RU2055063C1 - Способ изготовления аэрозолеобразующих пожаротушащих, кумулятивных и фейерверочных изделий - Google Patents

Abstract

Использование: при изготовлении аэрозолеобразующих пожаротушащих, кумулятивных и фейерверочных изделий из составов на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучими пластификаторами в режиме непрерывного процесса. Сущность изобретения: в гидродинамическом смесителе осуществляется смешение нитроцеллюлозы с суспензией нерастворимых компонентов в течение 3 - 600 с при температуре 10 - 60^oС и критерии перемешивания Re_м = 200 - 30000. Далее эта суспензия подается в гидродинамический смеситель большей мощности, где после подачи пластификаторов осуществляют обработку смеси при соотношении твердой и жидкой фаз 1 : 4 - 1 : 10 при температуре 10 - 70^oС в течение 300 - 5000 с при критерии перемешивания Re_м = 10000 - 70000. После этого состав в виде водной суспензии с концентрацией 8 - 16 мас.% подается в отжимной фильтр-пресс, где обрабатывается при давлении 0,03 - 0,2 МПа до влажности 6 - 12 мас.%. Далее отжатый состав смешивается с водорастворимыми добавками в шнековом смесителе. После этого осуществляется вальцевание состава при температуре валков 60 - 100^oС, скорости сдвига 900 - 1200 с^- 1 и гранулировании полотна на выходе из вальцов в пластины толщиной 1 - 8 мм. Далее осуществляется сушка до влажности 0,3 - 1,0 мас.%. После этого осуществляется экструзия состава при давлении 7,0 - 40,0 МПа. Состав, выходящий из экструзионной головки в виде непрерывного шнура, режется ножом на изделия. 1 табл.

Description

Изобретение относится к производству изделий на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучими пластификаторами, например нитроглицерином, диэтиленгликольдинитратом, триэтиленгликольдинитратом, их смесью, триацетином и другими, а именно к способам изготовления изделий из аэрозолеобразующих, кумулятивных и фейерверочных составов.

Известен способ изготовления изделий из баллиститных порохов путем смешения компонентов в водной среде, отжима от воды, вальцевания и прессования.

Этот способ характеризуется недостаточной однородностью смешения компонентов, высокой трудоемкостью и низкой производительностью.

Задачей изобретения является разработка высокопроизводительного непрерывного способа изготовления изделий из составов на основе пластифицированной нитроцеллюлозы, включая и составы с водорастворимыми компонентами с высокой однородностью распределения компонентов и, как следствие, высокими эксплуатационными характеристиками.

Это достигается тем, что в способе изготовления аэрозолеобразующих пожаротушащих, кумулятивных и фейерверочных изделий из составов на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучими пластификаторами, включающем смешение компонентов в водной среде, отжим состава, вальцевание, сушку и экструзию, при смешении компонентов в водной среде, осуществляют смешение нитроцеллюлозы с суспензией нерастворимых компонентов в течение 3-600 с при температуре 10-60^оС и критерии перемешивания Rе_м=200-30000, после чего в полученную смесь вводят эмульсию пластификаторов и перемешивают при массовом соотношении твердой и жидкой фаз, равном 1:4-1:10 при температуре 10-70^оС в течение 300-5000 с при критерии перемешивания Re_м=10000-70000, а при отжиме состава осуществляют подачу полученной суспензии состава с концентрацией 8-16 мас. под давлением 0,03-0,2 МПа в отжимной фильтр-пресс c последующим отжимом состава до влажности 6-12 мас. после чего осуществляют смешение состава с водорастворимыми добавками, при этом вальцевание осуществляют при температуре валков 60-110^оС, скорости сдвига 900-1200 с^-1 и гранулировании полотна на выходе из вальцов в пластины толщиной 1-8 мм, причем сушку осуществляют до влажности 0,3-1,0 мас. а экструзию осуществляют при давлении 7,0-40,0 МПа.

Предлагаемый способ позволяет совместить операцию смешения с операцией диспергирования, тем самым отпадает необходимость предварительного измельчения и диспергирования компонентов, так как при предлагаемых критериях перемешивания в процессе диспергирования происходит образование частиц нужного размера, кроме того, отсутствуют потери компонентов, неизбежные при ручных операциях.

Нижний предел температуры (10^оС), при которой происходит процесс смешения, обусловлен тем, что при меньшей температуре вязкость суспензий компонентов становится выше допустимых пределов, повышаются энергозатраты на диспергирование и перемещение таких суспензий, падает точность дозирования.

Верхний предел температуры (60^оС) в процессе смешения обусловлен тем, что при большей температуре неоправданно возрастают энергозатраты на нагрев жидкости, увеличивается испарение воды, что снижает точность дозирования суспензий.

Верхний предел времени смешения (600 с) ограничен тем, что при его превышении неоправданно снижается производительность оборудования, а также происходит образование частиц суспензий со столь малыми размерами, что происходит их потеря при отжиме массы в дальнейшем технологическом цикле.

Нижний предел продолжительности времени смешения (3 с) ограничен тем, что за меньшее время не происходит достаточного диспергирования, в суспензии присутствуют агрегаты частиц, которые снижают однородность распределения компонентов в массе за счет разброса частиц по размерам.

При критерии перемешивания Re_м, меньшем 200, не полностью происходит диспергирование и адсорбция поверхностно-активных веществ, в суспензии присутствуют агрегаты частиц.

При критерии перемешивания, большем 30000, требуются значительные энергозатраты и большая мощность оборудования, в результате неоправданно усложняется процесс.

Нижний предел массового соотношения твердой и жидкой фаз (1:4) суспензии нитроцеллюлозы и других компонентов обуславливается тем, что при смешении суспензии с пластификатором происходит увеличение вязкости смеси (за счет набухания частиц нитроцеллюлозы) при массовом соотношении твердой и жидкой фаз, меньшем 1:4, резко повышаются энергозатраты на перемешивание и транспортирование суспензии.

При массовом соотношении твердой и жидкой фаз, большем 1:10, неоправданно снижается производительность оборудования, из-за большой доли воды в смеси снижается вязкость массы и увеличивается ее неоднородность за счет седиментации компонентов с большей плотностью. Ввод эмульсии пластификаторов после ввода и гомогенизации всех остальных компонентов обусловлен тем, что при набухании и пластификации полимера, происходящей при контакте с эмульсией пластификатора, происходит значительное снижение удельной поверхности полимера и способности механически удерживать на своей поверхности частицы порошкообразных компонентов, поэтому однородность компонентов при смешении сначала нитроцеллюлозы с порошкообразными компонентами, а затем с эмульсией пластификатора выше в несколько раз по сравнению с другой последовательностью смешения компонентов.

Время смешения компонентов с эмульсией пластификатора определяется стадией процесса пластификации в водной среде сначала распределением пластификатора по поверхности полимера, затем его капиллярной пропиткой и собственно пластификацией диффузией пластификатора в межмолекулярные области.

Для получения качественной смеси, пригодной для дальнейшей переработки по предлагаемому способу, необходимо, чтобы полностью прошли первые две стадии, т. е. чтобы на поверхности полимера не было свободного пластификатора, иначе такая масса будет склонной к слипанию, агрегации и т.п.

Скорость протекания этих стадий зависит от интенсивности смешения, времени смешения и температуры.

Нижний предел времени смешения (300 с) обусловлен минимальным временем, необходимым для получения качественной массы при наиболее благоприятных условиях смешения (высокий Re_м и температура).

Верхний предел времени смешения обусловлен временем, необходимым для получения качественной смеси при низких температуре и критерии смешения Re_м.

Увеличение этого времени более 5000 с неоправданно снижает производительность процесса.

Верхний предел температуры смешения (70^оС) обусловлен снижением термостабильности нитроцеллюлозы и значительным паровыделением, так как смешение происходит в водной среде. Нижний предел смешения (10^оС) обусловлен вязкостью смеси, при температурах менее 10^оС вязкость смеси достаточно велика, что приводит к неоправданным повышенным энергозатратам на перемешивание, кроме того, при температуре, меньшей 10^оС, процессы капиллярной пропитки и пластификации идут значительно медленнее. Минимальное значение критерия перемешивания Re_м=10000 обусловлено тем, что при меньшем значении происходит недостаточное диспергирование компонентов смеси, в том числе капель пластификатора, в смеси присутствуют агрегаты частиц. При критерии перемешивания, большем 70000, требуются значительные энергозатраты и большая мощность оборудования, в результате неоправданно усложняется процесс.

Пределы концентрации водной суспензии, подаваемой на отжим, обусловлены следующим. При концентрации более 16% вязкость суспензии резко увеличивается, при этом ухудшается циркуляция суспензии по трубопроводу, приводя к частым его забивкам.

Снижение концентрации менее 8 мас. приводит к увеличению потерь состава количества отфильтрованной воды и снижению производительности.

Скорость фильтрования пропорциональна перепаду давления, пористости осадка, эквивалентному диаметру пор и т.д.

Если давление фильтрования меньше 0,03 МПа, скорость фильтрования не обеспечивает необходимую производительность. При давлении более 0,2 МПа размер пор осадка становится соизмерим с размерами наполнителя, что ведет к резкому увеличению удельного сопротивления осадка и снижению эффективности повышения давления.

Отжимать состав до влажности ниже 6 мас. энергетически не выгодно, а при влажности более 12 мас. последующая фаза вальцевания не обеспечивает заданных требований по влажности и производительности. Производительность вальцов, влажность состава после вальцов, безопасность процесса все эти параметры зависят от скорости сдвига и температуры валков.

При скоростях сдвига более 1200 с^-1 в результате интенсивного деформирования состава в зазоре вальцов выделяется большое количество тепла и происходит деструкция нитроцеллюлозы, а снижение скорости сдвига менее 900 с^-1 неэффективно, так как снижается производительность вальцов. При температуре валков ниже 60^оС процесс сушки полотна неэффективен, при низкой температуре возрастает вязкость состава, что приводит к увеличению нагрузок на вальцах выше допустимых.

При температуре выше 110^оС происходит локальный перегрев состава и деструкция нитроцеллюлозы.

На выходе с вальцов состав, находящийся на валке в виде полотна, грунулируется путем продавливания через фильеру, которая крепится на краях валков. Отверстия в фильере выполнены прямоугольной формы, так чтобы гранулы получались толщиной 1-8 мм. При толщине гранул более 8 мм затруднен процесс сушки. Поверхность высушивается, а внутри остается ядро с высокой влажностью, что недопустимо с точки зрения качества изделий. При толщине гранул менее 1 мм возрастает сопротивление фильеры, снижается производительность, состав начинает течь помимо фильеры.

Высушивать гранулы до влажности менее 0,3 мас. энергетически не выгодно. Влажность более 1,0 мас. недопустима с точки зрения качества изделий.

Экструдируют изделия при давлении 7,0-40,0 МПа. При давлении менее 7,0 МПа гранулы вследствие их высокой вязкости не спрессовываются для получения изделий с необходимой когезионной прочностью. При давлении более 40,0 МПа возможно разрушение втулки экструдена, так как она в целях взрывобезопасности выполняется с динамическим ослаблением.

Ниже приводятся примеры осуществления способа.

Во всех примерах изготавливались пороховые изделия из аэрозолеобразующих огнетушащих составов со следующим соотношением компонентов, мас. Нитроцеллюлоза 17,1 Пластификатор 20,9 Углерод 10
Стабилизаторы химической стойкости 1,0 Нитрат калия 50 Технологические добавки 1,3
Однородность распределения компонентов определялась по критерию однородности r
r

(C_cp-C_i)

m_i где С_ср среднее содержание компонента в смеси и в массовых долях;
С_i содержание компонента i-й фракции;
|(С_ср-С_i)| абсолютное значение разности массовых долей компонентов в пробах;
n число фракций;
m_i массовая доля фракции в пробе.

Чем ниже значение критерия r, тем выше равномерность распределения компонентов в смеси. При идеальном смешении значение С_ср-С_i=0 и значение r 0.

Значения критерия r для смеси приведенного выше состава, изготовленного без применения способа: r компонентов 350 r пластификатора 470 r углерода 19
r стабилизатора химической стойкости 25
r технологических добавок 251
Изготавливались образцы для пяти примеров осуществления способа (см. таблицу). В ажитаторе предварительно была приготовлена суспензия нитроцеллюлозы с концентрацией от 8 до 25 мас. что соответствует модулю от 1:3 до 1: 11. Затем в смеситель подавались углерод и технологические добавки. Полученная суспензия пропускалась через гидродинамический смеситель при интенсивности смешения (Re_м) от 190 до 32000 при температуре от 5 до 65^оС в течение 1000-2 с (см. таблицу).

Затем однородная суспензия дозировалась в следующий смеситель, связанный с гидродинамическим аппаратом большей мощности. В этот же смеситель подавался пластификатор. Для эмульгирования пластификатора и равномерного его распределения на полимере смесь обрабатывалась в гидродинамическом аппарате при температуре от 5 до 75^оС (см. таблицу) и интенсивности смешения Re_м от 7000 до 75000 и времени диспергирования от 280 до 6000 с. Основные технологические параметры и свойства полученного состава, поступающего на дальнейшую переработку, показаны в таблице.

Далее состав в виде водной суспензии с концентрацией 8-16 мас. насосом по циркуляционному трубопроводу подается в бункер отжимного фильтр-пресса. В бункере создается избыточное давление 0,03-0,2 МПа. Вода отфильтровывается через фильтровальную решетку до влажности 50-60 мас. а далее отжимается путем продавливания через фильеру до влажности 6-12 мас.

Отжатый состав смешивается в шнековом смесителе с водорастворимыми добавками, например нитратом калия, и подается на вальцы, где он непрерывно затягивается в межвалковый зазор.

Так как состав является термочувствительным, валки снабжены системой интенсивного теплообмена и обогреваются в течение всего процесса вальцевания водой с температурой 60-110^оС. За счет интенсивной деформации при скоростях сдвига 900-1200 с^-1 происходит смешение и пластификация состава. При этом он обволакивает в виде полотна передний валок и под действием новых порций продвигается к краям валков, где продавливается через фильеры в виде пластин толщиной 1-8 мм. Полученные пластины режутся на гранулы и направляются в сушилку, где высушиваются конвективным или контактным способом до влажности 0,3-1,0 мас. и подаются в экструдер. Экструдер продавливает состав через специальную экструзионную головку при давлении 7,0-40 МПа. Выходящий из экструзионной головки в виде непрерывного шнура состав режется ножом на изделия.

В таблице приведены примеры выполнения способа с указанием различных режимов и количественных показателей.

В примерах 1, 2, 3 процесс отжима, вальцевания, сушки и экструзии протекает стабильно при хорошем качестве изделий.

В примере 4 водная суспензия состава имеет запредельную концентрацию 6 мас. При этом производительность снижается до 400-500 кг/ч и увеличиваются потери массы до 0,8-0,9 мас.

При получении состава после отжима с запредельной влажностью 3,0 мас. из-за высоких энергозатрат электродвигатель фильтр-пресса отключается. При запредельной температуре валков 50^оС из-за высокой нагрузки электродвигатель вальцов отключается. При запредельной толщине пластин 0,8 мм производительность вальцов резко снижается, так как состав не течет через фильеру. В случае, если давление экструзии запредельное 5,0 МПа, изделия из головки выходят с трещинами и рваной поверхностью.

В примере 5 при запредельной концентрации водной суспензии состава 20 мас. имеют место частые забивки трубопровода. Процесс протекает нестабильно.

При запредельной влажности состава 15 мас. отжим проходит хорошо, но падает производительность вальцов. Запредельная температура валков 115^оС приводит к пересыханию полотна и деструкции нитроцеллюлозы. Запредельная толщина пластин 1,0 мм приводит к некачественной сушке и получению бракованных изделий. При запредельной влажности гранул 1,1 мас. качество изделий неудовлетворительное. При запредельном давлении 50 МПа экструдер отключается и процесс останавливается.

Предлагаемый способ позволяет организовать непрерывный автоматизированный процесс изготовления изделий из составов на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучими пластификаторами.

Изделия из кумулятивных составов используются в качестве взрывчатого источника для резки крупногабаритных металло- и железобетонных конструкций, дробления негабаритных кусков руды и т.д.

Изделия из аэрозолеобразующего состава применяются в аэрозолеобразующих генераторах, используемых для тушения загораний в сооружениях с замкнутыми объемами (склады, гаражи и т.д.) и в двигательных и багажных отсеках различных видов транспортных средств.

Фейерверочные изделия применяются для создания фейерверка, как одного из атрибутов различных празднеств, торжеств и реклам с высоким зрелищным эффектом.

Claims (1)

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИХ ПОЖАРОТУШАЩИХ, КУМУЛЯТИВНЫХ И ФЕЙЕРВЕРОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ из составов на основе нитроцеллюлозы, пластифицированной труднолетучими пластификаторами, включающий смешение компонентов в водной среде, отжим состава, вальцевание, сушку и экструзию, отличающийся тем, что при смешении компонентов в водной среде осуществляют смешение нитроцеллюлозы с суспензией нерастворимых компонентов в течение 3 - 600 с при температуре 10 - 60^oС и критерии перемешивания Re_м = 1200 - 30000, после чего в полученную смесь вводят эмульсию пластификаторов и перемешивают при массовом соотношении твердой и жидкой фаз, равном (1 : 4) - (1 : 10), при 10 - 70^oС в течение 300 - 5000 с и критерии перемешивания Re_м = 10000 - 70000, а при отжиме состава осуществляют подачу полученной суспензии состава с концентрацией 8 - 16 мас.% под давлением 0,03 - 0,2 МПа в отжимной фильтр-пресс с последующим отжимом состава до влажности 6 - 12 мас.%, после чего осуществляют смешение состава с водорастворимыми добавками, при этом вальцевание осуществляют при температуре валков 60 - 110^oС, скорости сдвига 900 - 1200 с^- 1 и гранулировании полотна на выходе из вальцов в пластины толщиной 1 - 8 мм, причем сушку осуществляют до влажности 0,3 - 1,0 мас.%, а экструзию осуществляют при давлении 7 - 40 МПа.

Images