WO2016049724A1 - Tubo condutor de fagulha termica com uso de particulas nanometricas - Google Patents

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WO2016049724A1
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Definitions

  • the present invention refers to a thermal spark conductive tube, applied as a signal transmitter for connection and initiation of explosive columns, usually supplemented by a retarding fuse or used as a retarding unit, which employs pyrotechnic mixing.
  • low-toxicity nanometer with superior thermal performance of the spark which maintains the advantages of the current pyrotechnic shock tube over the shockwave conduction tube, ie product with higher transmission sensitivity and sensitivity, maintenance of propagation even with cuts or pipe holes and low risk classification in pipe transport and process with possibility of continuous and separate dosing of non-activated components, concomitantly with the formation of the plastic tube and has additional advantages of reducing or even eliminating the use of water contaminants groundwater, lower risk of lead to an electrostatic discharge from the human body to its end, and to use the process of producing the pyrotechnic mixture quite simple and with less risk of accidents due to friction and mechanical shocks.
  • U.S. Patent No. 3,590,739 is the original reference for conventional shock tube. Describes a plastic extrusion process forming a circular tube with an outer diameter ranging from 2.0 to 6.0 mm and an inner diameter ranging from 1.0 to 5.0 mm, where continuously and concomitantly secondary explosive dust such as HMX, RDX or PETN or Pentaerythritol or Nitropenta Tetranitrate, previously mixed with Aluminum Powder, on its inner periphery, at the same time as the tube is formed, obtaining a product called non-electric shock tube, found in the market under such trade names. such as NONEL and EXEL, which when initiated by a primary explosive fuse, generates a shock and impact gas wave at speeds of 1,800 to 2,200 m / s;
  • NONEL and EXEL which when initiated by a primary explosive fuse, generates a shock and impact gas wave at speeds of 1,800 to 2,200 m / s;
  • Applicant's Brazilian patent PI 8104552 is the original reference for the pyrotechnic shock tube. It describes a plastic extrusion process forming a circular tube with an external diameter ranging from 2.0 to 6.0 mm and an internal diameter ranging from 1.0 to 5.0 mm, where pyrotechnic mixing powder K 2 Cr 2 0 is continuously and concomitantly introduced.
  • Signal transmission tubes are usually complemented by the insertion of a retarder cap at its end, consisting of a metal capsule containing a secondary explosive layer pressed into it, followed by a primary explosive layer, and a a retarding element consisting of a metal cylinder containing within it a compressed pyrotechnic powder retarding mixing column and often an additional pyrotechnic initiator mixing column sensitive to the heat generated by the percussion and impact wave.
  • reaction products generated are basically hot gases which, when exited at the opposite end of the tube, undergo heat loss expansion, which makes it difficult to initiate delayed pyrotechnic mixtures.
  • either a sensitive pyrotechnic mixing column is required to continue the explosive train or more longer heat-sensitive pyrotechnic mixtures to be used.
  • RDX or Nitropenta in plastic tubes is low, requiring the use of special manufacturing processes and the use of special plastic resins, usually ionomeric polymers such as Surlyn, to minimize the presence of non-adherent powder and avoid unloaded tube portions;
  • the conventional shockwave conduction tube has low sensitivity of energy transmission through a gap between two air gap aligned tube portions, generally smaller than 1 cm, so that any cuts or holes in the tube failures due to loss of shock wave pressure;
  • Iomeric resins represent a high cost relative to more common resins such as polyethylenes;
  • Tube deflagration velocities range from 1800 to 2200 m / s according to the specifications released by the manufacturers, ie +/- 10% around the average velocity, which interferes with the accuracy of the delay element.
  • US patents 5, 173,569, 5,435,248, 5,942,718, and Brazilian patents PI9502995 use a shock tube as an electronic delayed primer primer.
  • Such fuses are characterized by a high precision electronic delay element, but the delay time error of a given tube length is incorporated into the error inherent in the electronic circuit.
  • the pyrotechnic shock tube has the following disadvantages:
  • the plastic tube extrusion process involves the dosing of the previously prepared sensitive pyrotechnic mixture during the formation of the plastic tube, with risks of accidental initiation and propagation to the remainder of the mixture;
  • the plastic tube extrusion process involves dosing the pre-prepared sensitive pyrotechnic mixture during the formation of the plastic tube with risks of accidental initiation and propagation to the remainder of the mixture;
  • Tammann that actually worked commercially for the product of the previous invention was inorganic perchlorates, especially potassium perchlorate, which has been the subject of regulatory bans on several countries, such as the US and the European Union, as perchlorates contaminate water sources and may cause methemoglobinemia and hyperthyroidism by eliminating iodine.
  • the main target has been explosives based on inorganic perchlorates, mainly explosive emulsions for use in underground mines, which have sodium, ammonium or potassium perchlorate in their formulations;
  • Sodium and potassium perchlorates are also in the form of crystalline salts with a very large average particle diameter for direct application to the spark generating mixtures of the previous invention (mean diameter greater than 40 ⁇ ), so that it is Prior micronization (particle diameter reduction) operation is required on mechanical shock micronizers of compressed air jets, in costly multiple steps both in terms of price and energy consumption, until an average particle diameter of 1 , 5 ⁇ or less; and
  • the aluminum of the present invention is in electrically insulating form because its particles are coated with a hard (mechanically resistant) desyllic layer (silicon oxide) or electrically insulating aluminum oxide.
  • Potassium perchlorate has been eliminated or substantially reduced in the present invention because even low air humidity is sufficient to make pyrotechnic mixtures containing electrically conductive easily ionizable salts to fail the flash-over test.
  • the use of the minimum amounts of perchlorate apply mainly in some applications where folding or knotting may occur.
  • the object of the present invention has advantages of dispensing the use of Tammann low temperature substance, therefore the pyrotechnic mixture inside it is less sensitive to friction and shock, does not use or allows the substantial reduction of contaminating perchlorates. groundwater, it is approved in the flash-over test, ie it has a lower risk of conducting an electrostatic discharge from the human body to its end, and the process of producing the pyrotechnic mixture is quite simple by simply mixing the components in an elastic polymer ball mill. [047] Several tests were performed to determine the percentage ranges of the components, following name and detailed description of each:
  • a 5 m long tube portion is placed between two optical sensors connected to a precision timer.
  • the light of the spark as it passes the first sensor starts the timing, and when it passes the second sensor, it stops.
  • the propagation velocity is obtained by dividing 5 by the time obtained in seconds.
  • the tube is manually pulled by a lever, and when the desired traction effort is reached, the tube is started at one end by a hand trigger with ear plunger. Passage of the spark through the node or failure in continuity of the spark through the node is observed by the relative darkening of the tube in the burnt session. Should the tube fail, a less effort pull will be attempted with a new sample. If the spark passes the knot, a higher effort pull will be attempted on a new sample. The result of the test will be the highest traction in which 5 successive samples run flawlessly.
  • a sample of the powder mixture is subjected to the impact of a known free fall weight from a specified height.
  • a 30-second long delay time delay element of 9 sec containing slow-delay mixing with no additional primer layer is positioned at the end of a 6 mm crystal PVC hose.
  • variable length diameter with the end of a spark conductive tube according to the formulations of the present invention 1 m in length aligned with the other end of the PVC hose.
  • Tube to Tube Air Gap Test A 3 m long piece of spark conductor tube is cut transversely into two 1.5 m halves, and these halves are spaced apart by keeping them aligned within an aluminum-shaped guide. "1/2 - reed”. The largest distance the spark, when traversing the free air space between the tube portions, initiates the second portion in 5 successive samples, is noted as "Tube to Tube Air Gap".
  • the tube with all the dust removed is rinsed with acetone at a flow rate of 200 ml / min. for 1 min., and in then dried by a flow of dry compressed air of 0,2 Nm 3 / min. at a pressure of 0.5 Nm 3 / min. for a minimum of 3 min. for drying acetone.
  • the empty and dry plastic tube is weighed with an accuracy of 0.0001 g.
  • the mass of dust initially present in the tube and the mass of dust that remained adhered to the tube after the initial withdrawal with compressed air are calculated by differences, and then the percentage by weight of loose powder relative to the total mass is calculated. of powder initially present in the tube.
  • Nanophase 30 nm 54%.
  • thermal spark conductor tube formulation of the present patent has the following formulation:
  • the formulation of the thermal spark conductive tube of the present patent can be as follows: [092] - Nanometric aluminum powder with cornflake morphology, minimum purity 99,5%, covered and stabilized by silica or other electrically insulating material, with mean particle diameter 20 to 100 nm: 35% to 62%;

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Abstract

O pedido em questão revela um tubo condutor de fagulha térmica (tubo de choque) dotado de composição pirotécnica com partículas nanométricas, tendo entre 35-62%, em peso, de alumínio (com tamanho de partícula entre 5-1 µm ou 20-100 nm), 32-60%, em peso, de óxido de ferro (com tamanho de partícula entre 10-100 nm), 0 a 25%, em peso, de perclorato de potássio e 0,8 a 1,5%, em peso, de talco. A redução do tamanho de partícula do oxidante e do redutor na composição pirotécnica permitiu a diminuição ou ausência de substâncias de baixa temperatura de Tammann (perclorato de potássio), resultando em maior segurança (estabilidade ao atrito e impacto) e manutenção da propagação de fagulha, mesmo com cortes ou furos nos tubos.

Description

"TUBO CONDUTOR DE FAGULHA TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS"
[01] Refere-se a presente Patente de Invenção a tubo condutor de fagulha térmica, aplicado como transmissor de sinal para conexão e iniciação de colunas de explosivos, usualmente complementado por espoleta de retardo ou utilizado como unidade de retardo, o qual emprega mistura pirotécnica nanométrica de baixa toxidez, com desempenho térmico superior da fagulha, que mantém as vantagens do tubo de choque pirotécnico atual em relação ao tubo de condução de onda de choque, ou seja produto com maior sensibilidade e sensitividade de transmissão, manutenção de propagação mesmo com cortes ou furos dos tubos e baixa classificação de risco no transporte do tubo e processo com possibilidade de dosagem contínua e separada dos componentes não ativados, concomitantemente com a formação do tubo plástico e apresenta vantagens adicionais de redução ou até eliminação de uso de substâncias contaminantes de águas de lençóis subterrâneos, de apresentar menor risco de conduzir uma descarga eletrostática do corpo humano para sua extremidade, e de usar processo de produção da mistura pirotécnica bastante simples e com menor risco de acidentes devido a atrito e choques mecânicos.
[02] Desde o início da década de 1980, são amplamente aplicados para conexão e iniciação de explosivos na área civil, os tubos transmissores de sinal, conhecidos comercialmente como "detonadores não elétricos" ou "shock tubes", e comercializados com marcas tais como NONEL, EXEL, BRINEL, etc. Tais dispositivos vieram substituir as espoletas elétricas conectadas através de fios metálicos na maioria das aplicações, representando uma revolução na área de acessórios de detonação, seja por sua facilidade de conexão e aplicação, seja pela segurança intrínseca contra ignições acidentais por indução de corrente elétrica espúria.
[03] Atualmente existem os seguintes principais para produção destes dispositivos e produtos
[04] 1) A patente americana n° 3,590,739 é a referência original do tubo de choque convencional. Descreve um processo de extrusão plástica formando tubo circular de diâmetro externo variando de 2,0 a 6,0 mm e diâmetro interno variando de 1,0 a 5,0 mm, onde se introduz continuamente e concomitantemente pó explosivo secundário, tais como HMX, RDX ou PETN ou Tetranitrato de Pentaeritritol ou Nitropenta, previamente misturado com Alumínio em pó, em sua periferia interna, ao mesmo tempo em que o tubo é formado, obtendo-se produto denominado tubo de choque não elétrico, encontrado no mercado com nomes comerciais tais como NONEL e EXEL, que ao ser iniciado por uma espoleta de explosivo primário, gera uma onda gasosa de choque e impacto com velocidades de 1.800 a 2.200 m/s;
[05] 2) A patente Brasileira PI 8104552, da aplicante, é a referência original do tubo de choque pirotécnico. Descreve processo de extrusão plástica formando tubo circular de diâmetro externo variando de 2,0 a 6,0 mm e diâmetro interno variando de 1,0 a 5,0 mm, onde se introduz continuamente e concomitantemente pó de mistura pirotécnica K2Cr207 + Al ou Mg , ou Fe203 + Al ou Mg, ou Sb203+ Al ou Mg, Sb205 + Al ou Mg ou 02 + Al ou Mg, em sua periferia interna, ao mesmo tempo em que o tubo é formado, obtendo-se produto denominado tubo de choque não elétrico pirotécnico, que ao ser iniciado por uma espoleta de explosivo primário, reage por aluminotermia sem geração de gases, e gera um plasma de condução de energia; [06] 3) A patente americana n° 4,757,764, descreve um sistema não elétrico de controle de sinal de iniciação de desmonte utilizando tubo plástico com misturas pirotécnicas de retardo aderidas em seu interior, particularmente usando deflagração em baixa velocidade, ou seja, em velocidades muito menores que as dos tubos de choque convencionais e cordel detonante, com o objetivo de utilizar comprimentos determinados de tubo para obtenção de um tempo de retardo rápido, da ordem de milisegundos, em substituição ao elemento de retardo convencional. Por apresentar este conceito, as espoletas utilizadas são obrigatoriamente instantâneas, sem elemento de retardo, e não houve uma preocupação do inventor em otimizar o desempenho térmico da fagulha, em garantir a passagem por restrições no tubo, ou em diminuir a Sensitividade ao atrito e choque da mistura. Está claro pelo relatório descritivo da patente, e por todos os exemplos, que seu uso como elemento de retardo está limitado à faixa das dezenas de milisegundos, não sendo adequado para a maioria dos retardos utilizados na prática.
[07] Os tubos de transmissão de sinal são habitualmente complementados com a inserção de uma espoleta de retardo em sua extremidade, constituída de uma cápsula metálica contendo uma camada de explosivo secundário prensada em seu interior, seguida de uma camada de explosivo primário, e de um elemento de retardo constituído de um cilindro metálico contendo em seu interior uma coluna compactada de mistura pirotécnica de retardo em pó e, frequentemente, uma coluna adicional de mistura pirotécnica iniciadora sensível ao calor gerado pela onda de percussão e impacto.
[08] O processo de fabricação de tubo de condução de onda e percussão apresenta as seguintes desvantagens:
[09] a) A fabricação de tubo carregado com explosivos (RDX ou Nitropenta são tóxicos e perigosos) oferece riscos tanto de explosões acidentais quanto por manuseio de produtos tóxicos, exigindo cuidados especiais e proteções especiais na linha de fabricação. O fato de utilizar explosivo molecular impede a dosagem de componentes não ativados durante a extrusão do tubo;
[010] b) No tubo de condução de onda de choque convencional, os produtos de reação gerados são basicamente gases quentes, que ao saírem na ponta oposta do tubo, sofrem expansão com perda de calor, que dificulta a iniciação de mistos pirotécnicos de retardo, sendo necessário ou adicionar uma coluna de mistura pirotécnica sensível para dar continuidade ao trem explosivo ou utilizar misturas pirotécnicas mais sensíveis ao calor e com maior comprimento. Como consequência tem-se um produto, com maior custo de fabricação e de utilização, além de oferecer maiores riscos na fabricação;
[011] c) A aderência de explosivos cristalinos,
RDX ou Nitropenta em tubos plásticos é baixa, obrigando a utilização de processos especiais de fabricação e utilização de resinas plásticas especiais, usualmente polímeros ionoméricos como Surlyn, para minimizar a presença de pó não aderido e evitar porções de tubo sem carga;
[012] d) O tubo de condução de onda de choque convencional apresenta baixa Sensitividade de transmissão de energia através de um espaço entre duas porções de tubo alinhadas "air gap", geralmente menor que 1 cm, de maneira que eventuais cortes ou furos no tubo ocasionam falhas na utilização, devido à perda de pressão da onda de choque;
[013] e) O tubo de condução de onda de choque convencional apresenta sensibilidade ao efeito chamado na indústria de "snap, slap, andshoot", podendo ocorrer ignição acidental quando o tubo é tracionado e rompido, conforme reconhecido em artigo apresentado na 28a. Conferência Anual da ISEE, Las Vegas, 2002, e em todos os catálogos e manuais de utilização dos tubos de choque convencionais.
[014] f) O tubo de choque convencional é classificado como explosivo para transporte em muitos países, o que acarreta em custos e dificuldades adicionais para transporte, principalmente após o aumento do rigor da fiscalização de produtos perigosos devido ao combate ao terrorismo;
[015] g) O tubo de choque convencional apresenta falhas após exposição à água em pressões acima de 2 bar, o que ocorre frequentemente na aplicação de explosivos, devido às características hidrófilas das resinas ionoméricas tipo Surlyn;
[016] h) Os tubos fabricados com resinas do tipo
Surlyn apresentam baixa tensão de ruptura, e alta permeabilidade de hidrocarbonetos presentes nas emulsões explosivas quentes, o que obriga à co-extrusão de uma camada externa adicional de polietileno;
[017] i) As resinas ionoméricas representam um alto custo em relação a resinas mais comuns, tais como polietilenos;
[018] j) As velocidades de deflagração do tubo variam entre 1800 e 2200 m/s, de acordo com as especificações divulgadas pelos fabricantes, ou seja, +/- 10 % em torno da velocidade média, o que interfere com a precisão do elemento de retardo. Por exemplo, tanto as patentes americanas 5, 173,569, 5,435,248, 5,942,718, e a brasileira PI9502995, utilizam tubo de choque como iniciador de espoletas de retardo eletrônico. Tais espoletas caracterizam-se por um elemento de retardo eletrônico de alta precisão, porém o erro de tempo de retardo de um comprimento determinado de tubo é incorporado ao erro intrínseco ao circuito eletrônico. Em um comprimento típico de 21 m, utilizado em detonações de minas a céu aberto, o erro seria de +/- 1 ms, enquanto a precisão intrínseca dos circuitos eletrônicos é tipicamente de +/- 0, 1 ms; e [019] k) O tubo de choque convencional, por gerar produtos de reação basicamente gasosos produzindo uma onda de percussão e impacto, dispersa grande parte da energia térmica gerada na expansão destes gases ao sair pela ponta do tubo, de modo que só consegue iniciar elementos de retardo muito sensíveis ao calor, exigindo elementos ignitores sensíveis adicionais sobre os elementos de retardo lentos, aumentando os riscos e custos do processo industrial;
[020] O tubo de choque pirotécnico apresenta as seguintes desvantagens:
[021] A) As misturas pirotécnicas utilizam produtos tóxicos K2Cr20 , Sb203 e Sb2Os e solventes inflamáveis, exigindo reciclagem dos solventes, cuidados de manuseio, e disposição adequada de resíduos;
[022] B) O processo de extrusão do tubo plástico envolve a dosagem da mistura pirotécnica sensível previamente preparada, durante a formação do tubo plástico, com riscos de iniciação acidental e propagação ao restante da mistura;
[023] C) O tubo de choque pirotécnico não resiste ao ataque químico dos hidrocarbonetos utilizados nas formulações de emulsões explosivas quentes, que são o ambiente mais frequentemente encontrado nas aplicações de explosivos civis atualmente, ocorrendo falhas na continuidade da fagulha após este ataque;
[024] D) A mistura de 02 + Al ou Mg, prevista na patente do tubo de choque pirotécnico não se mostrou factível na prática, devido à perda de gases na fabricação e utilização do produto
[025] E) A mistura de Fe203 + Al ou Mg, prevista na patente do tubo de choque pirotécnico não se mostrou factível na prática, devido à baixa sensibilidade da mistura pirotécnica aos estímulos de ignição encontrados na aplicação em espoletas ou ignitores elétricos e alto índice de falhas de continuidade, o que se deve à alta temperatura de Tammann dos componentes;
[026] F) Devido às limitações apresentadas nos itens D e E, as únicas opções restantes empregam substâncias altamente tóxicas K2Cr20 , Sb203 e Sb2Os e misturas sensíveis ao atrito e choque;
[027] G) Os produtos de reação formados nas reações de aluminotermia, A1203, K20, Sb, óxidos de antimônio, Cr203, obrigatoriamente sólidos pelas limitações da patente apresentam baixa condutibilidade térmica, o que dificulta a ignição de elementos de retardo poucos sensíveis;
[028] H) Os produtos de reação sólidos formados nas reações de aluminotermia, obrigatoriamente sólidos pelas limitações da patente A1203, K20, Sb, óxidos de antimônio, Cr203, apresentam baixa condutibilidade térmica, o que dificulta a ignição de elementos de retardo poucos sensíveis; e
[029] I) A mistura pirotécnica em pó apresenta baixa aderência ao plástico do tubo.
[030] O sistema de controle de sinal de iniciação de desmontes não elétrico da Patente Americana US 4,757,764 apresenta as seguintes desvantagens:
[031] Aa) O processo de extrusão do tubo plástico envolve a dosagem da mistura pirotécnica sensível previamente preparada, durante a formação do tubo plástico, com riscos de iniciação acidental e propagação ao restante da mistura;
[032] Bb) O sistema, por utilizar conexões diretas de tubo-a-tubo, fornecendo um retardo de tempo exclusivamente através de um comprimento determinado de tubo, está limitado a retardos rápidos, até a faixa de dezenas de milisegundos, enquanto as aplicações exigem retardos até a faixa de segundos, normalmente até 10 s; [033] Cc) As misturas em pó, não contendo aditivo promovedor de aderência, apresentam baixa aderência ao plástico do tubo, exigindo utilizar como material do tubo resina ionomérica tipo Surlyn®, ou silicone, conforme observado em todos os exemplos; e
[034] Dd) Como o objetivo do autor foi obter um sistema de retardo através de um tubo com velocidade substancialmente reduzida, eliminando o elemento de retardo do interior da cápsula, não houve uma otimização do desempenho térmico das formulações. Assim, as misturas com baixa velocidade não iniciam retardos lentos diretamente.
[035] Mais recentemente surgiu uma avanço tecnológico importante revelado na patente brasileira PI 0303546-8, que baseia-se na combinação de substâncias nas quais uma reação pirotécnica de alta energia desenvolvida (Al + Fe304, por exemplo), gera fagulha de metal fundido com alta transferência de calor por condução e convecção para o meio a iniciar. No entanto, exige uma terceira substância de baixa temperatura de Tammann [TTammann= ^0 2], sendo as temperaturas expressas em unidades absolutas, ou seja com escala em que o ponto zero coincide com o zero absoluto, tais como K (Kelvin) ou R (Rankine) para fornecer uma energia de ativação suficientemente baixa tanto para a ignição do tubo quanto para a propagação da fagulha em condições críticas, como por exemplo no caso de entrada de óleo diesel no interior do tubo.
[036] Embora tenha sido um grande avanço tecnológico, o inventor pesquisou novas soluções utilizando os conhecimentos técnicos industriais atualmente disponíveis, resolvendo as desvantagens, limitações e inconvenientes de redução ou até eliminação de uso de substâncias contaminantes de águas de lençóis subterrâneos, apresentar grande risco de conduzir uma descarga eletrostática do corpo humano para sua extremidade, e usar processo de produção da mistura pirotécnica bastante complexae com riscos de acidentes por atrito e choques mecânicos.
[037] "TUBO CONDUTOR DE FAGULHA
TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS", objeto da presente patente foi desenvolvido para superar as desvantagens, inconvenientes e limitações dos tubos atualmente existentes, pois consegue eliminar a substância de baixa temperatura de Tammann, muito embora a energia de ativação permaneça alta, pela utilização de partículas de diâmetro nanométrico, o que surpreendentemente permitiu a ignição pelos meios usuais e a propagação da fagulha através do tubo, mesmo em condições críticas de utilização, permitindo deste modo a eliminação de substâncias que conferem à mistura uma maior Sensitividade ao atrito e choque, e que são muitas vezes proibidas pelas regulamentações governamentais de diversos países, mormente os percloratos, que vem sendo eliminados em formulações de explosivos nos EUA. Além disso, os percloratos são sais que ionizam-se com facilidade quando expostos à umidade, mesmo a umidade remanescente no ar atmosférico do interior do tubo, e por esta razão contribuem para um resultado inadequado no teste de flash-over EN- 13763- 12 da União Européia.
[038] Adicionalmente utiliza partículas de alumínio recobertas com camadas eletricamente isolantes de sílica ou óxido de alumínio, de maneira que tais partículas não conduzem eletricidade estática pelo interior do tubo.
[039] O presente invento resolveu os seguintes problemas que as soluções do estado técnica não resolveu:
[040] 1. As substâncias de baixa temperatura de
Tammann que realmente funcionaram comercialmente para o produto de invenção anterior foram os percloratos inorgânicos, principalmente o perclorato de potássio, que tem sido alvo de proibições regulamentares em vários países, tais como os EUA e da União Européia, pois os percloratos contaminam fontes de água, podendo provocar metahemoglobinemia e hipertireoidismo por eliminar iodo. O alvo principal tem sido explosivos à base de percloratos inorgânicos, principalmente as emulsões explosivas de uso em minas subterrâneas, que possuem perclorato de sódio, amónio ou potássio em suas formulações;
[041] 2. A própria característica de baixa energia de ativação dos compostos de baixa temperatura de propicia uma Sensitividade ao atrito e choque maior nas misturas pirotécnicas contendo tais substâncias, aumentando o risco de acidentes;
[042] 3. Os percloratos de sódio e potássio também se apresentam em forma de sais cristalinos com diâmetro médio de partícula muito grande para aplicação direta nas misturas geradoras de fagulha da invenção anterior (diâmetro médio maior que 40 μπι), de maneira que é necessária uma operação prévia de micronização (redução do diâmetro de partícula) em micronizadores por choque mecânico de jatos de ar comprimido, em múltiplas etapas custosas tanto em questão de preços quanto em consumo de energia, até obter- se um diâmetro de partícula médio de 1,5 μπι ou menos; e
[043] 4. O resultado negativo (inadequado) no teste de "flash-over", isto é, o teste específico da União Européia que exige que a mistura pirotécnica quando disposta na forma final no interior do tubo não aumente a distância de quebra da resistência dielétrica do ar atmosférico deste mesmo interior. Tal exigência deve-se ao risco de que uma descarga eletrostática do nível de energia normalmente acumulado no corpo humano ocorra na extremidade oposta de um tubo que entrou em contato com um indivíduo eletrostaticamente carregado, o que pode iniciar uma espoleta conectada a este tubo. Em outras palavras, a mistura pirotécnica deve apresentar uma baixa condutividade elétrica. No entanto, tanto o alumínio como o perclorato de potássio iônico são bons condutores de eletricidade.
[044] No invento atual, estes problemas foram resolvidos com a utilização apenas de dois componentes que não são proibidos (alumínio e óxido de ferro ou óxido de cobre em diâmetros de partícula da ordem de nanômetros), e que, por apresentarem temperaturas de Tammann maiores que o perclorato, apresentam maior energia de ativação e tornam as suas misturas pirotécnicas menos sensíveis ao atrito e choque mecânicos.
[045] O Alumínio da presente invenção apresenta-se na forma eletricamente isolante, pois suas partículas são revestidas por uma camada dura (mecanicamente resistente) desílica (óxido de silício) ou óxido de alumínio eletricamente isolante. O perclorato de potássio foi eliminado ou substancialmente reduzido na presente invenção, pois mesmo uma umidade baixa do ar é suficiente para tornar misturas pirotécnicas contendo sais facilmente ionizáveis eletricamente condutivas a ponto de ser reprovadas no teste "flash-over" . A utilização das quantidades mínimas de perclorato se aplicam principalmente em algumas aplicações em que a passagem por dobras ou nós podem ocorrer.
[046] O objeto da presente patente apresenta vantagens de dispensar o uso de substância de baixa temperatura de Tammann, por isto a mistura pirotécnica em seu interior, é menos sensível ao atrito e choque, dispensa o uso ou permite a redução substancial de percloratos contaminantes de águas de lençóis subterrâneos, é aprovado no teste "flash-over" , ou seja, apresenta menor risco de conduzir uma descarga eletrostática do corpo humano para sua extremidade, e o processo de produção da mistura pirotécnica é bastante simples, por simples mistura dos componentes em um moinho de bolas de polímero elástico. [047] Foram realizados diversos testes para determinação das faixas de porcentagens dos componentes, seguem nome e descrição detalhada de cada um deles:
[048] l)Teste de "flash-over"
[049] Este teste é realizado em equipamento de
"flash-over" conforme Norma Européia EN 13763-24: Explosivos para
Uso Civis - Detonadores e Transmissores - Parte 24: Determinação da não-condutividade elétrica do tubo de choque. O teste é descrito sucintamente abaixo:
[050] Trinta amostras de tubo condutor de fagulha com 100 mm de comprimento são utilizadas no teste, que consiste em atravessar dois eletrodos em formato de vareta fina, um em cada extremidade da amostra, perfeitamente alinhados com o centro do tubo, aplicar uma tensão de 10 kV em corrente contínua entre os eletrodos, e aproximar as suas pontas lentamente até que ocorra a passagem de uma fagulha entre eles. A distância em milímetros na qual 5) tanto maior quanto mais condutivo eletricamente for o meio interior do tubo, e tanto maior será o risco de conduzir uma descarga eletrostática proveniente do corpo humano para o interior do tubo. O limite de especificação a Norma Européia é de no máximo 20 mm.
[051] 2) Teste de Velocidade de Propagação
[052] Uma porção de tubo com comprimento medindo 5 m é colocada entre dois sensores óticos ligados a um cronometro de precisão. Quando iniciado o tubo, a luz da fagulha, ao passar pelo primeiro sensor, inicia a contagem de tempo, e, quando passar pelo segundo sensor, interrompe esta contagem. Obtém-se a velocidade de propagação dividindo5 pelo tempo obtido em segundos.
[053] 3) Teste de Espaço Mínimo de Propagação entre Dobras [054] Em 10 amostras, a fagulha do tubo deve passar por 10 dobras de 180° realizadas no mesmo, a uma distância determinada entre elas. A menor distância entre as seguintes: 1 m, 50 cm, 30 cm, 20 cm e 10 cm em que todas as amostras propagarem até a ponta é registrada como "distância mínima entre dobras".
[055] 4) Teste de Esforço de Tração Máxima de
Passagem por Nós
[056] A amostra de tubo com comprimento de
80 cm com um nó simples na metade do seu comprimento, feito sem apertar, é presa em suas extremidades é presa a um dispositivo tracionador com uma célula de carga capaz de medir o esforço de tração com acurácia de 100 gf e um indicador digital do esforço de tração da célula de carga. O tubo é tracionado manualmente através de uma alavanca, e quando se atinge o esforço entre tração desejado, o tubo é iniciado em uma de suas pontas através de acionador manual com espoleta de ouvido. A passagem da fagulha pelo nó ou a falha na continuidade da fagulha pelo nó é observada pelo escurecimento relativo do tubo na sessão queimada. Caso o tubo falhe, uma tração de menor esforço será tentada com uma nova amostra. Caso a fagulha passe o nó, uma tração de maior esforço será tentada em uma nova amostra. O resultado do teste será a maior tração na qual 5 amostras sucessivas funcionem sem falhas
[057] 5) Teste de Iniciação por Cordel
Detonante de Baixa Gramatura (% de falhas)
[058] Submete-se 100 amostras de 1 m de tubo à ignição com cordel detonante com carga de 2 g de PETN/m linear, conhecido na indústria como NP-02, presas ao cordel através de conector tipo "J". O número de peças falhadas é anotado como "porcentagem de falhas na iniciação do cordel".
[059] 6) Teste de Sensitividadeao Impacto [060] O teste é realizado em equipamento BAM
Fallhammer desenvolvido originalmente pelo BAM Instituto Federal para Pesquisa e Teste de Materiais da Alemanha, de acordo com a Norma Européia EN 13631-4: Explosivos para Uso Civis - altos explosivos - Parte 4: Determinação da Sensitividade ao Impacto de Explosivos. O teste é descrito sucintamente abaixo:
[061] Submete-se uma amostra da mistura em pó ao impacto de um peso conhecido em queda livre a partir de uma altura determinada.
[062] A energia em que 5 amostras sucessivas deflagram é calculada pela fórmula E = m.g.h, onde m = massa do peso em queda livre; g = aceleração da gravidade local e h = altura mínima para ignição.
[063] 7) Teste de Sensitividadedo Elemento de
Retardo Lento
[064] Um elemento de retardo de 9 s de tempo de retardo, com 30 mm de comprimento da coluna, contendo mistura de retardo lenta, sem camada adicional de mistura iniciadora, é posicionado na ponta de uma mangueira de PVC cristal de 6 mm de diâmetro com comprimento variável, com a extremidade de um tubo condutor de fagulha de acordo com as formulações da presente invenção, de comprimento de 1 m alinhada com a outra extremidade da mangueira de PVC. Ao ser iniciado o tubo, a fagulha deve atravessar o espaço livre do interior da mangueira e iniciar o elemento de retardo, Quanto maior o comprimento da mangueira em que os elementos iniciam um mínimo de 5 elementos sucessivos, melhor será considerado o desempenho térmico da fagulha. O maior comprimento da mangueira em que os elementos iniciam sem falhas é anotado como "Sensitividadedo Elemento de Retardo Lento".
[065] Teste de "Air Gap" de Tubo a Tubo [066] Um pedaço de tubo condutor de fagulha com 3 m de comprimento é cortado transversalmente em duas metades de 1,5 m, e estas metades são afastadas com um espaçamento determinado, mantendo-as alinhadas dentro de um guia de alumínio em formato de "1/2 - cana". A maior distância em que a fagulha, ao atravessar o espaço de ar livre entre as porções de tubo, inicia a segunda porção em 5 amostras sucessivas, é anotada como "Air Gap de Tubo a Tubo".
[067] 9) Teste após Exposição à Emulsão
Explosiva Quente
[068] Trinta amostras de tubo de 12 m, com as extremidades seladas por bucha de borracha e uma cápsula de espoleta conforme padrão usual da indústriasão mergulhadas em emulsão explosiva convencional com óleo diesel marítima, o qual ocasiona maior agressividade ao plástico, a uma temperatura de 65 °C por vinte e quatro horas. Os tubos são iniciados e a porcentagem de peças falhadas é anotada como "Falhas por Exposição a Emulsão Explosiva Quente".
[069] 10) Teste de Aderência da Mistura ao
Tubo.
[070] Dez amostras de tubo com comprimento de 3 m cada são pesados em balança de laboratório com precisão de 0,0001 g. Em seguida, o interior dos tubos é soprado em bico de ar comprimido a uma pressão de 0,2 kgf/cm2 manométrica, e a uma vazão de 0,2 Nm3/min. por 2 min., de modo a retirar a fração de pó não-aderido à parede interna do tubo. O tubo é pesado novamente, com acurácia de 0,0001 g. Em seguida, o interior dos tubos é lavado com um fluxo de solução aquosa de Hidróxido de Sódio a 0,2% para dissolução do Alumínio e do eventual Perclorato, e arraste do Óxido de Ferro nanométrico e do Talco, a uma vazão de 200 ml/min., por um tempo mínimo de 3 min. O tubo com todo o pó retirado é relavado com Acetona a uma vazão de 200 ml/min. durante 1 min., e em seguida seco por uma vazão de ar comprimido seco de 0,2 Nm3/min. a uma pressão de 0,5 Nm3/min. por um período mínimo de 3 min. para secagem da Acetona. O tubo plástico vazio e seco é pesado com acurácia de 0,0001 g. Calcula-se por diferenças a massa de pó inicialmente presente no tubo, e a massa de pó que permaneceu aderida ao tubo após a retirada inicial com ar comprimido, e em seguida calcula-se o percentual em massa de pó solto em relação à massa total de pó inicialmente presente no tubo.
[071] Foram realizados diversos testes para determinação das faixas de porcentagens dos componentes com por exemplo o seguinte teste que obteve a formulação preferencial da presente patente: foi feita uma mistura em moinho de bolas com bolas de borracha polivinílica, por 30 minutos, de Alumínio em pó eletricamente isolante revestido com sílica tipo Powdal 2900 da SchlenkMetallpulver da Alemanha, óxido férrico (Fe203) com diâmetro médio de partícula de 1 ^mda Nanophase da Inglaterra, e talco nas seguintes proporções:
[072] - Alumínio Powdal 2900: 45 %; e
[073] - Óxido de ferro NanoArc FE-300
Nanophase 30 nm: 54 %.
[074] - Talco: 1 %.
[075] Testou-se também o Alumínio em pó nanométrico com diâmetro de partícula de 20 a lOOnm eletricamente isolante revestido com óxido de alumínio juntamente com o oxido de ferro nanométrico e obteve- se resultados compatíveis.
[076] Como no teste de dobras e nós os limites de distância entre dobras para funcionalidade total e de passagem da fagulha por nós sob esforço de tração ficaram abaixo do esperado para muitas aplicações práticas, testou-se o uso de formulações com quantidades pequenas de perclorato de potássio que permitem melhorar os limites no teste de dobras e nós, obtendo-se o valor mínimo de 6 % de perclorato de potássio e faixa recomendável de 8 a 12 %.
[077] Obteve-se os seguintes resultados, como descritos na Tabela 1 abaixo:
TABELA 1 - Resultados de Testes Práticos
Figure imgf000018_0001
[078] Com os testes realizados concluiu-se que a formulação do tubo condutor de fagulha térmica da presente patente apresenta a seguinte formulação:
[079] - Alumínio em pó com morfologia tipo
"cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio entre 5 e 18μπι, como o Powdal 2900 da SchlenkMetall pulverou similar: 35 % a 62 % ;
[080] - Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio entre 10 e 100 nm, como o NanoArc FE-300 Nanophase ou similar: 32 % a 60 %; [081] - Perclorato de Potássio variando de 0 % a
25 %.
[082] - Talco: Variando de 0,8 a 1 ,5 %
[083] Com os testes realizados concluiu-se também que a formulação preferencial do tubo condutor de fagulha térmica da presente patente é a seguinte:
[084] - Alumínio em pó com morfologia tipo
"cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio 11 μπι, como o Powdal 2900 ou similar: 45 %;
[085] - Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio de 30nm, como NanoArc FE-300Nanophase ou similar: 54 %; e
[086] - Talco : 1 % para aplicações comuns, onde não seja importante a passagem por dobras e nós; ou:
[087] - Alumínio em pó com morfologia tipo
"cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio entre 5 e 18μπι, como o Powdal 2900 ou similar: 45 %;
[088] - Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio de 30nm, como NanoArc FE-300Nanophase ou similar: 44 %
[089] - Perclorato de Potássio: 10 % ; e
[090] - Talco: 1 % para as aplicações onde seja importante a passagem por dobras e nós;
[091] Com os testes realizados concluiu-se que, alternativamente, a formulação do tubo condutor de fagulha térmica da presente patente pode ser a seguinte: [092] - Alumínio em pó nanométrico com morfologia tipo "cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio de 20 a 100 nm: 35 % a 62 % ;
[093] - Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio entre 10 e 100 nm: 32 % a 60 %;
[094] - Perclorato de Potássio variando de 0 % a
25 %; e
[095] - Talco: Variando de 0,8 a 1 ,5 %.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. "TUBO CONDUTOR DE FAGULHA TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS", com formato de tubo flexível de plástico, com diâmetro interno entre 1,0 e 1,5 mm, e diâmetro externo entre 2,8 e 3,4 mm, substancialmente oco, contendo depositada em sua parede interior uma mistura pirotécnica em pó fino, caracterizado por, a mistura pirotécnica ter a seguinte formulação:
- Alumínio em pó com morfologia tipo "cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio entre 5 e 18μπι:35 % a 62 % ;
- Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio entre 10 e 100 nm: 32 % a 60 %;
- Perclorato de Potássio variando de 0 % a
25 %; e
- Talco: Variando de 0,8 a 1,5 %
2. "TUBO CONDUTOR DE FAGULHA TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS", para as aplicações comuns onde a passagem por dobras e nós não é importante,com formato de tubo flexível de plástico, com diâmetro interno entre 1,0 e 1,5 mm, e diâmetro externo entre 2,8 e 3,4 mm, substancialmente oco, contendo depositada em sua parede interior uma mistura pirotécnica em pó fino, caracterizado por, a mistura pirotécnica ter a seguinte formulação preferencial:
Alumínio em pó nanométricocom morfologia tipo "cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio 11 μπι: 45 %;
- Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, com diâmetro de partícula de 30 nm: 54
%; e
- Talco : 1 %
3. "TUBO CONDUTOR DE FAGULHA TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS",para as aplicações onde a passagem por dobras e nós é importante, com formato de tubo flexível de plástico, com diâmetro interno entre 1,0 e 1,5 mm, e diâmetro externo entre 2,8 e 3,4 mm, substancialmente oco, contendo depositada em sua parede interior uma mistura pirotécnica em pó fino, caracterizado por, a mistura pirotécnica ter a seguinte formulação preferencial:
Alumínio em pó nanométricocom morfologia tipo "cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio 11 μπι: 45 %;
- Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, com diâmetro de partícula de 30 nm: 44
%
- Perclorato de Potássio: 10 %; e
- Talco: 1 %
4. "TUBO CONDUTOR DE FAGULHA TÉRMICA COM USO DE PARTÍCULAS NANOMÉTRICAS", com formato de tubo flexível de plástico, com diâmetro interno entre 1,0 e 1,5 mm, e diâmetro externo entre 2,8 e 3,4 mm, substancialmente oco, contendo depositada em sua parede interior uma mistura pirotécnica em pó fino, caracterizado por, alternativamente a mistura pirotécnica ter a seguinte formulação:
- Alumínio em pó nanométrico com morfologia tipo "cornflake", pureza mínima 99,5 %, recoberto e estabilizado por sílica ou outro material eletricamente isolante, com diâmetro de partícula médio de 20 a 100 nm: 35 % a 62 % ;
- Oxido de ferro nanométrico com morfologia quase esférica facetada, diâmetro de partícula médio entre 10 e 100 nm: 32 % a 60 %;
- Perclorato de Potássio variando de 0 % a
25 %; e
- Talco: Variando de 0,8 a 1,5 %
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