JP2009513480A - エネルギー発生方法 - Google Patents

Abstract

ハロゲンを含有する炭素、ホウ素、ケイ素および窒素化合物を他の化合物と高温で反応させることでエネルギーを発生させる。

Description

爆発物の開発は文明の歴史における重要事項であった。最も初期の爆発物は爆燃であり、これは黒色火薬によって始まる。Ｒｏｇｅｒ Ｂａｃｏｎは１３世紀に黒色火薬の調製を詳細に記述した。それは元々は銃器で用いられ、それが採掘で用いられるようになったのは１７世紀になってからである。

起爆による爆発物（ｄｅｔｏｎａｔｉｎｇ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ）の開発はＡｌｆｒｅｄ Ｎｏｂｅｌの研究を基にして１９世紀に起こった。Ｎｏｂｅｌ氏は、取り扱いが困難でありかつ輸送が危険である液体の代わりに吸着剤を用いて、これをニトログリセンと混合することに成功した。雷管の作用には敏感であるが、通常の衝撃には比較的敏感でない固形物質であるダイナマイトが開発された。

起爆による爆発物が開発されてから、爆発力と爆発性組成物および方法の安全性の両方を最大限にしようとする方向の努力が継続して行われている。硝酸アンモニウム−燃料油組成物は有効な爆発物でありかつ輸送に安全ではあるが、それが示す爆破エネルギーは相対的に控えめである。

高い反応熱および爆発エネルギーを発生させる手段を見つけだそうとして幅広く多様な高エネルギー反応が探求されてきた。公知のテルミット反応（この反応では酸化鉄とアルミニウムが反応して鉄とアルミニウムの酸化物が生じる）で発生し得る反応熱は１グラム当たり約０．９４キロカロリーでありそして約２２００℃の温度に到達する。加うるに、化学化合物が高温にさらされると急速に分解を起こすことも認識されている。また、ポリテトラフルオロエチレンとアルミニウムを圧力下で反応させると１グラム当たり約３．１６キロカロリー発生することも認識されている。

高エネルギーの反応体（この上に示した反応体を包含）は幅広く多様に知られているが、例外的なエネルギーをもたらす爆発方法を開発することに向けた努力が継続して行われている。

発明の要約
本発明は、ＴＮＴの爆発力（０．８８キロカロリー／グラム）より数倍大きい反応熱を発生させる方法を見いだしたことが基になっている。

具体的には、本発明は、ハロゲン化学結合を破壊させるに充分なエネルギーを伴わせて、
（ａ）一般式ＲＸ_（ｎ）［式中、Ｒは、炭素、ホウ素、ケイ素および窒素の中の少なくとも１種を含有する部分であり、Ｘはハロゲン含有部分であり、そしてｎは正の整数である］で表される少なくとも１種のハロゲン含有成分、および
（ｂ）アルミニウムおよび酸化アルミニウムを除く元素周期律表のＩＡからＶＩＡ族、遷移金属、ランタニドおよびアクチニドから選択される少なくとも１種の原子を含有して成る少なくとも１種の塩基成分、
を一緒にすることでエネルギーを発生させる方法を提供する。

発明の詳細な説明
本発明は、一般式ＲＸ_（ｎ）［式中、Ｒは、炭素、ホウ素、ケイ素および窒素の中の少なくとも１種を含有する部分であり、Ｘはハロゲン含有部分であり、そしてｎは正の整数
である］で表される幅広く多様なハロゲン含有化合物に適用可能である。この成分の大きさは幅広く多様であり得、単量体化合物から繰り返し単位を数千個有するコンプレックスな重合体（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｏｌｙｍｅｒｓ）に及び得る。また、この成分の組成も幅広く多様であり得る。このような化合物には、例えばフルオロカーボンおよびクロロフルオロカーボン、例えば溶媒および冷媒で典型的に用いられるそれら、ポリ塩化ビフェニル、塩素化ジオキシンばかりでなく通常は固体のハロゲン化材料、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびパーフルオロポリエーテルなどが含まれる。前記式に関して、本発明は、フッ素含有および塩素含有化合物を用いるのが特に熱力学に有効であることを見いだした。また、Ｒが炭素またはホウ素である化合物が特に効率が良いことも見いだし、従って、そのような化合物が好適である。Ｒが炭素であるハロゲン含有化合物は非常に高い熱力学的効率を示し、従って特に好適である。

本発明に従い、そのようなハロゲン含有化合物をこの上に定義した如き少なくとも１種の塩基成分と一緒にする。元素状材料ばかりでなくそれらとアニオンまたはカチオンの化合物およびそのような元素の合金、官能基、置換基、配位子、錯体、フリーラジカルおよびキレート化物（アルミニウム金属およびアルミニウムの酸化物を除く）を用いることができる。典型的なそのような化合物は、金属成分の酸化物、水素化物、硝酸塩、ホウ酸塩、アミド、アミン、塩素酸塩、水酸化物、アジ化物および燐酸塩である。これらの中で酸化物、水素化物および硝酸塩が特に便利で有効であることを見いだし、従って好適である。本方法の個々の用途によって、どの特定のハロゲン含有成分が最も有効でありかつどの塩基成分が最も有効であるかが決まる。そのような成分の材料を選択する時、当該材料の毒性および反応性およびそれらの個々の反応生成物を考慮に入れるべきである。使用すべき材料、量および条件を決める時、熱力学および物理的効果を完全に計算すべきである。

本発明に従い、ハロゲン含有化合物の中のハロゲン結合１種または２種以上を破壊させるに充分なエネルギーを伴わせて前記２成分を一緒にする。本分野の技術者に明らかであろうように、他の化学反応の場合と同様に、そのようなエネルギーの量は選択する特定の化合物、温度、量および当該成分の純度、調製方法、粒径および形状、分子量、熱容量、周囲条件およびエネルギー供給で用いる方法に伴って変わるであろう。例えば、通常手段で加熱する代わりにテルミット反応を用いることなどでもエネルギーを容易に供給することができる。その供給するエネルギーの形態は便利な如何なる形態であってもよく、それには熱、電気（例えば静電気、交流電流および直流電流を包含）、電磁放射線（例えばレーザーおよびマイクロ波放射線を包含）、原子放射線、圧力または他の化学的反応、例えば通常の爆発物、プライマーまたは起爆剤（ｄｅｔｏｎａｔｏｒｓ）などが含まれる。望まれない副生成物の生成を最小限にする目的で、エネルギーを実質的に瞬時に供給すべきである。古典的なテルミット反応を用いて本方法を開始させることができる。テルミット反応は、ハロゲン結合１種または２種以上を局所的領域内で破壊させるに充分なエネルギーを実質的に瞬時に伝達して本方法を開始させる。しかしながら、使用する具体的な化合物およびこの上に示した他の要因を考慮すると、使用可能なエネルギー供給技術はあまり激しくないものである。本分野の技術者に明らかであろうように、供給するエネルギーが充分でないと、エネルギーが適切な様式では供給されず、或は当該成分を実質的に化学量論的量ではない量で存在させると、必要な変換が完了せずかつ毒性化合物（様々な国際条約を違反する可能性のある化合物を包含）が生じる可能性がある。本方法を実施する時に特に安全予防策を考慮に入れるべきであることを注目することは重要であり、そのような予防策には、これらに限定するものでないが、起こり得る爆風効果を封じ込める貯蔵所、毒性物質の除去を確保する高空気流フード（４００ＣＦＭ以上）および目を明るい光およびフラグメントから保護する目保護が含まれる。

前記ハロゲン含有成分と塩基成分を一緒にする順は重要ではない。予備混合を実施した後にエネルギーを加えるか、最初にエネルギーを加えた後に混合を実施するか、或は混合
とエネルギー添加を同時に実施することで本方法を実施することができる。また、部分的なエネルギーの予備供給と予備混合を利用することも可能である。

本発明の１つの好適な態様では、当該ハロゲン含有化合物と当該塩基金属成分を実質的に化学量論的量で存在させる。しかしながら、別の好適な態様では、ハロゲン含有反応体または結合剤、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂などを過剰量で用いて本方法を実施することも可能であり、その場合、活性化温度に到達した時点でフッ素が基になったフリーラジカルが発生するが、それを次に他の目的で用いることができる。

本方法をまた塩基金属成分を過剰量で用いて実施することも可能であり、その場合には、前記ハロゲン含有化合物の実質的に全部がそれらの個々の金属ハロゲン化物に変換される。

本方法は多段階で実施可能であり、例えばＣ_４Ｆ_１０と水素化ホウ素（Ｂ_１０Ｈ_１４）を反応体として用いる場合、前記反応体を水素化リチウムで包む。エネルギーを、Ｃ_４Ｆ_１０と水素化ホウ素の混合物に、酸化鉄とアルミニウム金属を開始剤の存在下で接触させることによるテルミット反応を前記混合物の近くで開始させることで加える。その混合物は発熱的に反応して、反応体１グラム当たり約３．２５キロカロリーを発生する。この反応の生成物はＢＦ_３、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏである。その後、前記ＢＦ_３は二次反応で前記水素化リチウムと発熱的に反応し、それによって、反応した水素化リチウム１グラム当たり約２１．６４キロカロリー発生する。この反応の生成物はＬｉＦ、Ｂ_２Ｏ_３およびＨ_２Ｏである。

本方法はナノ粒子規模で使用可能であるばかりでなく通常のマクロおよびミクロ規模でも使用可能である。前記成分は高純度でなくてもよい。実際、本発明の１つの具体的用途では、埋立地および他の汚染された場所からハロゲン汚染物を除去することを可能にする。

本発明の方法で発生させたエネルギーは廃棄可能であるか或は幅広く態様な用途で使用可能であり、そのような用途には、高性能爆弾、焼夷弾、ロケット燃料、カートリッジおよび噴射剤の代替品、蒸気発生、燃料添加剤、腐食用途、化学反応前駆体、化学反応開始剤、ハロゲン含有部分の化学的回収および破壊、化学的レーザー、加熱装置、廃棄材料処分およびいろいろな武器が含まれる。

本発明を以下の具体的実施例で更に例示し、特に明記しない限り、部およびパーセントは重量である。

空気中でパーフルオロエタン（Ｃ_２Ｆ_６）が７４．２％で水素化リチウムが２５．８％の混合物を用いることで反応を起こさせる。前記混合物の近くで酸化鉄とアルミニウム金属を開始剤の存在下で接触させてテルミット反応を開始させることでエネルギーを前記混合物に加える。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約６．５キロカロリー発生する。この反応の生成物はＬｉＦ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏである。

パーフルオロエチレン（Ｃ_２Ｆ_４）と酸化マグネシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。Ｃ_２Ｆ_４を混合物の５６．３％の量で存在させかつ酸化マグネシウムを混合物の４３．７％の量で存在させる。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約１．４８キロカロリー発生する。この反応の生成物はＭｇＦ_２およびＣＯ_２である。

ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と酸化カルシウムと硝酸カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は２９．５％がＰＴＦＥで２３．９％が酸化カルシウムで４６．６％が硝酸カルシウムである。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約１．９５キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＦ_２、ＣａＯ、Ｎ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏある。

１，２，４トリクロロベンゼン（Ｃ_６Ｈ_３Ｃｌ_３）と酸化カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は６８．３％が１，２，４トリクロロベンゼンで３１．７％が酸化カルシウムである。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約２．６８キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＣｌ_２、ＣＵ_２およびＨ_２Ｏある。

２，４，６トリブロモ−ｎ−クレゾール（Ｃ_７ｌ−Ｉ_５Ｂｒ_３Ｏ）と炭酸カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は６９．７％が２，４，６トリブロモ−ｎ−クレゾールで３０．３％が炭酸カルシウムである。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約１．８６キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＢｒ_２、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏある。

２，３，５，６テトラクロロベンゾキノン（Ｃ_６Ｃｌ_４Ｏ_２）と炭酸カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は３６％が２，３，５，６テトラクロロベンゾキノンで６４％が炭酸カルシウムである。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約１．５５キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＣｌ_２、ＣＵ_２およびＨ_２Ｏある。

２，２ジクロロビフェニル（Ｃ_１２Ｈ_８Ｃｌ_２、ＰＣＢ４）と酸化カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は７９．９％が２，２ジクロロビフェニルで２０．１％が酸化カルシウムである。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約５．１キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＣｌ_２、ＣＵ_２およびＨ_２Ｏである。

Ｎ_２Ｆ_４と窒化ホウ素を反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は７５．９％がＮ_２Ｆ_４で２４．１％が窒化ホウ素である。前記混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約２．１３キロカロリー発生する。この反応の生成物はＢＦ_３およびＮ_２である。

Ｃ_４Ｆ_１０と水素化ホウ素（Ｂ_１０Ｈ_１４）を反応体として用いかつ前記反応体を水素化リチウムで取り囲む以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は８５．４％がＣ_４Ｆ_１０で１４．６％が水素化ホウ素である。Ｃ_４Ｆ_１０と水素化ホウ素の混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約３．２５キロカロリー発生する。この反応の生成物はＢＦ_３、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏであ
る。ＢＦ_３が７４．１％で水素化リチウムが２５．９％の比率になるように水素化リチウムを用いると、その後の二次反応でＢＦ_３が水素化リチウムと発熱的に反応し、それによって、反応した水素化リチウム１グラム当たり約２１．６４キロカロリー発生する。この反応の生成物はＬｉＦ、Ｂ_２Ｏ_３およびＨ_２Ｏである。

２クロロジベンゾ−ｐ−ジオキシン（Ｃ_１２Ｈ_７ＣｌＯ_２）と酸化カルシウムを反応体として用いる以外は実施例１の一般的手順を繰り返す。この反応には空気が必要である。前記混合物は８８．６％が２−クロロジベンゾ−ｐ−ジオキシンで１１．４％が酸化カルシウムである。この混合物は発熱的に反応し、それによって、反応体１グラム当たり約５．４６キロカロリー発生する。この反応の生成物はＣａＣｌ_２、ＣＵ_２およびＨ_２Ｏである。

Claims (20)

1. エネルギーを発生させる方法であって、ハロゲン−化学結合を破壊させるに充分なエネルギーを伴わせて、
   （ａ）一般式ＲＸ_（ｎ）［式中、Ｒは、炭素、ホウ素、ケイ素および窒素の中の少なくとも１種を含有して成る部分であり、Ｘはハロゲン含有部分であり、そしてｎは正の整数である］で表される少なくとも１種のハロゲン含有成分、および
   （ｂ）アルミニウムおよび酸化アルミニウムを除く元素周期律表のＩＡからＶＩＡ族、遷移金属、ランタニドおよびアクチニドから選択される少なくとも１種の原子を含有して成る少なくとも１種の塩基成分、
   を一緒にすることでエネルギーを発生させる方法。
2. Ｘがフッ素を含有して成る請求項１記載の方法。
3. Ｘが塩素を含有して成る請求項１記載の方法。
4. 成分（ａ）がフルオロカーボンである請求項１記載の方法。
5. 成分（ａ）がクロロフルオロカーボンである請求項１記載の方法。
6. 成分（ａ）がクロロカーボンである請求項１記載の方法。
7. 前記ハロゲン含有成分を化学量論的過剰量で存在させそして結果として生じる反応生成物がハロゲンが基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分のハロゲン化物を含有して成る請求項１記載の方法。
8. Ｘがフッ素を含有して成りそして結果として生じる反応生成物がフッ素が基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分のフッ化物を含有して成る請求項７記載の方法。
9. Ｘが塩素を含有して成りそして結果として生じる反応生成物が塩素が基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分の塩化物を含有して成る請求項７記載の方法。
10. 成分（ａ）がフルオロカーボンでありそして結果として生じる反応生成物がフッ素が基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分のフッ化物を含有して成る請求項７記載の方法。
11. 成分（ａ）がクロロフルオロカーボンでありそして結果として生じる反応生成物がフッ素が基になったフリーラジカル、塩素が基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分のハロゲン化物を含有して成る請求項７記載の方法。
12. 成分（ａ）がクロロカーボンでありそして結果として生じる反応生成物が塩素が基になったフリーラジカルおよび前記塩基成分の塩化物を含有して成る請求項７記載の方法。
13. 前記塩基成分を化学量論的過剰量で存在させそして結果としてハロゲン原子の実質的に全部が前記塩基成分のハロゲン化物に変換される請求項１記載の方法。
14. 成分（ａ）がフッ素含有化合物でありそして結果としてフッ素原子の実質的に全部が前記塩基成分のフッ化物に変換される請求項１３記載の方法。
15. 成分（ａ）が塩素含有化合物でありそして結果として塩素原子の実質的に全部が前記塩
    基成分の塩化物に変換される請求項１３記載の方法。
16. 成分（ａ）がフルオロカーボンでありそして結果としてフッ素原子の実質的に全部が前記塩基成分のフッ化物に変換される請求項１３記載の方法。
17. 成分（ａ）がクロロフルオロカーボンでありそして結果として塩素およびフッ素原子の実質的に全部が前記塩基成分のそれぞれのハロゲン化物に変換される請求項１３記載の方法。
18. 成分（ａ）がパーフルオロ−オクタン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏ−ｏｃｔｏｎｏａｉｃ ａｃｉｄ）を含有して成りそして結果として前記パーフルオロ−オクタン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏ−ｏｃａｔａｎｏｉｃ ａｃｉｄ）中のフッ素原子の実質的に全部が前記塩基成分のフッ化物に変換される請求項１３記載の方法。
19. 成分（ａ）が少なくとも１種のポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）を含有して成りそして結果として前記ＰＣＢ中の塩素原子の実質的に全部が前記塩基成分の塩化物に変換される請求項１３記載の方法。
20. 成分（ａ）が少なくとも１種のハロゲン化ジオキシンを含有して成りそして結果として前記ジオキシン中のハロゲン原子の実質的に全部が前記塩基成分のハロゲン化物に変換される請求項１３記載の方法。