Малодымные составы цветных огней Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

М. С. Резников, Н. Е. Тимофеев, И. А. Абдуллин,

А. С. Уголькова, Л. И. Казанская, В. Л. Гинзбург, Р. А. Валеев

МАЛОДЫМНЫЕ СОСТАВЫ ЦВЕТНЫХ ОГНЕЙ

Ключевые слова: составы цветных огней, дымность, пиропороховая основа.

В ходе анализа существующих рецептур составов цветных огней выявлены способы повышения их специального эффекта за счет снижения дымности продуктов сгорания. Поставленная цель достигается заменой магнийсодержащих горючих (МПФ, ПАМ) на алюминиевый порошок или созданием без-метальных композиций. В результате расчетно-экспериментальных исследований предложены составы красного и зеленого огней на пиропороховой основе.

Keywords: structures of color fires, smoke opacity, piro-powder basis.

During the analysis of existing compoundings of structures of color fires ways of increase of their special effect at the expense of decrease smoke opacity combustion products are revealed. The object in view is reached by replacement magnesium containing combustible on an aluminum powder or creation compositions without metal. It is as a result settlement-experimental researches structures of red and green fires on piro-powder are offered as a basis.

Введение

При горении пиротехнических элементов фейерверочных изделий образуется дым, что существенно снижает красочность и зрелищность эффекта. Кроме того, мельчайшие домовые частицы содержат вредные вещества, ухудшающие экологическую обстановку, особенно при массовом (залповым) запуске изделий большого калибра. Источником дыма при горении пиротехнических составов могут быть высококипящие оксиды металлов (особенно магния), гигроскопичные хлориды металлов, а также углеродсодержащие частицы [1-3]. В данной работе показано, что целенаправленный выбор компонентов и оптимизация рецептур позволяют существенно уменьшить дымность цветопламенных составов, улучшить специальный эффект при действии фейерверочных изделий.

Объект и методы исследований

Выбор объекта исследований производили с учетом требований к составам цветных огней (СЦО), свойств применяемых компонентов и рецептур ранее разработанных составов.

Для создания специального эффекта (видимость и различимость сигнала, красочность и зрелищность фейерверка) к составам цветных огней молекулярного излучения предъявляются следующие требования:

1) оптимальная температура горения;

2) большое количество газообразных продуктов горения, инертных по отношению к целевым веществам (монохлоридам стронция или бария);

3) малая дымность продуктов сгорания;

4) большая скорость горения композиции.

Оптимальная температура горения композиции соответствует наибольшему содержанию целевого продукта в пламени и зависит от его свойств (термической устойчивости). Известно, что для составов молекулярного излучения температура горения составляет 2000-2600°С. Чем больше объём газообразных продуктов горения и скорость горения состава, тем выше может быть оптимальная температура горения.

Дымность продуктов сгорания должна быть как можно меньше (ориентировочно на 30% меньше, чем у классических пиротехнических составов).

Анализ рецептур штатных СЦО, а также рекомендованных (патенты РФ) показывает, что характеристики композиций далеки от оптимальных.

Специальные исследования показали, что поливинилхлорид и гексахлорбензол увеличивают дымность продуктов сгорания (рис. 1).

ДС 32

30

28 26 24 22 20 18

О 5 10 15 20 30

компонент, %

♦ нитрат целлюлозы Ш поливинилхлорид —гексахлорбензол

Рис. 1 - Зависимость дымообразующей способности ПС красного огня с АМ от содержания органических веществ

Хлорид аммония - дешевый, доступный компонент; он содержит больше хлора (66 %), чем применяемый поливинилхлорид (56%). Кроме того, отсутствие углерода уменьшает дымность продуктов сгорания СЦО.

Исследовали составы на традиционной пиротехнической основе и пиропороховые, содержащие крошку конверсионного пироксилинового пороха и активное связующее ЛД-70.

Термодинамические свойства продуктов сгорания определяли расчетным методом с использованием компьютерной технологии (программа «ТЕЯМО» и ЭВМ). Исходными данными для расчета являлись: 1) рецептура СЦО или формула на 1 кг; 2) энтальпия образования состава; 3) условия горения состава. Расчеты проводили для давления 0,1 МПа.

Образцы для испытаний готовили методом глухого или проходного прессования.

Определение дымообразующей способности СЦО проводили в дымовой камере объемом 8 м3, база измерения 1м.

Перемешивание дыма осуществляли в течение 30 с. Массовую концентрацию дыма определяли путем осаждения аэрозольных частиц на волокнистый фильтр АФА-ФП.

Результаты исследований

Проведены теоретические и экспериментальные исследования штатных, патентных и рекомендуемых СЦО. В табл. 1 приведены результаты исследований составов цветных огней различных групп. Штатные составы красного огня имеют расчетную температуру горения от

1990 до 2730 К, при этом окислительный баланс изменяется от -9 до -23%, количество целевого продукта (ЭгСГ) изменяется в широком пределе - от 0,052 до 0,244 моль/кг.

Таблица 1 - Характеристика составов цветных огней

Составы Рецептура, % Окисли- тельный баланс Тгор, К Целевые продукты, моль/кг Wг, 3 дм Содержание в продуктах сгорания, моль/кг

С1 НС1

1 2 3 4 5 6 7 8

Штатные Зг(Ы0э)2 - 45,0 Мд -30,0 ГХБ -30,0 СФ340А -8,0 -22,8 1993 8гС1- 0,244 490,7 1,07х10"3 3,32х10-3

8г(Ы0эЬ-70,0 АМ -6,0 ГХБ -16,0 СФ0211А -8 -9,1 2729 8гС1- 0,052 280,9 7,5х10"2 2,03х10-1

Ва(Ы0э)2 -72,0 Мд -4,0 ГХБ -19,0 СФ-0211А -5,0 -8,4 2593 ВаСІ- 0,02э 323,1 8,32х10-2 1,93х10-1

Ва(Ы0э)2-57,0 Мд -18,0 ГХБ -19,0 СФ-0211 А -6,0 -22,2 2794 ВаСІ- 0,186 378,6 4,03x10 -2 2,19х10-1

Патентные 8г(Ы0э)2-25,0 ПП -42,0 ПВХ -12,0 АМ -20,0 ДФА -1,0 -38,3 3442 8гСІ- 0,2э9 193,3 4,49х10-1 4,07х10-1

Ва(Ы0э)2 -25,0 ПП -42,0 ПВХ -12,0 АМ -20,0 ДФА -1,0 -39,4 3430 ВаСІ- 0,089 846,9 5,26х10-1 5,10х10-1

Новые (пиропороховые с ЛД-70) 8г(Ы0э)2-э0 ПП -25 ЛД-70 - 15 А1 -2э ЫИ4С1 - 7 -35,5 3143 8гСІ- 0,э0э 585,9 6,94-10"2 2,17-10-1

Окончание таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8

Ва(Ы0з)2- 24 ПП -25 ЛД-70 - 15 А1 -29 N4401 - 7 -43,1 2741 Ва 0!-0,354 590,5 3,75-10-3 4,79-10-2

8г(ЫОз)2-30 ПП -21,5 ЛД-70 -13,5 А1 -23 N4401 -7 Уротропин-5 -44,4 2786 8г 0!-0,321 637,6 7,34-10-3 8,11-10'2

8г^0зЬ-30 ПП -21,5 ЛД-70 -13,5 А1 -23 N4401 -7 Бензойная кислота -5 -41,2 2926 8г 0!-0,328 627,4 1,76-10-2 1Д5-1С-1

Ва№Ь -24 ПП -21,5 ЛД-70 -13,5 А1 -29 N440! -7 Уротропин-5 -45,7 2544 Ва 0!-0,362 630,7 9,64-Ю4 2,76-10"2

Ва№Ь- 24 ПП -21,5 ЛД-70 -13,5 А1 -29 N4401 -7 Бензойная кислота -5 -42,4 2701 Ва 0!-0,429 619,8 2,84-10-3 4,18-10-2

Анализ термохимических свойств продуктов сгорания СЦО показывает, что вероятность образования хлорида стронция значительно больше, чем оксида стронция (К=ЛНхлОрИда/ АНоксида=14); для бария это отношение равно 1,6. Поэтому для составов зеленого огня кислород в пламени более «опасен», чем для составов красного огня (т.е. составы зеленого огня должны иметь более отрицательный окислительный баланс).

Потенциальным источником монохлорида является хлорид соответствующего металла (стронция или бария).

Патентный состав зеленого огня имеют аналогичную с составом красного огня рецептуру, количество целевого продукта (ВаОГ) в пламени составляет всего 0,089 моль/кг.

Из новых пиропороховых композиций наибольший «выход» целевого продукта обеспечивают СЦО, содержащие 40 % пороховой основы и 7 % хлорида аммония

Из металлических горючих лучшим является алюминий, он в большей степени образует оксиды и в меньшей хлориды (величина К для алюминия составляет 0,4). Для титана К=0,9; для магния - 1,7. Использование магния в большей степени будет «дезактивировать» целевой продукт.

Учитывая, что составы с магнием имеют и большую дымность (рис. 2), целесообразно применять в СЦО в качестве горючего алюминий.

доля металлического горючего

-•-1- Мд + «N03; -»-2 - Мд + Бг^03)2; -а-3 - Zr + «N03; -*-4 - А1 + Бг^03)2; -*-5 - Zr + Бг^03)2

Рис. 2 - Дымность металлизированных составов

В качестве хлорсодержащей добавки использовали поливинилхлорид (ПВХ), поли-хлорвиниловую смолу (ПВХС) и хлорид аммония.

Для композиции красного огня максимальное содержание целевого продукта (0,303 моль/кг) соответствует температуре горения около ~3100 К, окислительному балансу минус 35 % (рис. 3). Лучший запатентованный состав имеет содержание целевого продукта в 1,5 раза меньше.

Для состава зеленого огня (рис. 4) максимальное содержание целевого продукта (ВаС1- =0 ,354 моль/кг) соответствует температуре горения около 2700 К, окислительному балансу минус 43 %. Лучший запатентованный состав имеет содержание целевого продукта примерно в ~ 4 раза меньше.

При одинаковом содержании (7 %) композиции с хлоридом аммония имеют в 1,7 раза большее содержание целевого продукта (ВаСГ), чем композиции с ПВХ.

Замена алюминия на магний приводит к существенному уменьшению содержания ВаС1- (в пять раз) в продуктах сгорания. Кроме того, при использовании магния содержание вредных веществ (НО!, С1) в продуктах сгорания увеличивается примерно в 10 раз.

Экспериментально были исследованы СЦО на пиропороховой основе безметальные и металлосодержащие.

В условиях КБ ПО им. Чапаева были изготовлены шнуровые заряды диаметром 6 мм из составов красного (шифр ТКЛ-99)и зеленого (ТЗЛ-99) огней.

Оаямелыь* баланс Окислпвлышй баланс

Рис. 3 - Зависимость температуры горения, выхода целевого продукта (БгСІ), хлора и хлороводорода от окислительного баланса состава красного огня:П - характеристика для эталонного состава (патентного)

Рис. 4 - Зависимость температуры горения, выхода целевого продукта (ВаСІ), хлора и хлороводорода от окислительного баланса состава зеленого огня:П - характеристика для эталонного состава (патентного)

Рецептуры безметальных составов с ЛД-70:

ТКЛ-09 ТЗЛ-09

Пороховая крошка 47% Пороховая крошка 47%

ЛД-70 28% ЛД-70 28%

Нитрат стронция 15% Нитрат бария 15%

ПВХС 10% ПВХС 10%

Сжигание зарядов показало, что СЦО с ЛД-70 дают хорошую насыщенность пламени цветом, при этом они сгорают почти без дыма.

В дальнейшем было показано, что СЦО, содержащие в качестве горючего алюминий, трудно воспламеняются (табл. 2).

Для улучшения воспламеняемости составов возможна частичная до (5%) замена алюминия на магний. Такие составы горят устойчиво, цветность пламени составов красного огня на уровне штатных составов; у составов зеленого огня пламя более насыщенное. Дымность продуктов сгорания небольшая.

Таблица 2 - Характеристики металлсодержащих составов цветных огней с ЛД-70

Состав, % Скорость горения, мм/с Воспламенение Характер горения

ПП-40; Зг(Ы0э)2 — 30; АСД-4 - 23; N4401 - 7 0,9 Воспламеняется трудно (без воспламенительного состава) Горят устойчиво, фор-совое искрение, цветность пламени на уровне штатного

ПП-40; Эг^0з)2 - 30; АСД-4-18; МПФ-4 - 5; N4401 - 7 1,1 Воспламенение удовлетворительное Насыщенность цветом не изменилась, горение устойчивое

ПП-40; Ва^0з)2 - 24; АСД-4 - 29; N4401 - 7 0,9 Воспламеняются трудно Горят устойчиво, пламя более насыщенное, чем у известного состава

ПП-40; Ва^0з)2 - 24; АСД-4 - 24; МПФ-4 - 5; N4401 - 7 1,12 Воспламеняются хорошо (без воспламенительного состава) Горение не изменилось

Заключение

Термодинамические и экспериментальные исследования показали, что пиропорохо-вая основа с ЛД-70 может быть использована при разработке эффективных малодымных составов цветных огней безметальных и металлосодержащих.

Литература

1. 1 Шидловский, А. А. Основы пиротехники / А. А. Шидловский. - М.: Машиностроение, 1973. -320 с.

2. 2 Платов, Г. А. Пиротехник. Искусство изготовления фейерверков / Г. А. Платов. - М.: Изд-во Книжкин Дом, Изд-во Эксмо, 2004. - 320 с.

3. 3 Мадякин, Ф. П. Сигнальные и фейерверочные составы и изделия: учеб. пособие / Ф. П. Мадя-кин, Н. А. Тихонова, О. Ф. Тютюнник. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т., 2005. - 148 с.

© М. С. Резников - канд. техн. наук, ген. дир. ФГУП «ЧПО им. Чапаева»; Н. Е. Тимофеев - д-р

техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; А. С. Уголькова - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; Л. И. Казанская - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; В. Л. Гинзбург - зам. техн. дир. по НИОКР ФГУП «ЧПО им. Чапаева»; Р. А. Валеев - канд. техн. наук, полковник, зам. начальника ФВО.