электровоспламенителей с меньшей чувствительностью к статическому электричеству, механическим воздействиям, большей энергией срабатывания, а, следовательно, более безопасным при обращении и эксплуатации.

Предложенный термостойкий воспламенительный состав в зависимости от пути получения может получаться в двух модификациях:

1) Совместного осаждения из водных растворов;

2) Совместного осаждения при разбавлении горячих насыщенных водных растворов большим избытком изопропилового или этилового спирта.

Получение состава 1:

К смешанным растворам безводного К₄Fe(CN)₆ в воде и KNO₃ в воде приливают раствор Mg(ClO₄)₂ в воде. Реакционную массу перемешивают, до образования белой суспензии. Осадок фильтруют и последовательно промывают водой и спиртом.

Уравнение реакции:

K₄Fe(CN)₆+2Mg(ClO₄)₂+2KNO₃=K₂Mg[Fe(CN)₆]↓+4KClO₄↓+Mg(NO₃)₂

Данный способ производства нового воспламенительного состава является простым, безопасным и дешевым.

Получение состава 2:

а) Изготовление горючего:

Для получения состава 2 необходимо сначала приготовить комплексную соль ферроцианида калия-магния.

Синтез проводится по схеме:

K₄Fe(CN)₆+MgCl₂=K₂Mg[Fe(CN)₆]↓+2KCl

Желтая кровяная соль и хлорид магния растворяются в воде. При перемешивании в раствор желтой кровяной соли приливают раствор хлорида магния. Образуется мелкодисперсный осадок белого цвета. Суспензию фильтруют и промывают водой и спиртом.

б) Изготовление состава:

Полученный продукт K₂Mg[Fe(CN)₆] - двойную соль ферроцианида калия - магния взбалтывают до однородной суспензии в спирте при перемешивании с помощью турбинной мешалки и добавляют к нему растворенный в воде перхлорат калия в один прием. Образовавшийся осадок фильтруют и промывают спиртом.

Данный способ производства нового воспламенительного состава является не таким простым и дешевым, как первый, но более безопасным, чем применяемый метод механического смешения.

Для подтверждения вышеуказанных преимуществ были проведены сравнительные испытания предлагаемых составов с аналогами и штатными инициирующими взрывчатыми веществами (ИВВ).

Сравнение чувствительности к внешним воздействиям (нагреву, удару, трению и электрической искре) предлагаемых нами воспламенительных составов с аналогами и такими ИВВ, как ТНРС и тетразен, приведены в таблице 1. Отметим, что ТНРС тоже используется в электровоспламенителях преимущественно военного и космического назначения, особенно для условий экстремальных температур и давлений.

Из таблицы 1 видно, что по чувствительности к механическим воздействиям состав 1 и состав 2 находятся на уровне высокочувствительных инициирующих взрывчатых веществ. Однако предлагаемая технология их получения и снаряжения снижает опасность при производстве и эксплуатации ЭВ с ними.

Скорость горения составов 1 и 2 немного больше, чем у применяемого в настоящее время воспламенительного состава - аналога [1], но значительно меньше, чем у аналога [2] и ТНРС [5]. Высокие скорости горения аналога [2] и ТНРС [5] приводят к разрушению корпусов ЭВ, что не всегда приемлемо. Поэтому близкие к аналогу [1] скорости горения предлагаемых составов позволяют обеспечить более «мягкую» работу снаряженных ими электровоспламенителей без разрушения корпусов.

Из таблицы 3 видно, что минимальные энергии срабатывания (Е₀) электровоспламенителей с нихромовой нитью накала толщиной 25 мкм и с составами 1 и 2 близки между собой и в 1,5-2 раза больше, чем минимальная энергия срабатывания ЭВ с ТНРС и аналогом [1]. Отличие ЭВ с предлагаемыми составами от ЭВ с аналогом [2] заключается в характере работы, а именно, электровоспламенители с составами 1 и 2 работают гораздо «мягче». Такие значения энергий достаточны для использования составов при изготовлении электровоспламенителей как гражданского, так и военного назначения. Также ЭВ с составами 1 и 2 работают в вакууме устойчиво и мягко, что позволяет их использовать в условиях низких давлений.

Дополнительным преимуществом предлагаемого состава является то, что он не вызывает коррозии латуни (основной материал корпусов ЭВ), в отличие от аналогов [1] и [2], и поэтому не требует предварительной лакировки.

Характеристики воспламенительного состава на основе двойной соли ферроцианида калия - кальция и перхлората калия.

Способ получения:

К смешанным растворам безводного К₄Fe(CN)₆ в воде и KNO₃ в воде приливают раствор Ca(ClO₄)₂ в воде. Реакционную массу перемешивают, до образования белой суспензии. Осадок фильтруют и последовательно промывают водой и спиртом.

Уравнение реакции:

K₄Fe(CN)₆+2Ca(ClO₄)₂+2KNO₃=K₂Ca[Fe(CN)₆]↓+4KClO₄↓+Ca(NO₃)₂

Основные свойства предлагаемого воспламенительного состава и ЭВ с ним приведены в таблице 4.

Данный воспламенительный состав также является термостойким (Т_всп=400°С), так как содержит двойную соль ферроцианида калия-кальция.

ЭВ с предлагаемым составом работают «мягко», без разрушения корпуса, как при нормальных условиях, так и в вакууме. Значения энергий воспламенения ЭВ достаточны для использования составов при изготовлении электровоспламенителей как гражданского, так и военного назначения.

Таким образом, предлагаемый воспламенительный состав и способы его получения обоснованы и отвечают новым повышенным требованиям к воспламенительным составам для современных электровоспламенителей.

В настоящее время электровоспламенители с новыми составами, простыми и дешевыми в производстве, а также обладающими меньшей чувствительностью, чем штатные ИВВ и не содержащими токсичных и тяжелых металлов (Pb, Hg), и способ их производства находятся в стадии промышленного освоения.

Библиографические данные:

1. Бубнов П.Ф., Сухов И.П. Средства инициирования. - М.: НКАП, Оборонгиз, 1945 - 162 с.

2. Щукин Ю.Г., Лютиков Г.Г., Поздняков З.Г. Средства инициирования промышленных взрывчатых веществ. - М: Недра, 1996 - 23 с.

3. Пат. 2179544 РФ. Термостойкие воспламенительные составы для электровоспламенителей и способ их изготовления / Баскаков Ю.М., Королев В.П., Бибнев Н.М., Колесов В.И. и др. Опубл. 20.02.2000.

4. Пат 3793100 США. Ignitercompositioncomprising a perchlorate and potassiumhexacyanocobaltate III / Fronabarger J. Опубл. 19.02.1974.

5. Багал Л.И. Химия и технология инициирующих взрывчатых веществ. - Москва: Машиностроение, 1975 г.