Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ПИРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к тепловым резервным источникам тока (термохимическим батареям), приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических элементов от теплового импульса примыкающих к ним ленточных воспламенителей, а более конкретно, к технологии изготовления ленточных пиронагревателей.

Уровень данной области техники характеризует способ изготовления ленточных пиронагревателей по технологии получения бумаги, содержащий приготовление водной суспензии структурных компонентов, которую затем помещают в плоскую форму на фильтр-подложку, где за счет перепада давления удаляют жидкую фазу, и полученную композицию сушат, описанный в патентах US 4041217, нац. кл. 429-112, 1977 г. и JP 4-30152, Н01М 6/36, 1992 г.

В качестве наиболее близкого аналога по большинству совпадающих признаков выбран способ по патенту JP 4-30152, по которому смесь циркония (восстановителя), бария хромовокислого (окислителя) и минерального связующего (наполнителя) - асбестовых волокон длиной 0,5-3 мм в количестве 1-5 мас. частей приготавливают перемешиванием компонентов в воде посредством барботирования суспензии при подаче сжатого воздуха снизу технологической емкости. Полученную суспензию помещают в плоскую форму на фильтр-подложку, где принудительно удаляют жидкую фазу за счет перепада давления, формируя влажную смесь ленточного пиронагревателя, которую прессуют для выравнивания толщины, а затем сушат.

По известному способу можно получить ленточные пиронагреватели постоянной толщины. Оптимизированное соотношение компонентов пиротехничекского состава обеспечивает практически равную скорость его горения со скоростью 50-100 мм/с.

Однако недостатком известного способа является то, что изготовленные ленточные пиронагреватели характеризуются низкой прочностью при изгибе, ограничивая практическое их использование в качестве воспламенителей, примыкающих по профилю электродов батареи резервных источников тока, затрудняя служебное обращение в серийном производстве.

В сформированных по известному способу ленточных пиронагревателях при принудительном удалении жидкой фазы на фильтре-подложке происходит дисперсное расслоение: более крупные фракции осаждаются преимущественно в нижней их части, а частицы с малым диаметром выносятся в приповерхностные слои, что существенно снижает прочностные характеристики изделия и определяет нестабильность горения.

Ленточные пиронагреватели могут ломаться при изготовлении (производственный брак) или от перегиба с растяжением при установке в источник тока, что в эксплуатации не обеспечит необходимого теплового режима из-за невоспламенения одного или нескольких пиронагревателей, то есть приведет к отказу источника тока.

При этом возможно позднее воспламенение отдельных пиронагревателей, что резко ухудшает время выхода на режим и разрядные характеристики резервного источника тока.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение показателей назначения резервного источника тока за счет усовершенствования технологии изготовления тонких (до 1 мм) ленточных пиронагревателей, имеющих повышенную прочность на изгиб, улучшенную воспламеняемость при высокой скорости горения.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления ленточного нагревательного элемента, включающем приготовление водной суспензии из дозированных компонентов: циркония (восстановитель), бария хромовокислого (окислитель) и измельченных волокон асбеста (наполнитель), которые перемешивают посредством прокачивания снизу сжатого воздуха, порционное размещение суспензии в плоской форме на фильтре-подложке, где принудительно удаляют жидкую фазу, после чего сформированную пиротехническую композицию сушат, согласно изобретению, суспензию готовят в насыщенном водном растворе перхлората калия, дополнительно содержащем лигносульфонат и в качестве дисперсной фазы дозированное количество перхлората калия, которую затем соединяют с приготовленной дисперсией латекса в насыщенном растворе перхлората калия, при этом лигносульфонат составляет 8-12% от массы латекса в пересчете на сухое вещество, удаление жидкой фазы осуществляют при перепаде давления на фильтре-подложке в диапазоне 0,08-0,10 МПа, а сушат сформированную пиротехническую композицию при температуре 16-80°С до влажности не более 0,4%, причем измельченные асбестовые волокна предварительно прокаливают и замачивают в воде на 30 минут, а латекс в суспензию вводят в количестве 1 части от массы диспергируемых компонентов.

Отличительные признаки позволили технологически обеспечить улучшение служебных характеристик ленточных пиронагревателей для резервных источников тока.

Приготовление суспензии структурных компонентов в насыщенном водном растворе перхлората калия позволило ввести в состав пиронагревателя дополнительный активный окислитель - перхлорат калия, который вводится в технологическую структуру в форме дисперсной фазы и не выводится из приготовленной смеси при удалении жидкой фазы рабочей суспензии на операции фильтрования.

Техническим результатом дополнения композиции состава перхлоратом калия является повышение скорости горения ленточного пиронагревателя, как минимум, до 1 м/с, что увеличивает быстродействие резервного источника тока, который динамично выходит на режим, обеспечивая стабильные токовые характеристики.

Покрытие пленкой латекса (органическим связующим) волокон асбеста создает упругую каркасность структуры пиронагревателей, которая обеспечивает повышение прочности при перегибах и растяжении. Модифицированные латексом измельченные волокна асбеста, распределенные в объеме композиции, сообщают гибкость ленточным пиронагревателям, необходимую для примыкания к профилю электрохимических элементов резервного источника тока.

Покрытие поверхности диспергированных в жидкости измельченных волокон асбеста латексом в присутствии лигносульфоната (поверхностно активного вещества) происходит равномерно, обеспечивая гибкость минеральному наполнителю, формирующему каркас ленточного изделия, и несущую прочность формируемой при фильтровании его структуры.

Водорастворимый лигносульфонат выводится из композиции ленточного пиронагревателя при принудительном удалении жидкой фазы на фильтре-подложке, поэтому эта технологическая добавка не влияет на служебные характеристики изделия.

Латекс диспергируют в жидкой фазе для распределения его в объеме приготавливаемой суспензии, чтобы при этом снизить концентрацию, минимизировав контакт латекса с измельченными волокнами асбеста для исключения комкования, так как коагуляция латекса при взаимодействии с асбестом происходит практически мгновенно. В результате организованного их взаимодействия обеспечивается равномерное покрытие волокон асбеста тонкой пленкой латекса. При этом формируется несущая эластичная структура каркасной основы тонкопленочного пиротехнического воспламенителя, гибкого и прочного как в изготовлении, так и служебном обращении.

Латекс вводят в приготавливаемую рабочую суспензию компонентов в виде дисперсии в насыщенном растворе перхлората калия, чтобы не уменьшать заданной массы дополнительно вводимого в состав кислородсодержащего окислителя - перхлората калия.

Содержание лигносульфоната 8-12% от массы латекса в пересчете на сухое вещество является оптимальным. При содержании лигносульфоната менее 8% покрытие асбестовых волокон латексом происходит неравномерно, с пропусками, что в итоге не обеспечивает заданной гибкости ленточному пиронагревателю, а при содержании более 12% возможно комкование латекса, приводящее к аномалии прочностных свойств и служебных характеристик изделия.

Латекс (водная дисперсия полимерного каучука) является органическим связующим, обеспечивающим при введении в состав ленточного пиронагревателя в оптимальном количестве повышение его прочности на разрыв при перегибах.

При содержании латекса меньше 0,5 мас.% не обеспечивается требуемой прочности и гибкости ленточных изделий, а при содержании латекса более 1,5 мас.% происходит неприемлемое снижение скорости горения пиронагревателя и увеличение объема газообразных продуктов сгорания, а также служит причиной электропроводимости шлаков, что недопустимо по условиям работоспособности термохимического источника тока.

Введение латекса в технологическую суспензию, содержащую лигносульфонат, в виде дисперсии насыщенного водного раствора перхлората калия обеспечивает получение заданного массового соотношения компонентов в составе готового пиротехнического изделия, дополнительно включающем дозированное количество перхлората калия.

Перепад давления на фильтре-подложке для удаления жидкой фазы из технологической суспензии выбран в оптимальном диапазоне 0,08-0,10 МПа.

Уменьшение перепада давления (менее 0,08 МПа) вызывает нестабильность характеристик назначения из-за расслоения компонентов изделия, вызванного длительным временем удаления жидкой фазы.

Увеличение перепада давления больше 0,10 МПа не дает качественных улучшений свойств ленточного пиронагревателя, но требует значительных затрат на его осуществление, что нецелесообразно.

Влажность готового ленточного пиронагревателя после сушки ограничена верхним пределом 0,4% для гарантированного обеспечения стабильности основных технических характеристик в течение длительного срока хранения.

Сушка сформированной пиротехнической композиции при температуре ниже 16°С нерациональна из-за продолжительности процесса, что нетехнологично, а при температуре выше 80°С снижает прочностные характеристики изделия из-за образования кристаллов перхлората калия из дисперсной среды, что снижает несущую способность сотовой структуры воспламенителя из-за потери динамической эластичности.

Измельченные волокна асбеста (водного силиката магния и других металлов) прокаливают для удаления органических примесей и получения однородной массы (взвеси в жидкой фазе), обеспечивающей образование оптимальной каркасной структуры ленточного пиронагревателя.

При замачивании предварительно измельченных и прокаленных волокон асбеста в течение 30 минут происходит разделение массы асбеста на элементарные волокна и более равномерное распределение их как в объеме суспензии, так и в изделии.

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

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по тепловым химическим источникам тока, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления ленточных пиронагревателей можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Ниже приведен для иллюстрации изобретения пример выполнения предложенной технологии изготовления ленточного пиронагревателя.

Порошкообразные цирконий, барий хромовокислый и перхлорат калия, а также волокнистое связующее (асбест) в качестве дисперсной фазы вводят в водный насыщенный раствор перхлората калия, содержащий поверхностно-активное вещество - лигносульфонат технический, приготавливая рабочую суспензию при активном перемешивании за счет подаваемого снизу сжатого воздуха, создающего активное барботирование смеси.

Однородную суспензию перечисленных компонентов приготавливают из расчета их общей массы 40 г в 1 литре водного насыщенного раствора перхлората калия при следующем соотношении, мас.%: 27 циркония, 62 бария хромовокислого, 8 перхлората калия и 3 асбеста.

Лигносульфонат технический вводят в количестве 0,04 г на 1 литр раствора.

Одновременно приготавливают 1 литр дисперсии органического связующего, например бутадиен-нитрильного латекса (полимерный каучук) в количестве 0,4 г в водном насыщенном растворе перхлората калия.

Затем приготовленные суспензию компонентов состава и дисперсию латекса одновременно вводят, перемешивая, в плоскую форму листоотливного аппарата, установленную на фильтре-подложке.

После этого, создав на фильтре-подложке перепад давления 0,08 МПа, принудительно удаляют жидкую фазу (водный насыщенный раствор перхлората калия с лигносульфонатом) и формируют тонкий (0,3-0,4 мм) слой 200×200 мм пиротехнического состава, который снимают с фильтра-подложки при влажности 15-30%. Далее сформированную пластину сушат при температуре 20°С до конечной влажности не более 0,4% по массе.

Готовую пластину режут на ленты пиронагревателей толщиной 4-6 мм.

Проведенные испытания опытных образцов ленточных пиронагревателей, изготовленных согласно предложенной технологии, подтвердили достижение нового технического результата по увеличению прочности на изгиб с растяжением при значительном повышении скорости горения ленточных воспламенителей, удовлетворяющего условиям промышленного серийного производства резервных источников тока во всем заявленном сочетании существенных признаков формулы (см. таблицу).

Как следует из таблицы, предложенный способ обеспечивает качественно новые технические характеристики быстрогорящим малогазовым ленточным пиронагревателям, более высокую скорость горения при стабильном тепловыделении.