способ получения пиротехнического аэрозольобразующего состава для тушения пожаров

Формула изобретения

Способ получения пиротехнического аэрозольобразующего состава для тушения пожаров, содержащий смешивание порошков (мас.%) нитрата калия 67-70 и дициандиамида 18 - 20 со спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы 9 - 12, которое проводят в два этапа, последующую провялку и гранулирование смеси, совмещенное с сушкой, отличающийся тем, что предварительно порошок нитрата калия сушат до массовой доли влаги не более 0,08% и растворяют фенолформальдегидную смолу в этиловом спирте при соотношении масс 60 : 40, а поэтапное смешивание проводят в следующей последовательности: порошок нитрата калия с раствором фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте, куда затем вводят дициандиамид, причем сушку гранулированной смеси проводят при температуре 30 - 45^oC.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к способу изготовления пиротехнического аэрозольобразующего состава для генерирования дисперсной огнетушащей смеси, который используется в генераторах огнетушащего аэрозоля при объемном тушении пожаров в замкнутых помещениях и объемах.

Уровень техники характеризуют аэрозольобразующие составы для тушения пожаров на основе нитрата калия (окислитель) в количестве 40-70 мас.%, полимерного горючего и различных специальных добавок (см. например, патенты РФ N 2096055, A 62 C 13/22, 1997, N 2060743 A 62 D 1/00, 1996, N 2022589, A 62 D 1/00, 1992, США N 3972820, кл. A 62 C 1/00, 1976).

Общим недостатком перечисленных составов является их структурная сложность, многокомпонентность, которая определяет практические трудности в оптимизации как качественного, так и количественного содержания, из-за неоднозначности решения паллиативной задачи по обеспечению функциональной надежности и универсальности в применении, простоты и безопасности промышленного производства при низкой себестоимости.

Более простыми и технологичными являются трехкомпонентные пиротехнические составы, содержащие нитрат калия, фенолформальдегидную смолу и специальную добавку (катализатор горения, аэрозольобразователь или упрочняющий наполнитель), описанные в изобретениях соответственно по патентам РФ кл. A 62 D 1/00, N 2080137, 1997, N 2116095, 1998, N 2046614, A 62 C 37/00, 1995, и а.с. N 1445739, A 62 D 1/00, 1988.

По технической сущности наиболее близким является пиротехнический состав, который содержит, мас. %: 54 - 75 нитрата калия (окислитель), 4 - 10 фенолформальдегидной смолы (горючего связующего) и 15 - 42 дициандиамида (газоаэрозольобразователя) - патент РФ N 2046614.

Этот пиротехнический состав промышленно используется в технических средствах для тушения пожаров, при изготовлении газогенераторов в порошковых огнетушителях.

Недостатком известного состава является неудовлетворительная полнота сгорания компонентов, что ограничивает применение в закрытых объемах и непроветриваемых помещениях из-за токсичности генерируемых газоаэрозольных продуктов с высокой температурой, для снижения которой необходимо дополнительно использовать охладители, повышающие потребительскую стоимость и усложняющие производство.

Наиболее близким аналогом предлагаемому способу приготовления пиротехнического аэрозольобразующего состава для тушения пожаров является описанный в патенте РФ N 2101054, A 62 C 3/00, опубл. 10.01.98, в бюл. N 1, который содержит смешивание порошков (мас.%) нитрата калия (67 - 72), горючего связующего - фенолформальдегидной смолы (8 - 12) и газоаэрозольобразователя - дициандиамида (16 - 25), причем перед смешиванием компонентов готовят раствор горючего связующего в смеси этилового спирта с ацетоном в соотношении (30 - 50): (70 - 50) и полученный раствор смешивают с порошкообразным нитратом калия и дициандиамидом при подаче раствора не менее чем за два приема равными порциями до достижения равномерного распределения всех компонентов во всей массе смеси с последующими провялкой и грануляцией смеси с одновременной сушкой при 20 - 70^oC до достижения содержания влаги и летучих не более 1% и достаточной сыпучести гранулированного состава при объемном дозировании.

Пиротехнический аэрозольобразующий состав, описанный в прототипе, совпадает с предложенной оптимизированной композицией по структурным компонентам и долевому содержанию ингредиентов (мас.%):

Нитрат калия - 67 - 70

Фенолформальдегидная смола - 9 - 12

Дициандиамид - 18 - 20

Недостатком известного способа является его нетехнологичность из-за повышенного содержания фенола в рабочем помещении, высокой концентрации вредного летучего растворителя, содержащего ацетон, который имеет относительно низкую температуру вспышки, что повышает степень опасности производства.

Длительный процесс сушки готового гранулированного продукта увеличивает технологический цикл и потребную производственную площадь.

Пиротехнический состав, получаемый по известной технологии, не обеспечивает стабильности горения и, как следствие, функциональной надежности пожаротушения из-за флегматизирующего действия содержащейся влаги в исходных ингредиентах состава, а также характеризуется неполнотой сгорания и токсичностью.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение технологичности и безопасности производства, а также повышение функциональной надежности состава и расширение области его использования при увеличении эффективности пожаротушения за счет повышения содержания высокодисперсной фазы конденсированных частиц аэрозоля, которые вследствие их большой удельной поверхности являются эффективным ингибитором горения..

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе получения пиротехнического аэрозольобразующего состава для тушения пожаров, содержащем смешивание порошков (в мас.%) нитрата калия (67 - 70) и дициандиамида (18 - 20) со спиртовым раствором фенолформальдегидной смолы (9 - 12), которое проводят в два этапа, последующие провялку и гранулирование смеси, совмещенное с сушкой, по предложению авторов, предварительно порошок нитрата калия сушат до массовой доли влаги не более 0,08% и растворяют фенолформальдегидную смолу в этиловом спирте при соотношении масс 60:40, а поэтапное смешивание проводят в следующей последовательности: порошок нитрата калия с раствором фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте, куда затем вводят дициандиамид, причем сушку гранулированной смеси проводят при температуре 30 - 45^oC.

Отличительные признаки позволили оптимизировать количественное содержание известных компонентов пиротехнического состава, обеспечивающие улучшение основных характеристик по целевому назначению без ухудшения технологических его качеств, снизить содержание токсических продуктов (CO, NH₃, и HCN) в генерируемой огнетушащей смеси путем создания практически необходимого кислородного баланса, то есть выбрать соотношение компонентов, близкое к стехиометрическому, что дает возможность использовать состав в закрытых объемах.

Кислородный баланс в огнетушащей смеси обеспечивается относительным повышением содержания в композиции фенолформальдегидной смолы и нижнего предела диапазона доли нитрата калия.

Уменьшение содержания в составе дициандиамида снижает токсичность продуктов сгорания огнетушащей смеси при использовании в закрытых объемах и непроветриваемых помещениях.

Снижение содержания в составе дициандиамида менее 18 мас.% приводит к росту температуры тушащей газоаэрозольной смеси, что может служить причиной вторичного возгорания органических материалов в защищаемом объеме, а также приводит к уменьшению содержания дисперсной фазы огнетушащей смеси.

Повышение содержания дициандиамида больше 20 мас.% не дает заметного снижения температуры газоаэрозольной смеси, но снижает долю активных компонентов пиротехнического состава. При этом содержание ингибиторов горения, в частности аммиака, превышает предельно допустимую концентрацию в закрытом объеме, что создает дополнительные трудности по их нейтрализации, например, комбинированным тушением с водой, которая свяжет аммиак:

MH₃+H₂--->NH₄OH

При содержании фенолформальдегидной смолы в композиции менее 9 мас.% образуется положительный кислородный баланс и, следовательно, имеет место образование (выделение) в продуктах сгорания пиротехнического состава свободного кислорода, что приводит к снижению теплотворной способности, а недостаточная теплотворная способность приведет к нестабильности горения, при этом газогенерирующий заряд из этого состава имеет неудовлетворительную механическую прочность из-за дефицита связующего.

Увеличение доли фенолформальдегидной смолы более 13 мас.% приводит к повышению температуры огнетушащей смеси и нарушению кислородного баланса в сторону отрицательных значений с образованием большого количества конденсированного остатка продуктов осмоления органической составляющей и, как следствие, к снижению лгнетушевой способности.

Предложенные режимы и приемы способа позволили усовершенствовать технологию по прототипу и качественно улучшить основное действие изготовленного пиротехнического состава.

Предварительная сушка окислителя обеспечила стабильность горения состава, то есть его функциональную надежность.

Растворение горючего связующего в чистом этиловом спирте повысило безопасность и технологичность в промышленном производстве.

Оптимизированное массовое соотношение фенолформальдегидной смолы и этилового спирта в растворе обеспечивает возможность равномерного распределения в объеме механическим перемешиванием всех компонентов композиции.

Температурный диапазон сушки приготовленной смеси позволяет максимально интенсифицировать процесс удаления излишков влаги и летучих при минимуме энергозатрат.

Каждый существенный признак сам по себе известен, но их новая устойчивая совокупность создает новый эффект качества, сверхэффект, не присущий признакам в разобщенности.

Предложенное техническое решение не известно по доступным источникам информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалистов пиротехники, пожарной безопасности, и может быть реализовано в условиях промышленного предприятия, то есть соответствует критериям патентноспособности.

Предложенный состав приготавливается на имеющемся промышленном оборудовании по следующей технологической схеме последовательности операций смешивания компонентов доверительного диапазона их содержания, обеспечивающего адекватные характеристики.

Ниже описан пример выполнения изобретений, который имеет чисто иллюстративные цели и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы.

Для приготовления пиротехнического состава используют:

- нитрат калия KNO₃ по ГОСТ 19790-74 (окислитель);

- фенолформальдегидную смолу, материал, полученный синтетическим путем в результате поликонденсации фенола и формальдегида в присутствии катализатора (условная формула C₁₃H₁₂O₂, оптимальной марки СФ-0112А-50, ОСТ В841467-77 с температурой каплепадения 120 - 150^oC (горючее связующее);

- дициандиамид C₂H₄N₄, технический ГОСТ 6988-73, температура плавления 203 - 210^oC, синтетический кристаллический материал, выполняющий функцию газоаэрозольобразователя.

Предварительно нитрат калия измельчают сначала на дисковой дробилке, просеивают через сита с ячейкой 0,9 мм, а затем на вибромельнице до частиц размером 8+1 мкм.

После этого порошок нитрата калия сушат при температуре 40 - 80^oC до содержания влаги не более 0,08 мас.%. Предварительная сушка нитрата калия снижает содержание влаги в составе для исключения ее флегматизирующего действия при окислении горючего, что стабилизирует горение пиротехнического состава в аэрозольном генераторе.

Дициандиамид сушат до массовой доли влаги не более 0,7%, затем измельчают на дисковой дробилке, шаровой мельнице или др. известном оборудовании до размера частиц порошка 14+1 мкм в помещении с приточно-вытяжной вентиляцией при температуре 16 - 35^oC.

Измельченную и просеянную фенолформальдегидную смолу, содержащую влагу до 1,5 - 2,0 мас.%, засыпают в смеситель с этиловым спиртом (при соотношении масс 60:40) и в течение 1,0 - 1,5 ч перемешивают со скоростью 80 - 85 оборотов в минуту при температуре 40 - 60^oC.

Растворение фенолформальдегидной смолы в чистом этиловом спирте обеспечивает равномерное распределение активных компонентов смеси в объеме состава при максимальном поверхностном контакте окислителя и горючего, что унифицирует основное действие зарядов, изготовленных из одной партии состава.

Использование чистого этилового спирта в качестве растворителя смолы повышает безопасность, так как температура вспышки повышается и снижается летучесть, сравнительно со спирто-ацетоновой смесью по известной технологии по прототипу, причем пары этилового спирта не токсичны.

Подготовленные компоненты смешивают поэтапно в смесителе с лимитированными зазорами: между лопастями и дном 2,4 мм, между лопастями и корпусом смесителя - 2,5...2,8 мм в следующей последовательности.

Соотношение компонентов для смешивания выбирают номинальным, мас.%:

Нитрат калия - 70

Фенолформальдегидная смола - 11

Дициандиамид - 19

Навеску измельченного и высушенного нитрата калия засыпают в приготовленный раствор фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте и перемешивают в течение 5 минут, затем вводят порошок дициандиамида и перемешивают далее в течение 10 - 15 минут.

Перемешивание окислителя и горючего непосредственно обеспечивает максимальный контакт активных компонентов пиротехнического состава.

Приготовленную массу при перемешивании обдувают воздухом комнатной температуры с избыточным давлением 1 кг/см² в течение 2,0 часов в вытяжном шкафу - провяливают массу, в результате чего удаляется спирт.

Далее массу гранулируют через калибровочную сетку с ячейкой 1,2 - 2,0 мм. Гранулы раскладывают на сетчатых поддонах в сушильном шкафу и сушат в течение 4 часов при температуре 30 - 45^oC, контролируя долю влаги (0,08 мас. %) и летучих не выше 0,7 мас.%, всего - не более 0,8 мас.%.

Сушку состава проводят в узком доверительном диапазоне промышленной технологии, гарантирующей адекватные характеристики готового продукта. Пределы температурного диапазона ограничены по следующим соображениям: не ниже 30^oC, чтобы ускорить процесс, но не выше 45^oC для сокращения энергозатрат.

Для практического использования приготовленного пиротехнического состава при объемном тушении пожаров генерируемой газоаэрозольной смесью из гранул состава прессуют цилиндрический заряд.

При изготовлении пиротехнического заряда предложенного состава необходимо соблюдать требования безопасности по ОСТ В-84-1786-79, обеспечив в воздухе рабочей зоны производственных помещений предельно допустимые концентрации веществ, в частности:

пыли фенолформальдегидной смолы, не более - 6 мг/м.куб

паров фенола, выделяемых смолой, не более - 0,3 мг/м.куб

пыли нитрата калия, не более (в соответствии с ГОСТ 12.1005-88) - 5 мг/м.куб

Сравнительные испытания известного и предложенного составов показали, что новый состав имеет лучшую огнетушащую способность и более экологически чист по генерируемым газоаэрозольным продуктам, что определяет предпочтение для эффективного использования в закрытых объемах, то есть новый продукт характеризуется функциональной надежностью и более широкой областью применения.

Состав по изобретению технологичен в приготовлении, безопасен при эксплуатации и функционален: обеспечивает эффективное тушение пожаров в замкнутом пространстве за счет повышения удельного выхода генерируемых аэрозольных частиц и газов при полноте сгорания композиции без образования опасных для жизнедеятельности человека концентраций вредных веществ.

Коэффициент использования состава повысился за счет увеличения выхода дисперсной фазы в аэрозоль при уменьшении несгоревшего остатка и выброса несгоревших частиц в пламягасящий газоаэрозольный поток.

Предложенные технические решения по пиротехническому аэрозольобразующему составу для тушения пожаров и способу его изготовления образуют группу изобретений, объединенный единым замыслом, который обеспечил решение поставленной технической задачи, имеющей целевую социальную направленность.