Композиції, які виділяють ртуть, та пристрої на їх основі

1. Композиція, що виділяє ртуть, яка відрізняється тим, що містить: перший компонент, А, який є сполукою, що містить ртуть і принаймні один метал, вибраний з групи, що складається з титану і цирконію; другий компонент В, що містить алюміній або сполуку чи сплав, в яких масова частка алюмінію складає принаймні 40мас. % і температура плавлення дорівнює або є нижчою за температуру плавлення цього елемента, а масова частка компонента А дорівнює або є меншою за 90мас. % від загальної маси композиції. 2. Композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що додатково містить третій компонент, С, вибраний з групи, що складається з металів або сполук, здатних вступати в екзотермічну реакцію з алюмінієм. 3. Композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що компонент А додатково містить мідь або мідь і олово. 4. Композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що компонент А є сполукою Ті3Нg. 5. Композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що компонент В є алюмінієм. 6. Композиція за п. 1, яка відрізняється тим, що компонент В є сплавом алюмінію і міді. 7. Композиція за п. 6, яка відрізняється тим, що зазначений сплав має Аl - 68мас. % і Сu - 32мас. %. 2 (19) 1 3 89208 4 21. Пристрій за п. 19, який відрізняється тим, що зазначену металеву частину виконано у формі стрічки. 22. Пристрій за п. 19, який відрізняється тим, що зазначену металеву частину виконано у формі труби. 23. Пристрій за п. 20, який відрізняється тим, що компоненти А, В і С є порошками, розмір частинок яких є меншим за 500 мкм. 24. Пристрій за п. 23, який відрізняється тим, що розмір частинок зазначених порошків є меншим за 250 мкм. 25. Пристрій за п. 24, який відрізняється тим, що розмір частинок зазначених порошків є меншим за 125 мкм. 26. Пристрій (20) за п. 23, який відрізняється тим, що компоненти А та В спресовано у вигляді таблетки. 27. Пристрій за п. 23, який відрізняється тим, що металеву частину виконано у вигляді металевої стрічки (30), вкритої порошками (31) композиції, що складається з компонентів А та В. 28. Пристрій (40) за п. 23, який відрізняється тим, що металеву частину виконано у вигляді контейнера (41), в якому міститься композиція (42), що складається з компонентів А та В. 29. Пристрій (50) за п. 26, який відрізняється тим, що металеву частину виконано у вигляді штабки (51), що має отвір (52), обмежений її краями, які зігнуто відносно площини штабки, утворюючи порожнину, в якій розміщено таблетку. 30. Пристрій за п. 23, який відрізняється тим, що додатково включає порошок гетерного матеріалу. 31. Пристрій за п. 30, який відрізняється тим, що металеву частину виконано у вигляді стрічки, що замкнена у кільце, на яку нанесено одну або більше стрічок (62, 62', 62") композиції, що складається з компонентів А та В, та одну або більше стрічок (63, 63') гетерного матеріалу. Винахід стосується композицій, які виділяють ртуть. Ці композиції особливо необхідні для використання при дозуванні ртуті всередині флуоресцентних ламп. Відомо, що для роботи флуоресцентних ламп потрібна газова суміш під тиском у декілька сотень гектопаскаль (гПа), яку утворюють з інертними газами і парами ртуті. В минулому ртуть вводили у лампи у рідинному стані або безпосереднім введенням краплями у лампу, або всередині малої скляної ампули, яку потім відкривають усередині лампи. Але, зважаючи на токсичність ртуті, більшість останніх міжнародних нормативів вимагають використання найменшої можливої кількості цього елементу, необхідної для функціонування лампи; тому методи рідинного дозування є застарілими, так як вони не дають можливість дозувати у лампи кількості ртуті у декілька міліграмів або навіть менше одного міліграму. Іншим способом введення ртуті у лампу є введення з допомогою металевих амальгам. Але, при цьому способі виникає наступна проблема: деякі операції при виробництві ламп проводять при відносно високих температурах, взагалі вище 400°С, коли лампа ще не є герметичною, і ртуть починає вивільнятися з цих матеріалів вже при низьких температурах, між приблизно 100 і 300°С в залежності від типу металу, з яким ртуть утворює амальгаму; в цих умовах емісія ртуті, яка є шкідливим для здоров'я металом, відбувається у навколишнє робоче середовище. Для вирішення цих проблем в минулому пропонувалось використовувати різні тверді продукти, які дозволяють подолати або принаймні послабити зазначені вище недоліки. У патенті США №3 657 589 на ім'я Заявника описуються TixZryHgz сполуки, які не вивільняють ртуть при нагріванні до приблизно 500°С, але можуть вивільняти її при нагріванні до приблизно 800 - 900°С (так звана активаційна обробка); переваж ною з цих сполук є Ті3Нд, комерційна назва St 505. Ці сполуки мають ту перевагу, що вони можуть бути у вигляді порошку і бути дозовані малими кількостями по масі для виробництва пристроїв для вивільнення ртуті, які вміщують потрібну кількість металу. Але, проблемою цих сполук є те, що вони частково окиснюються протягом виконання операцій при виробництві ламп, внаслідок чого кількість ртуті, яку вивільняють під час активації складає тільки 40% загального вмісту ртуті, що викликає необхідність введення у лампу кількості ртуті, яка значно більше, ніж необхідно, і виникають проблеми в кінці строку дії ламп. У заявці на патент GB-A-2 056 490 описані TiCu-Hg композиції, які мають кращі властивості вивільнення ртуті у порівнянні із сполуками за патентом США №3 657 589. Зокрема, ці сполуки є стабільними у повітрі при температурах приблизно до 500°С, а при нагріванні до 800-900°С вони вивільняють ртуть у кількості більше, ніж 80%, або навіть, більш ніж 90%. У патентах США 5 520 560, 5 830 026 і 5 876 205 описують комбінації порошків сполуки St 505 з активаторами виходу ртуті (відповідно, сплави мідь-олово з можливими домішками малої кількості інших перехідних елементів; сплави мідькремній; і сплави мідь-олово-рідкісноземельні метали); додавання активаторів дозволяє підвищити вихід ртуті із сполуки St 505 аж до величини 8090%, навіть після їх окиснення, таким чином запобігаючи необхідності використання великої кількості надлишкової ртуті, що має місце при використанні тільки сполуки St 505. Нарешті, у патенті США №4 464 133 пропонується використовувати суміш порошків сполуки Ті3Нд з елементом, вибраним з нікелю чи мідді, завдяки чому, як вказано в цьому документі, з допомогою цих сумішей можливо досягти вивільнення ртуті вже при температурі 770°С. Вивільнення ртуті з цих сумішей і композицій звичайно досягають нагріванням з допомогою ра 5 діочастот, при розташуванні індуктора назовні лампи у положенні близько до пристрою, який має матеріал із ртуттю; хорошого виходу металу досягають термічною обробкою протягом приблизно 20-30сек. на лампу. Але, характеристики вивільнення ртуті з відомих композицій і сумішей, хоча й прийнятні, все ж таки не повністю задовольняють процес виробництва ламп. Оптимальний пристрій для вивільнення ртуті повинен мати наступні характеристики: - нульову емісію металу аж до принаймні 500°С, можливо до приблизно 600°С, для використання також при виробництві круглих ламп, де деякі операції потребують більш високих температур, ніж у випадку лінійних ламп; - повний або принаймні повний вихід ртуті так, щоб, при такій самій кількості ртуті, яка вивільняється у лампу, початкова кількість ртуті, яка присутня у пристрої, була як наймеш можливою, що відповідає міжнародним нормам щодо використання шкідливих матеріалів в індустріальному виробництві; - температура активації повинна бути меншою, ніж та, що була до сих пір, для зниження енергоємності виробничої лінії (забезпечення індукторів більш малої потужності); - для підвищення продуктивності потрібен більш короткий час активації, ніж для раніш використовуваних композицій. Метою винаходу є створення композицій, які виділяють ртуть і які є безпечними з точки зору вимог виробництва ламп. Цієї мети досягають за винаходом за допомогою композицій, які мають: - перший компонент А, який є сполукою, що має ртуть і принаймні метал, вибраний з титану чи цирконію; і - другий компонент В, який має алюміній або сполуку чи сплав, масова частка якого складає принаймні 40% алюмінію і який має температуру плавлення однакову або меншу, ніж у цього елементу, при цьому, масова частка компонента А може дорівнювати чи бути меншою за 90%. Додатково, композиції за винаходом можуть, факультативно, мати третій компонент С, вибраний з групи, що складається з металів і сполук, здатних вступати в екзотермічну реакцію з алюмінієм. Можливі композиції у випадку цього третього компонента будуть наведені нижче. Далі в описі всі проценти стосовно компонентів А, В, С композицій, а також їх відношення виражено масовою часткою, якщо не зазначено інше. Було виявлено, що композиції за винаходом (з двома або трьома компонентами) спроможні, якщо їх підігріти до 650°С, викликати екзотермічну реакцію, яка спричиняється до зростання локальної температури до декількох сотень градусів Цельсію за декілька секунд; таким чином викликаючи практично повну емісію ртуті із сполуки, яка містить її, навіть з нагріванням зовні, протягом часу, який є меншим у порівнянні з процесами, які використовують в теперішній час. 89208 6 Винахід буде описано з посиланнями на креслення, де на: Фіг.1 показано діаграму трикомпонентної системи у відсотках масових часток, на якій зображено границі можливих композицій за винаходом; Фіг.2-6 показано деякі можливі форми пристроїв для виділення ртуті, які може бути виготовлено з використанням композиції за винаходом; і Фіг.7 показано криву, яка ілюструє характер зростання температури композиції за винаходом під час нагрівання. Компонент А композиції за винаходом є сполукою, яка має ртуть, принаймні один елемент, вибраний з титану чи цирконію, і, факультативно, також мідь або комбінацію меді та олова. Компонентами А, прийнятними для досягнення мети цього винаходу, є сполуки Ті-Hg (зокрема сполука Ті3Нд), описані у патенті США 3 657 589; сполуки Ti-Cu-Нд, описані у заявці на патент GB-A2 056 490; і сполуки Ti-Cu-Sn-Hg, описані у міжнародній заявці РСТ/ІТ2005/000389. Компонентом В композиції за винаходом може бути алюміній; як альтернатива, можливе використання сполук або сплавів, які вміщують алюміній, масова частка якого складає принаймні 40%, і мають температуру плавлення не вищу за температуру плавлення алюмінію. Для цілей винаходу прийнятними є сплави Al-Cu, зокрема ті, що мають склад наближений до евтектичного сплаву АІ 68 %-Сu 32%, інтерметалічної сполукі із складом АІ 46,6%-Сu 53,4 % або сплаву Al-Cu із складом наближеним до них; крім того, прийнятними є сплави ΑΙ-Si, наприклад, із складом, який відповідає або наближений до евтектичного сплаву АІ 87,3 %-Сu 12,7%, та сплави Al-Cu-Sn. Нарешті, факультативним компонентом С композиції за винаходом є метал або сполука (взагалі оксид), здатна вступати в екзотермічну реакцію з алюмінієм. Цей третій компонент може бути вибраним з групи, що складається з перехідних металів, зокрема, Ni, Fe, Y, Ті і Zr, рідкісноземельних елементів або деяких оксидів, таких як оксид заліза, Fe2O3, оксид міді, CuO, або оксид мангану, МnО2. У випадку композицій з двома компонентами (А і В) маса компонента А може досягати 90% загальної маси композиції. У композиціях, більш багатих на компонент А, кількість компонента В є занадто зменшеною і зростання температури, завдяки екзотермічній реакції, є недостатнім для забезпечення повного вивільнення ртуті, яка міститься у компоненті А. Умови, за яких масова частка компонента А складає до 90% у композиціях з двома компонентами, можуть бути виражені також масовим відношення між А і В, яке може дорівнювати або бути меншим за 9:1(А:В 9:1). Цю умову, виражену другим шляхом, також витримують, з тої самої причини, що наведена вище, у випадку композицій, які також вміщують третій компонент С. На Фіг.1 показано діаграму трикомпонентної системи (% масової частки) можливих композицій А-В-С. Бінарна композиція А-В, яка відповідає максимуму компонента А, представлена точкою d; на цій фігурі композиції з відношенням A:B 9:1 представле 7 ні всіма композиціями праворуч пунктирної лінії, яка проходить від точки d до вершини, яку представляє компонент С. Навіть якщо всі композиції праворуч відтинка d-C на Фіг.1 показують ефект швидкого і повного вивільнення ртуті, яка міститься у компоненті А, композиції, які попадають у деякі частини таким чином визначеної площі, є неприйнятними для практичного використання; наприклад, композиції, де компонент А, масова частка якого є меншою за 10%, важко застосовувати тому, що бажаної кількості ртуті у лампі можна досягти, користуючись пристроями, які є недоцільно великі з уваги на вагу та розміри. Подібні проблеми стосуються композицій, в яких масова частка компонента С є більшою за 60%. Тому границі переважних композицій обмежуються точками d-e-f-g на Фіг.1 (заштрихована зона), що відповідає композиціям з наступними складом їх масових часток у %: d) А 90% - В 10% - С 0% є) А 36% - В 4% - С 60% f) A 10% - В 30% - С 60% g) A 10% - В 90% - С 0% У випадку, коли компонент С є оксидом, то, за високої екзотермічності реакції алюмінію з киснем, достатнім і переважним є використання малих кількостей компонента С, наприклад, його масової частки, меншої за 20% і навіть, більш переважно, меншої за 5%. Два (або три) компоненти композицій за винаходом можуть бути використані у різних фізичних формах. У випадку компонентів, основою яких суть метали (такі як алюміній, який використовують як компонент В, або метал, який використовують як компонент С), можливо використовувати ці компоненти у формі стрічок або частин інших конфігурацій, до яких компонент А уведено у контакт або приєднано; наприклад, композиція за винаходом в подібних випадках може складатися з порошків компоненту А, які накатано на алюмінієві листи, прийнятної товщини, або вміщено у алюмінієвий контейнер (компонент В); або, крім того, можливо накатати порошки компонентів А і В (у випадку, коли В є переважно алюмінієвим сплавом, який має достатню міцність для накатки) на стрічку з металу, такого як залізо або нікель. Але всі компоненти переважно використовують у формі порошків з розміром частинок взагалі меншим за 500мкм, переважно, меншим за 250мкм і, більш переважно, меншим за 125мкм. Як відомо, взагалі у лампах потрібно використовувати також гетерні матеріали для сорбції залишків газів, які є потенційно шкідливими для функціонування ламп, таких як кисень, водень або вода; прикладом гетерного матеріалу, який широко використовується, є сплав, який має склад Zr 84%-АІ 16%, описаний у патенті США 3 203 901. Використовуючи порошки, які мають композиції за винаходом, можна виготовляти пристрої для виділення ртуті різних форм, деякі приклади яких представлено на Фіг.2-6; у ці пристрої можна додавати, факультативно, гетерні матеріали, наприклад, змішуванням у формі порошків з композиці 89208 8 єю за винаходом, або додаванням окремо у пристрої. На Фіг.2 показано пристрій для виділення ртуті, який виконано у вигляді тільки таблетки 20 із спресованих порошків, які має композицію за винаходом. На Фіг.3 показано металеву стрічку 30, вкриту порошками 31, які складають композицію за винаходом. З цієї стрічки можна отримати, вирізанням, окремі пристрої (не показано) для виділення ртуті. На Фіг.4 показано поперечний переріз пристрою 40, який складається з контейнера 41, в якому розміщено композицію 42 за винаходом. На Фіг.5 показано вигляд (з вирізом) іншої можливої геометрії пристрою, який часто застосовують при виробництві ламп в основному для гетерних пристроїв (це пристрої, які є практично у кожній лампі для сорбції шкідливих газів, які присутні в лампі); в цьому випадку пристрій 50 формують як металеву штабку 51 з отвором 52, обмеженим краями 53 штабки, які зігнуто відносно площини штабки, таким чином утворивши порожнину, в якій розміщено таблетку 54 із спресованих порошків композиції за винаходом; наявність отвору дозволяє відкрити задню поверхню таблетки, що збільшує відкриту поверхню порошку і максимізує вивільнення ртуті; віддалена від отвору 52 частина пристрою 50 використовується для фіксації, щоб утримувати пристрій усередині лампи. Нарешті, на Фіг.6 показано пристрій, який виконує функції екранування електродів, поглинання шкідливих газів і вивільнення ртуті, згідно пояснень у патенті США 6 099 375; пристрій 60 отримують, замикаючи у кільце (наприклад точковим зварюванням у позиції 61) частини стрічки, подібної до показаної на Фіг.3, на які наносять стрічки різних матеріалів; на фігурі показано три стрічки 62, 62', 62" композиції за винаходом і дві стрічки 63, 63' гетерного матеріалу. Для отримання пристроїв, зображених на Фіг.2, 4 та 5, можливо використати переважно алюміній, як компонент В, який завдяки своїй пластичній деформації під час пресування забезпечує механічну стабільність порошкових елементів, що присутні у цих пристроях; і навпаки, у випадку пристроїв, показаних на Фіг.3 та 6, які звичайно виготовляють холодною прокаткою, переважно використовують, як компонент В алюмінієвий сплав тому, що більш висока твердість сплавів у порівнянні з чистим металом забезпечує краще приєднання порошків до металевої стрічки під час холодної прокатки. З допомогою композицій за винаходом можливо легко отримати пристрої з малою, але точною і відтворюваною, дозою ртуті у лампі. У пристроях такого типу (див. Фіг.2, 4 та 6) можливо використовувати композиції, які мають малий вміст компонента А (наприклад, композиції, які наближені до відтинку f-g на Фіг.1), таким чином зменшивши кількість ртуті за таких самих розмірів та маси пристрою; з допомогою пристроїв на Фіг.3 і 6, у додаток до можливості варіювати композиції, є можливість регулювати ширину стрічок з різних матеріалів, таким чином регулюючи кількість ртуті на одиницю довжини металевої стрічки. Винахід далі ілюструється прикладами. Ці приклади не обмежують, а лише ілюструють деякі 9 89208 втілення винаходу, розкриваючи фахівцям, як на практиці відтворити винахід, а також описують кращий приклад втілення винаходу. Приклад 1 В цьому прикладі перевіряють вплив змін температури таблетки, яку виготовили з композиції за винаходом під час радіочастотного нагрівання. Приготовляють композицію за винаходом, яка складається з 24мг порошку сполуки Ті 3Нд і 16мг порошку алюмінію; обидва порошки мають розмір частинок менший за 128мкм. Суміш порошків спресовують у прийнятній циліндричній формі під 2 тиском 1400кг/см і, таким чином, отримують таблетку, яка має діаметр 4мм і товщину приблизно 1мм. Цю таблетку вводять у скляну колбу, яку потім вакуумують. Потім таблетку нагрівають зовні з допомогою радіочастотного нагріву і виміряють температуру таблетки під час випробування оптичним пірометром. Зміну температури (°С) в залежності від часу (секунди, с) показано на Фіг.7. Як можна бачити, відбувається різке зростання температури до 650°С, причиною чого може бути тільки початок екзотермічної реакції у системі; одразу після початку цього зростання температури має місце випаровування ртуті, що можна бачити через утворення краплинок рідинної ртуті у холодних місцях скляної стінки колби; внаслідок екзотермічної реакції, температура перевищує 1000°С протягом приблизно 3сек. і утримується вищою, ніж температура запуску екзотермічної реакції, протягом подальших приблизно 8сек. Приклад 2 В цьому прикладі виміряють емісійні властивості ртуті різних зразків композицій за винаходом. Дев'ять таблеток з однаковим діаметром 4мм і різної маси та висоти виготовили, як у прикладі 1, використовуючи різні суміші компонентів А, В та С; як компонент А знову використовували сполуку Ті3Нд; як компонент В знову використовували алюміній; склад різних таблеток наведено у Таблиці 1, де також вказано компонент С, який використовувався у дослідах 8 і 9 (тільки з таким компонентом). Ці таблетки вводять на певний час у скляну колбу і випаровують ртут, як це було опи 10 сано у прикладі 1. В кінці кожного досліду, після охолодження системи, таблетку виймають з колби і розчиняють у розчині, який вміщує суміш азотної і сірчаної кислот, переводячи ртуть у розчин як іон Нд2+; потім поновлюють до металевої ртуті натрійбор гідридом (NaBH4), і пари металу відправляють у атомно-абсорбційний спектрофотометр, виміряючи концентрацію ртуті у розчині; за цими даними можна вивести кількість ртуті, що залишилась у таблетці після тестування, і, як різницю між кількістю ртуті, яка була присутня спочатку у таблетці (відому з кількості компонента А і з його хімічного складу) і величиною виміряного залишку, отримують кількість випареної ртуті. У таблиці 1 наведено масу кожної таблетки (в тому числі кожного її компонента), загальну кількість (підраховану) ртуті, яка міститься у кожній таблетці на початку тестування, максимальну температуру, яку було досягнуто у кожному досліді, кількість ртуті, вивільненої і отриманої на виході (процент вивільненої ртуті відносно загальної маси). У всіх дослідах температура початку випаровування спостерігалася між 650°С і 660 С. Властивості композицій за винаходом дозволяють нагрівання таблетки зовні протягом часу приблизно 3-5 секунд, в той час, як для відомих композицій, де вивільнення ртуті починається при приблизно 800°С, необхідний час нагрівання складає принаймні 6сек., а взагалі - приблизно 10сек.; далі, так як вивільнення ртуті потребує необхідної температури протягом 10сек., то під час використанні відомих композицій необхідне нагрівання зовні протягом всього часу випаровування, а з композиціями за винаходом висока температура (приблизно 800°С) залишається протягом декількох секунд без необхідності нагрівання зовні. Це дозволяє нагрівання зовні за коротший час, а тому підвищується часова продуктивність ліній з виробництва ламп. Мало того, всі композиції за винаходом дають дуже високий вихід ртуті, у всіх випадках вищий за 93%, а в одному випадку - 98,7%, що дозволяє зменшити кількість невикористаної ртуті до мінімуму. Таблиця 1 1 2 3 4 5 6 7 Маса таблетки (мг) 40,9 36,6 31,6 31,4 30,6 29,7 28,0 8 40,0 8,0 12,8 9 40,0 16,0 11,2 Дослід А(мг) В (мг) С (мг) 24,5 22,0 19,0 18,9 18,4 17,8 16,8 16,4 14,6 12,6 12,6 12,2 11,9 11,2 / / / / / / / 19,2 (Fe) 12,8 (Ni) Hg Нg Τ макс (мг) почат, (мг) випар, (мг) 13,3 980 12,7 11,9 1045 11,2 10,2 1000 9,9 10,2 990 9,7 9,9 992 9,3 9,6 1018 9,5 9,1 1020 8,5 Вихід Hg (%) 95,4 94,5 96,7 95,0 93,8 98,7 93,7 4,3 1015 4,1 95,3 8,7 1030 8,3 95,4 11 89208 12 13 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 89208 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601