JP2005119896A - 赤外線遮蔽発煙組成物 - Google Patents
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Abstract
煙生成剤の主剤として赤リンを用いた赤外線遮蔽発煙組成物において、赤外線の吸収効率を改善(煙濃度を向上)し、可視光線波長域はもとより赤外線波長域で遮蔽効果が著しく高く、特に8〜12μmの遠赤外線波長域で赤外線の透過性が著しく低下する。
【解決手段】
赤リンと、硝酸塩、硫酸塩、過硫酸塩または酸化物から選ばれる酸化剤と、金属粉と、エネルギーバインダとを有し、例えば、赤リン55〜75重量%と、酸化剤5〜30重量%と、金属粉5〜10重量%と、エネルギーバインダ5〜20重量%とから成る。ここで、エネルギーバインダは、GAP(Glycidyl azide polymer)、BAMMO(3,3-bis(azido methyl)methyloxetane)またはAMMO(3-azido metyl-3-methyloxetane)から選ばれ、酸化剤は、明礬である。
Description
具体的には、対象物の発する赤外線に対する探知から所定時間の間免れるカムフラージュに利用したり、また、金融施設や対象物などのエリアにおける保護物件を煙により保護する際、侵入者による赤外線透視を防止するために利用する。
これら発煙組成物は、可視光遮蔽性が優れており、発煙飛しょう体、または信号用煙薬として広く用いられている。
これらの問題を解決するために、従来、赤外線遮蔽に有効な発煙組成物として、赤リン、金属粉およびセシウム化合物などの組成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ここでは、対象物から発生した赤外線は、CO2および水蒸気のような大気成分により一定の波長の赤外線は選択的に吸収されるので、赤外線の探知装置は、0.7〜1.5μm、2〜2.5μm、3〜5μmおよび8〜12μmにあるいわゆる大気の「窓」で有利に作動する。8〜12μmの範囲において、煙、もやおよび通常の煙による妨害が最小となるので、特に8〜12μmの範囲で赤外線放射の高い吸収または反射に有効な発煙組成物が要望されている。
しかしながら、セシウム化合物を添加すると、一定の波長の赤外線、特に3〜5μmもしくは8〜12μmの波長を有する赤外線の透過性が著しく低下することが何に起因するのか従来確認されておらず、原因を解明すべくセシウム塩の近赤外線範囲の振動、吸収現象などの検討が為されたようであるが、十分な理論を見い出すことはこの先の実験にゆだねるとされている。
この赤リンは、入手も容易であり、かつ経済的にも安価なので、赤外線波長域で遮蔽効率を高くすることができれば、赤外線遮蔽発煙組成物としては優れたものになると考えられ、遮蔽効率を改善することが課題であった。
このような従来のバインダは、圧縮成型体の形状を維持するための役目を持つもので、赤リンと発熱剤の反応により煙を効率よく生成するためには本来不要のものであり、これを添加させることにより、赤リンと発熱剤の反応温度を低下させ、逆に、リン酸の生成を阻害するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、この中で一番大きい有効な要因が赤外線の吸収であることに着目し、煙生成剤の主剤として赤リンを用いた赤外線遮蔽発煙組成物において、赤外線の吸収効率を改善し、可視光線波長域はもとより赤外線波長域で遮蔽効果が著しく高く、特に8〜12μmの遠赤外線波長域で赤外線の透過性が著しく低下する赤外線遮蔽発煙組成物を提供することにある。
ここで、硝酸塩としては、硝酸カリウム、硝酸バリウム、硝酸ナトリウムなどがあり、硫酸塩としては、硫酸カリウム、硫酸バリウム、硫酸ナトリウム、カリウム明礬、アンモニウム明礬などがあり、過硫酸塩としては、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸バリウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウムなどがあり、酸化物としては、二酸化マンガン、酸化第二鉄、二酸化珪素などがある。また、金属粉としては、マグネシウム、アルミニウム、珪素などがある。
赤外線遮蔽は、煙濃度に大きく影響され、煙濃度が高い程、遮蔽性能が向上することが明らかである。そこで、煙濃度を高めるためには、次の1)〜3)が考えられる。
2)単位時間あたりの発煙量の増加、すなわち、煙は、一定の空間に蓄積される訳でなく流動的であり、一定の空間の煙濃度を高めるためには、単位時間あたりの発煙量(燃焼時間)を向上させる必要がある。
3)発煙剤全体の質量の増加、すなわち、組成に拘わらず、薬量を増加すれば発煙量が増加することは明らかである。しかし、製品を考える場合、薬量が少なく費用対効果の高いものが必要である。
先ず、赤リン55〜75重量%について説明する。1)の理由から、赤リン含有量が多い方が好ましいが、その分、赤リンの反応に必要な熱量を供給する酸化剤、金属、エネルギーバインダの量が減少してしまうため、燃焼中断や極端に燃焼時間が長くなり、2)の理由のように単位時間当たりの発煙量(煙濃度)が減少して、その結果、遮蔽性能が落ちてしまう。その上限を、実験の結果から75%とし、下限55%については、特許文献1に開示されており比較例とした比較例B(赤リン60%)に対して、エネルギーバインダを用いることにより、赤リン55重量%で同等の発煙量を有し、燃焼時間も短くなることから、範囲を決定した。
請求項4に係る赤外線遮蔽発煙組成物は、酸化剤が、明礬である。明礬には、アンモニウムアルミニウム明礬、カリウムアルミニウム明礬などがある。
煙生成剤の赤リンは、次の通り反応する。
従って、好ましい赤外線遮蔽発煙組成物は、高濃度のリン酸を多量に発生させるために、赤リンの反応率を高めること、また、赤リンの含有量をできる限り多くすることが必要である。
そして、硝酸塩などの酸化剤と、GAPなどのエネルギーバインダとでマグネシウムあるいはアルミニウムなどの金属粉が酸化され、この時の発熱によって赤リンが気化し、大気中の酸素と化合して、赤リンが効率よく燃焼し、酸化リンが生成することを見い出した。
硝酸塩などの酸化剤と、GAPなどのエネルギーバインダによりマグネシウムまたはアルミニウムなどの金属粉が酸化され、この時の発熱によって赤リンが気化し、大気中の酸素と化合し、赤リンが燃焼し、酸化リンが生成し、酸化リンになった後、水分を取り込んでリン酸を生成する。リン酸が吸収に影響を及ぼすことは、図1に示した赤外線スペクトルの吸収特性から明らかであり、このリン酸濃度を増すことが、赤外線吸収効果を高めることとなる。
また、エネルギーバインダと従来使用されているバインダの自己熱分解性の大小を比較するため、アルミニウム25重量%および硝酸カリウム重量65%に、エネルギーバインダとしてGAP10重量%を添加した組成物と、アルミニウム25重量%および硝酸カリウム重量65%に、従来バインダとしてHTPB10重量%(水酸基末端ポリブタジエン)を添加した組成物とを用意し、これらの燃焼温度を計算した。
一方、従来バインダは、反応熱がエネルギーバインダに比べ低いので、未反応状態の赤リンも多くなり、リン酸へ転換する比率が低下することにより、それにつれて赤外線吸収率も低下した。
表2は、本発明の実施例1〜5と比較例A〜Eの組成を示す。
表3は、表2の実施例1〜5と比較例A〜Eについて、赤外線透過率、発煙濃度および燃焼時間を示す。
表2に示す通り、実施例1〜5には本発明に係る赤外線遮蔽発煙組成物を用意した。また、実施例1〜5は、エネルギーバインダとしてGAPを用いた。
各実施例の発煙組成物は、エネルギーバインダとしてGAPに溶剤を加えて粘度を低くし、さらに、煙生成剤として赤リン、発熱剤として酸化剤であるカリウムアルミニウム明礬および金属粉であるマグネシウムとを入れて攪拌混和した。
そして、この発煙組成物を金型に入れ、プレスで圧搾成形し、ペレット(4g円柱ペレット)状に製造した。
また、比較例A,D,Eは、各実施例と同じ成分を用い、比較例Bは、酸化剤に硝酸セシウムとバインダにポリブタジエンを用い、比較例Cは、バインダにポリブタジエンを用いた。これら比較例A〜Eも製造方法においては実施例1〜5と同様とした。
赤外線透過率は、黒体炉(熱源)とIRスペクトルアナライザーとの距離を1mとし、発煙組成物を燃焼させる前のデータ(Io)を得た後、完全に燃焼させ燃焼チャンバ内の煙をファンで攪拌し、煙が均一になったところで、データ(1)を得て、この燃焼前後の強度比から算出している。
表3は、実施例1〜5と比較例A〜Eの組成を燃焼させた際の赤外線透過率、発煙濃度および燃焼時間を示す。ここで、発煙濃度の高い数値は赤外線吸収の効果が高いものである。
(透過率)=exp(−α・C・L)×100
ここで、expは、指数関数exponentialを表す。
赤リン、酸化剤、金属粉およびバインダの配合比が等しく、バインダの種類がGAP(エネルギーバインダ)とポリブタジエンとで異なる例の場合、赤リンを有効範囲(65重量%)に入れGAPを用いた実施例2は、赤外線透過率57.9%、発煙濃度(g/m3)1.418であり、赤リンの量を有効範囲(65重量%)に入れポリブタジエンを用いた比較例Cは、赤外線透過率63.5%、発煙濃度(g/m3)1.181となり、エネルギーバインダのGAPを用いた実施例2の方が、発煙濃度で20%向上した。
また、赤リンの配合を異なる量にしGAPを12重量%と等しく配合した例の場合、赤リンを75重量%入れた実施例5は、発煙濃度(g/m3)1.643であり、赤リンを65重量%入れた実施例2は、発煙濃度(g/m3)1.418となり、赤リンを55重量%入れた実施例1は、発煙濃度(g/m3)1.190となり、赤リンの配合量を増加させると発煙濃度が向上した。
実施例1と比較例Aでは、実施例1の方が燃焼時間が早い。これは、両方ともエネルギーバインダであるGAPを同量(12重量%)としているが、比較例Aは、酸化剤の量を実施例1より10重量%も多く入れたことが主因である。このことは、GAPの量を同量(12重量%)とした実施例2(酸化剤18重量%)と実施例5(酸化剤8重量%)でも同様なことがいえる。
また、実施例2と比較例Cでは、バインダの種類以外、他の成分および配合量は同じであるが、実施例2の方で燃焼時問が早い。これは、実施例2はエネルギーバインダであるGAP(12重量%)を用い、比較例Cは一般のバインダであるポリブタジエン(12重量%)を用いたことが主因である。
また、比較例Eは、赤リンの配合量を80重量%としたため、GAPおよび酸化剤の配合量が少なくなったことが主因と考えられる。
次に、全体考察を述べる。
同じ赤リンの含有量でも、バインダをGAPのようなエネルギーバインダを用いることで、発煙濃度(赤外線吸収)をより一層高められて赤外線透過率が低くなり、赤外線遮蔽性能の向上に影響を与えることが分かった。
また、本発明に用いるGAPは、赤外線透過率を低くし、発煙濃度(赤外線吸収)をより一層高めることを目的としているので、その効果を維持するためにには、その含有量は20重量%以下であることが分かった。
よって、赤外線遮蔽発煙組成物として本発明の主たる目的である赤外線遮蔽効果を向上させるため、煙生成剤である赤リンを如何に効率よく燃焼(反応)させて、煙濃度を高め、赤外線を吸収させるかは、赤リン−酸化剤−金属粉−エネルギーバインダとの組合せおよび配合量を適宜調整するかであることが分かった。
Claims (4)
- 赤リンと、硝酸塩、硫酸塩、過硫酸塩または酸化物から選ばれる酸化剤と、金属粉と、エネルギ−バインダとを有することを特徴とする赤外線遮蔽発煙組成物。
- 前記エネルギーバインダは、GAP(Glycidyl azide polymer)、BAMMO(3,3-bis(azido methyl)methyloxetane)またはAMMO(3-azido metyl-3-methyloxetane)から選ばれることを特徴とする請求項1記載の赤外線遮蔽発煙組成物。
- 赤リン55〜75重量%と、酸化剤5〜30重量%と、金属粉5〜10重量%と、エネルギーバインダ5〜20重量%とを有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の赤外線遮蔽発煙組成物。
- 酸化剤は、明礬であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の赤外線遮蔽発煙組成物。
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JP2007161500A (ja) * | 2005-12-09 | 2007-06-28 | Nippon Koki Co Ltd | 赤リン系発煙組成物およびその製造方法 |
CN113554694A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-10-26 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种烟幕释放过程中红外有效遮蔽面积的获取方法和系统 |
-
2003
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