способ изготовления состава

Формула изобретения

Способ изготовления состава для энергетических и газогенерирующих устройств, включающий подготовку и смешивание водорастворимого полимерного связующего и горючего веществ и последующее формование полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве горючего вещества используют непирофорный металлосодержащий порошок, который представляет собой порошкообразный алюминий или магний или сплав алюминия с магнием, а в качестве водорастворимого полимерного связующего используют раствор полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте, при этом на стадии подготовки компонентов непирофорный металлосодержащий порошок измельчают при смешивании с водорастворимым полимерным связующим для обеспечения его химической активности в реакции с водой и предотвращения окисления кислородом воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления гидрореагирующих составов, предназначенных, в частности, для использования в энергетических и газогенерирующих устройствах, а также для термохимической обработки скважин с целью повышения их дебета и для очистки труб или систем трубопроводов.

Известен способ изготовления состава, включающий: подготовку компонентов, которая заключается в их измельчении и сушке; приготовление порошкообразного состава путем перемешивания компонентов; гранулирование; сушку и уплотнение [А.А.Шидловский. Основы пиротехники. М.: “Оборонная промышленность”, 1954, с.14-15].

Недостатком известного способа является его пожаро- и взрывоопасность при приготовлении порошкообразного состава.

Известен способ изготовления состава, заключающийся в подготовке и смешивании связующего и горючего веществ с последующим формованием полученной смеси [Краткий энциклопедический словарь. “Энергетические конденсированные системы” М.: “Янус-К”, 1999, с.457-459].

Недостатком известного способа является высокая взрывопожароопасность.

Наиболее близким по технической сущности и числу общих признаков является способ изготовления состава, принятый в качестве прототипа и заключающийся в подготовке, смешивании водорастворимого полимерного связующего и пирофорного металлосодержащего горючего с последующим формованием полученной смеси. При этом на стадии подготовки металлосодержащего вещества осуществляют его предварительное смешивание с водорастворимым полимерным связующим, предотвращая, тем самым, окисление металла кислородом воздуха. В качестве водорастворимого полимерного связующего может использоваться раствор полиэтиленоксида в диоксане или в метиловом спирте, а в качестве пирофорного металлосодержащего вещества - ультрадисперсный порошкообразный алюминий, магний или сплав алюминия с магнием [Патент РФ по заявке №2000115019 от 15.6.2000/Способ изготовления состава/ Мазалов Ю.А. 2000].

Сущность заявленного способа заключается в том, что для повышения эффективности и безопасности при изготовлении состава, заключающемся в подготовке, смешивании водорастворимого полимерного связующего и металлосодержащего горючего и последующем формовании полученной смеси, в качестве металлосодержащего горючего используется непирофорное металлосодержащее вещество, при этом на стадии подготовки металлосодержащего вещества осуществляют его предварительное измельчение в процессе смешивания с водорастворимым полимерным связующим для повышения химической активности в реакции с водой и предотвращения окисления металла кислородом воздуха.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение эффективности и безопасности изготовления и эксплуатации.

Технический результат от использования заявленного способа заключается в обеспечении высокой реакционной активности металлосодержащего горючего и взрывопожаробезопасности как на стадии изготовления гидрореагирующего состава, так и при длительном хранении изделия.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления гидрореагирующего состава, включающем подготовку и смешивание компонентов в виде водорастворимого полимерного связующего и горючего и последующее их формование, согласно изобретению в качестве металлосодержащего горючего используют непирофорные металлосодержащие вещества, а высокая химическая химическая активность непирофорного металлосодержащего горючего в реакции с водой обеспечивается за счет его предварительного измельчения в процессе смешивания с водорастворимым полимерным связующим для повышения химической активности в реакции с водой и предотвращения окисления кислородом воздуха.

В качестве связующего в известных составах используются нерастворимые в воде вещества, что исключает взаимодействие компонентов состава с водой. Поэтому в известные гидрореагирующие составы вводятся порошкообразные окислители, продукты разложения которых необходимы для зажигания (активации) частиц металла, что обеспечивает протекание вторичной химической реакции металла с водой [А.А.Шидловский. Основы пиротехники, М.: Оборонная промышленность, 1954, с.47].

Известно [Краткий энциклопедический словарь. “Энергетические конденсированные системы” М.: “Янус-К”, 1999, с.379], что порошкообразные металлы с увеличением дисперсности более активно взаимодействуют с кислородом воздуха. Начиная с некоторого критического диаметра, создаются условия, при которых скорость выделения тепла за счет окисления металла начинает превышать скорость теплоотвода. Срыв теплового равновесия неизбежно приводит к самовозгоранию порошка. При нормальных условиях в воздушной среде критические параметры самовозгорания, в первую очередь, будут определяться размером частиц. Например, критический размер алюминия, при котором порошок становиться пирофорным, составляет 0,7-0,85 мкм.

Порошкообразные металлические порошки для исключения самовозгорания пассивируют медленным окислением на стадии получения порошков или капсулируют водонерастворимыми полимерными пленками (например, кремнийорганическими). Это обеспечивает безопасность производственного процесса изготовления составов, но приводит к существенному снижению энергетических характеристик и практически исключает прямое взаимодействие металлического горючего гидрореагирующих составов с основным окислителем - водой [Краткий энциклопедический словарь. “Энергетические конденсированные системы” М.: “Янус-К”, 1999, с.183].

Применение водорастворимых полимерных пленок для капсулирования пирофорного металлосодержащего порошка обеспечивает сохранение его химической активности в реакции с водой и защищает от окисления в процессе изготовления состава и его эксплуатации [Патент РФ по заявке №2000115019 от 15.6.2000/Способ изготовления состава/ Мазалов Ю.А. 2000]. Таким образом, применение ультрадисперсных пирофорных металлосодержащих порошков путем их предварительного смешения с водорастворимыми полимерными связующими обеспечивает изготовление гидрореагирующих составов, их безопасную эксплуатацию и эффективное применение за счет прямого взаимодействия с водой. В то же время стоимость ультрадисперсных металлосодержащих пирофорных порошков [Мазалов Ю.А., Мелешко В.Ю., Павловец Г.Я. Моделирование и основы регулирования процесса горения гетерогенных конденсированных систем. - М.: ВА РВСН им. Петра Великого, 2001. 281 с.], получаемых энергозатратными и малопроизводительными способами (электровзрыв, плазменная переконденсация и др.), в 100 и более раз выше стоимости непирофорных высокодисперсных порошков, выпускаемых в промышленных масштабах. Кроме того, пирофорные порошки до их капсулирования водорастворимой пленкой являются опасным источником возгорания и требуют особых условий хранения.

В предлагаемом способе высокая химическая активность в реакции с водой (на уровне ультрадисперсных порошков) обеспечивается и для непирофорных металлосодержащих веществ путем их измельчения в среде водорастворимого полимерного связующего. При дроблении частицы разрушается сплошная защитная оксидная пленка, образованная в процессе получения непирофорных порошков, уменьшается размер частиц и происходит замена защитной оксидной пленки на водорастворимую. Таким образом обеспечивается возможность изготовления высокоэффективных гидрореагирующих составов на основе непирофорных порошков, выпускаемых в промышленных масштабах.

Из вышесказанного видно, что известные технические решения не позволяют достичь названного технического результата, в то время как в заявленном способе обеспечивается прямое взаимодействие с водой непирофорных металлических частиц путем их предварительного измельчения в среде водорастворимого полимерного связующего. Это дает возможность исключить из состава дорогостоящие и взрывопожароопасные ультрадисперсные металлосодержащие порошки.

Заявителем не обнаружено технических решений, содержащих операцию по обеспечению высокой химической активности в реакции с водой и предотвращению окисления кислородом воздуха непирофорного металлосодержащего горючего на стадии подготовки компонентов путем его измельчения при смешивании с водорастворимым полимерным связующим, не обнаружено также использование в качестве компонентов для приготовления гидрореагирующего пиротехнического состава непирофорных металлосодержащих горючих и водорастворимых связующих.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критериям изобретения “новизна” и “изобретательский уровень”.

Сущность заявленного способа заключается в том, что в процессе приготовления гидрореагирующего состава в качестве горючего используют непирофорные металлосодержащие вещества, например порошкообразный алюминий, магний, сплав алюминия с магнием, а в качестве связующего - водорастворимое полимерное связующее, например раствор (50-95%-ный) полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте. Кроме того, на стадии подготовки компонентов непирофорный металлосодержащий порошок измельчают при смешивании с водорастворимым полимерным связующим (при содержании связующего в смеси от 10 до 50%) для обеспечения химической активности в реакции с водой и предотвращения окисления кислородом воздуха.

В качестве примера реализации способа приводится процесс изготовления состава, где в качестве горючего компонента используется непирофорный высокодисперсный порошок алюминия ПА, который получают, например, методом распыления струей смеси инертного газа азота с кислородом (2-6%) [Энциклопедия неорганических материалов. - Киев: Высшая школа, 1977, т.1, с.61].

Средний размер частиц порошкообразного алюминия - 200 мкм, содержание основного металла - 99% мас.

Порошок алюминия хранится в герметичной таре и дополнительной подготовки не требует.

Водорастворимое полимерное связующее готовится в смесителе якорного или другого типа путем смешивания расчетного количества полимера (например, полиэтиленоксида) и растворителя (например, диоксана).

Порошок алюминия ПА загружается в измельчитель (например, шаровая мельница), в который предварительно вносится расчетное количество раствора водорастворимого полимера, например полиэтиленоксида в диоксане. Затем осуществляется непрерывное смешивание компонентов при комнатной температуре до пастообразного состояния с одновременным измельчением алюминиевого порошка.

Полученная паста формуется в гранулы путем проходного прессования через фильеры. Гранулирование проводится при комнатной температуре и постоянном вакуумировании для удаления избыточного количества летучего растворителя - диоксана.

В качестве примера реализации способа приводится процесс изготовления состава, где в качестве горючего компонента используется непирофорный высокодисперсный порошок магния, который получают, например, методом восстановления магния из обожженного магнезита или доломита [Энциклопедия неорганических материалов. Киев: Высшая школа, 1977, т.1, с.727].

Средний размер частиц порошкообразного магния 300 мкм, содержание основного металла - 99% мас.

Порошок магния хранится в герметичной таре и дополнительной подготовки не требует.

Водорастворимое полимерное связующее готовится в смесителе якорного или другого типа путем смешивания расчетного количества полимера (например, полиэтиленоксида) и растворителя (например, метилового спирта).

Порошок магния загружается в измельчитель (например, шаровая мельница), в который предварительно вносится расчетное количество раствора водорастворимого полимера, например полиэтиленоксида в метиловом спирте. Затем осуществляется непрерывное смешивание компонентов при комнатной температуре до пастообразного состояния с одновременным измельчением магниевого порошка.

Полученная паста формуется в гранулы путем проходного прессования через фильеры. Гранулирование проводится при комнатной температуре и постоянном вакуумировании для удаления избыточного количества летучего растворителя - метилового спирта.

В качестве примера реализации способа приводится процесс изготовления состава, где в качестве горючего компонента используется непирофорный высокодисперсный порошок сплава алюминия с магнием, который получают, например, методом распыления струей смеси инертного газа азота с кислородом (2-6%) [Энциклопедия неорганических материалов. - Киев: Высшая школа, 1977, т.1, с.61].

Средний размер частиц порошкообразного сплава алюминия с магнием - 200 мкм, содержание алюминия - 49% мас., содержание магния - 49%.

Порошок сплава алюминия с магнием хранится в герметичной таре и дополнительной подготовки не требует.

Водорастворимое полимерное связующее готовится в смесителе якорного или другого типа путем смешивания расчетного количества полимера (например, полиэтиленоксида) и растворителя (например, диоксана).

Порошок сплава алюминия с магнием загружается в измельчитель (например, шаровая мельница), в который предварительно вносится расчетное количество раствора водорастворимого полимера, например полиэтиленоксида в диоксане. Затем осуществляется непрерывное смешивание компонентов при комнатной температуре до пастообразного состояния с одновременным измельчением порошка сплава алюминия с магнием.

Полученная паста формуется в гранулы путем проходного прессования через фильеры. Гранулирование проводится при комнатной температуре и постоянном вакуумировании для удаления избыточного количества летучего растворителя - диоксана.

Использование предложенного способа позволяет обеспечить безопасное изготовление гидрореагирующих составов, которые могут найти применение в энергетических и газогенерирующих устройствах, а также для термохимической обработки скважин с целью повышения их дебета и для очистки труб или систем трубопроводов.