Піротехнічний безгазовий склад

Реферат: Піротехнічний безгазовий склад містить порошок цирконію як пальне, хромат барію як окислювач, сполучне. Як сполучне містить нітрати целюлози та поліакриламід, а також додатково містить армуючу добавку. UA 78930 U (54) ПІРОТЕХНІЧНИЙ БЕЗГАЗОВИЙ СКЛАД UA 78930 U UA 78930 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області піротехнічних складів і може використовуватися як піротехнічний нагрівач [ПН] у хімічних джерелах струму (термічних батареях) із твердим електролітом для виводу їх на робочий режим, тобто розплавлювання електроліту. Відомі піротехнічні безгазові склади на основі порошку заліза, як пального та окислювача перхлорату калію (Patent US 2002/0041173A1 pub. date: 11.04.02. Method of recharging a pyrotechnically thermal battery). З патенту ЕР 1551072А2 від 06.07.05 Bulletin 2005/07 відомо, що стехіометричне співвідношення компонентів Fe-63 % і KСlО4-37 % створює високу температуру, достатню для згоряння порошку Fe і його перетворення в оксиди заліза. Основними недоліками цього піротехнічного складу є низька швидкість горіння (до 100 мм/с) і виділення при згорянні газоподібних продуктів (окису хлору), що для використання в термобатареях неприпустимо, тому що може призвести до значного підвищення тиску усередині батареї та її розриву. Іншим недоліком складу на основі Fe і KСlО4 є те, що після його згоряння утворюється електропровідна зола, що може призвести до замикання батареї при виведенні її на робочий режим. Відомі піротехнічні безгазові сполуки на основі порошків цирконію та хромату барію (див. Шидловский А.А., Сидоров А.И., Силин Н.А. Пиротехника в народном хозяйстве. - М.: Машиностроение, 1978). Ця суміш при горінні утворює тверді та тугоплавкі оксиди металів. Недоліком зазначеної сполуки є низька швидкість горіння, що становить від 0,6 мм до 100 мм/с. Це відбувається тому, що піротехнічні елементи для термобатарей виготовляють пресуванням (диски з отвором та без отворів, сегменти, пластини і т.п.), вони є крихкими та при згинанні ламаються. Як сполучні у таких складах використовують смоли штучного і природного походження (бакелітні, епоксидні, резинати та ін.). Однак, введення їх у склад у великій кількості, що забезпечує високу механічну міцність, не вдається, так як при цьому різко підвищується швидкість горіння та виділення газоподібних продуктів при їх згоранні. При цьому для різних типорозмірів термобатарей потребуються різноманітні форми та розміри пластин піронагрівачів, що створює складність при їх виготовленні. В основу корисної моделі поставлене завдання розробки складу піротехнічних нагрівачів на основі цирконію та хромату барію, який мав би високу швидкість горіння, низьке газовиділення та високу гнучкість без механічних пошкоджень при згинанні. Суть корисної моделі полягає в тому, що для підвищення міцності на згинання і регулювання швидкості горіння до складу вводять сполучні компоненти, а також армуючі елементи. Як сполучні вводять нітрати целюлози, а також поліакриламід, які поліпшують швидкість горіння та механічну міцність, а як армуюча добавка - скловолокно. Для виготовлення піротехнічного складу використовували порошок цирконію натрійтермічного з розміром часток не більше 50 мкм і порошок хромату барію з розміром часток не більше 10 мкм. Порошки змішували у гравітаційному змішувачі, а потім добавляли нітрати целюлози в порошкоподібній формі та додатково перемішували до одержання однорідної по зовнішньому вигляді суміші (суспензії). Піротехнічну суміш переміщували у склянку, заливали воду та перемішували лопатевою мішалкою до одержання 9-10-відсоткової суспензії. В отриману суспензію додавали приготовлений заздалегідь розчин поліакриламіду у воді. Потім при перемішуванні додавали порціями необхідну кількість скловолокна, у вигляді монониток, тобто частина армуючого сполучного вводиться до складу суспензії у вигляді окремих волокон, а частина використовується у вигляді підкладок, кількість яких варіюють залежно від необхідної товщини піронагрівачів. Водну суспензію піротехнічного складу виливали порціонно на сітку вакуум-фільтра, попередньо встановивши на неї армуючу підкладку зі скловолокна. Після кожного поливу суспензії на армуючу підкладку зі скловолокна проводили вакуумування для видалення води та одержання сухого на дотик піротехнічного нагрівача. Кількість армуючих підкладок, а відповідно і кількість поливів суспензії встановлювали по необхідній товщині одержуваних піронагрівачів. Число таких підкладок може бути від 2 до 10, а одержувана товщина полотна піронагрівача від 1,5 мм до 3,0 мм і більше. Полотно піронагрівача обробляли спирто-ацетоновим розчином нітратів целюлози для його зміцнення та лакування, і знову відфільтровували розчинник. Потім полотно знімали з фільтра шляхом видавлювання знизу стисненим повітрям і при необхідності підпресовували на 2 гідравлічному пресі при питомому тиску не більше 1-1,2 МПа (10-12 кг/см ). Отримане таким способом піротехнічне полотно висушували при температурі 65-75 °C до вмісту вологи не більше 0,2 %. Стехіометричне співвідношення складу компонентів згідно з реакцією розкладу 3Zr+4BaCrO4=3ZrO2+4ВаО+2Сr2О3 складає: Zr=21,3 %, ВаСrО4=78,7 %. 1 UA 78930 U Із рівняння видно, що при згоранні складу виділяються тверді та тугоплавкі оксиди металів. Для дослідження характеристик складу готовили різне співвідношення компонентів, що дозволяло регулювати швидкість горіння. Дані щодо складу піронагрівачів наведені в табл. 1. Таблиця 1 Компонентний склад піротехнічних нагрівачів Найменування компонентів Цирконій Хромат барію Нітрати целюлози: - до складу - для обробки Поліакриламід Скловолокно, понад 100 %: - у вигляді моноволокна - у вигляді листа-підкладки Склад компонентів, мас. % Зразок 1 Зразок 2 Зразок 3 21,3 30 35 78,7 70 65 2,0 2,1 2,3 1,5 1,8 1,9 0,5 0,3 0,4 1,0 1,3 1,6 4,0 5,0 8,0 2,0 3,0 3,0 2,0 4,0 5,0 Зразок 4 40 60 2,6 2,0 0,5 1,7 11,0 2,7 8,3 5 Фізико-хімічні характеристики складів піротехнічних нагрівачів з різною кількістю основних компонентів надано в табл. 2. Таблиця 2 Фізико-хімічні характеристики піронагрівачів Найменування показників 2 Щільність, г/см Калорійність, ккал/кг Швидкість горіння, см/с Електрична провідність шлаку ПН, Ом/м Радіус згинання, мм 3 Газоутворення, дм /г 10 15 20 25 30 Зразок 1 1,51 332 20 12 310 Зразок 2 1,56 440 35 12 310 Зразок 3 1,58 460 40 12 410 Зразок 4 1,61 424 52 12 410 2 2 2 2 3 не більше 0,033 дм /г для всіх зразків Прототип 330 до 10 більше 10 Калорійність (теплоту горіння) складів визначали згідно ОСТ 2401-88 на калориметрі марки В-08МА. Метод полягає в повному спалюванні наважки складу в вакуумі в калориметричній бомбі (при постійному об'ємі) в ізотермічному режимі, замірі приросту температури води в калориметричному посуді та розрахунку теплоти горіння з врахуванням ефективної теплоємкості калориметричної системи. Для визначення швидкості горіння ПН розроблена спеціальна методика. Методика основана на виміру часу проходження фронту горіння у піротехнічному складі з допомогою частотоміру Ч3-64. Частотомір працює сумісно з формувачем сигналів ФС-5.3, керований з допомогою оптичних датчиків, розміщених на дослідному стенді. Відстань між оптичними датчиками (по довжині зразка) беруть за базу вимірювання, яку можна фіксувати на необхідну довжину для кожного досліду. Для визначення кількості газів, що виділяються при згоранні піронагрівачів, застосовували 3 манометричний метод. В манометричній бомбі об'ємом 24 см спалювали почергово піроксиліновий порох і зразок ПН масою відповідно по 5,28 г. Як запальник застосовували димний порох масою 1 г. При спалюванні зразків за допомогою осцилографа записували криві 2 тиску Р=f(t). Тиск газів при спалюванні піроксилінового пороху склав 2980 кг/см , при спалюванні 2 ПН тиск склав 110 кг/см . Об'єм газоподібних продуктів при спалюванні 1 кг піроксилінового пороху відомий і складає 900 л. Тоді об'єм газоподібних продуктів при спалюванні 5,28 г піроксилінового пороху складе: 1000 г  900 л  4,75 л 5,28 г . 2 Так як при спалюванні 5,28 г піронагрівача тиск газоподібних продуктів складає 110 кг/см , тоді об'єм газоподібних продуктів складе: 2 UA 78930 U 4,75 л 110 кг / см2 5 10 15  0,175 л 2980 кг / см2 . 3 Таким чином, газовиділення при спалюванні 1 г ПН складає 0,033 дм /г або 0,033 л/г (0,175 3 дм розділити на 5,28 г). Склад з вмістом порошку цирконію більше стехіометричного співвідношення має швидкість горіння 35-52 см/с. Далі було встановлено, що при збільшенні вмісту цирконію більше 50 % 3 швидкість горіння падає. Газовиділення ПН при спалюванні не більш 0,033 дм /г, що дозволяє безпечне його використання у термічних джерелах струму. Шлак, що виникає при спалюванні складу при виводі термобатареї на робочий режим, є діелектриком, тобто не проводить електричний струм, що виключає замикання батареї. Піротехнічні нагрівачі одержуються у вигляді листового гнучкого матеріалу, подібного листам звичайного паперу. Вони можуть скручуватись в рулон з діаметром до 2 мм без руйнування та тріщин, що дозволяє їх використання у термобатареях різноманітного розміру у вигляді стержнів, трубок. Це позволяє уникнути виготовлення великої кількості типорозмірів ПН для термобатарей різного габариту. Таким чином, склад у вигляді листового матеріалу різної товщини є універсальним для використання в термобатареях різного габариту. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 1. Піротехнічний безгазовий склад, що містить порошок цирконію як пальне, хромат барію як окислювач, сполучне, який відрізняється тим, що як сполучне містить нітрати целюлози та поліакриламід, а також додатково містить армуючу добавку, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: цирконій 30-40 хромат барію 56,6-65,8 нітрати целюлози 2,1-2,5 поліакриламід 1,3-1,7 армуюча добавка (понад 100 %) 5,0-11,0. 2. Піротехнічний безгазовий склад за п. 1, який відрізняється тим, що як армуюча добавка використовується скловолокно, яке вводиться у склад у вигляді листа-підкладки, а частково у вигляді розпушених монониток Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3