Thermo-initiating composition

Abstract

A thermo-initiating composition including a thermal activator, a first fuel, a second fuel, an oxidizing agent and a fuel binder, in the following amount, per 100% of the weight, a thermal activator in an amount of 3.0 -6.0%; a first fuel in an amount of 8.0 -12.0%; a second fuel in an amount of 0.1 -0.6%, an oxidizing agent in an amount of 25.0 -30.0% and a fuel binder provided as the remaining amount of the composition, wherein the thermal activator is zirconium, the first fuel is sulfur, the second fuel is carbon black, the oxidizing agent is potassium chlorate and the fuel binder is a nitrocellulose solution.

Description

THERMO-INITIATING COMPOSITION

[0001] Cross Reference to Related Applications

[0002] The present disclosure claims priority to a patent application in the Hong Kong Intellectual Property Department of China No. 32024100862.4, titled “THERMO-INITIATING COMPOSITION” filed December 14, 2024, the full disclosures of which are hereby incorporated by reference in their entities for all purposes.Technical field

[0003] The present disclosure relates to the field of thermo-initiating pyrotechnic compositions, in particular to solid fuel thermo-initiating compositions for low-temperature initiation of pyrotechnic compositions.

[0004] Background of the Disclosure

[0005] Thermo-initiating compositions are chemical compositions which, when exposed to an elevated temperature, shall ignite or combust due to exposure to such a temperature.

[0006] Such thermo-initiating compositions may be utilized in various commercial applications.

[0007] Object of the Disclosure

[0008] It is an object of the present disclosure to provide a thermo-initiating composition, which overcomes or at least partially ameliorates some of the deficiencies as associated with those of the prior art.

[0009] Summary of the Disclosure

[0010] In a first aspect, the present disclosure provides a thermo-initiating composition including a thermal activator, a first fuel, a second fuel, an oxidizing agent and a fuel binder, in the following amount, per 100%of the weight:

[0011] - a thermal activator in an amount of 3.0 -6.0%;

[0012] - a first fuel in an amount of 8.0 -12.0%;

[0013] - a second fuel in an amount of 0.1 - 0.6%;

[0014] - an oxidizing agent in an amount of 25.0 -30.0%; and

[0015] - a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.

[0016] The thermal activator is zirconium, the first fuel may be sulfur, the second fuel may be carbon black, the oxidizing agent may be potassium chlorate and the fuel binder may be a nitrocellulose solution.

[0017] In an embodiment of the present disclosure the thermo-initiating composition comprises.

[0018] - a thermal activator in an amount of 4.0 -6.5%;

[0019] - a first fuel in an amount of 8.0 -10.0%;

[0020] - a second fuel in an amount of 0.2 - 0.5%;

[0021] - an oxidizing agent in an amount of 26.5 -29.0%; and

[0022] - a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.

[0023] In the present embodiment, the thermal activator is zirconium, the first fuel is sulfur, the second fuel is carbon black, the oxidizing agent is potassium chlorate, and the fuel binder is a nitrocellulose solution.

[0024] In another embodiment of the present disclosure, the thermo-initiating composition comprises:

[0025] - a thermal activator in an amount of 4.5 -6.0%;

[0026] - a first fuel in an amount of 8.0 - 9.0%;

[0027] - a second fuel in an amount of 0.35 - 0.45%;

[0028] - an oxidizing agent in an amount of 27.0 -29.0%; and

[0029] - a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.

[0030] In the present embodiment, the thermal activator is zirconium, the first fuel is sulfur, the second fuel is carbon black, the oxidizing agent is potassium chlorate and the fuel binder is a nitrocellulose solution.

[0031] A thermal activator, is an activator which is initiated and activated upon exposure to an elevated temperature.

[0032] Detailed Description of the Disclosure

[0033] DISCLOSURE OVERVIEW

[0034] In accordance with the present disclosure, there is provided a thermo-initiating composition containing a thermal activator, a first fuel, a second fuel, an oxidizing agent and a binding fuel.

[0035] The constituents of the thermo-initiating composition are provided in the following ratios, 100%by weight, as shown in Table 1:

[0036] Table 1

[0037] In accordance with the disclosure:

[0038] (i) the composition contains zirconium as the thermal activator,

[0039] (ii) the composition contains nitrocellulose, provided in the form of a nitrocellulose solution, as a fuel-binder,

[0040] (iii) the composition contains sulfur as the first fuel,

[0041] (iv) the composition contains carbon black as the second fuel, and

[0042] (v) the composition contains potassium chlorate as the oxidizing agent.

[0043] In accordance with the present disclosure, the specified technical result is provided by two main factors:

[0044] 1. the presence of a thermal activator in the form of zirconium, capable of self-ignition at temperatures in the range of 150℃ -160℃.

[0045] 2. the use of a mixture of the first fuel in the form of sulfur, and the oxidizing agent in the form of potassium chlorate, which increases the sensitivity of the composition to activation and increases the stability of activation.

[0046] THERMO-INITIATING COMPOSITION OF THE PRESENT DISCLOSURE

[0047] The basic thermo-initiating composition contains a thermal activator zirconium, a fuel-binder - a solution of nitrocellulose in the form of nitrocellulose solution, an oxidizing agent -potassium chlorate, a first fuel -sulfur, and a second fuel - carbon black (i. e. soot) .

[0048] The components included in the thermo-initiating composition are provided in the following ratios per 100%of the mass, as shown in Table 2:

[0049] Table 2

[0050] ZIRCONIUM

[0051] The optimal amount of zirconium as a thermal activator, in combination with potassium chlorate as an oxidizing agent and sulfur the first fuel, has been found to ensure stable low-temperature activation of the composition.

[0052] It is known that the spontaneous ignition of zirconium under certain conditions occurs at a temperature of about 150℃ -160℃. The use of zirconium as a thermal activator allows to create a mixture that has a high sensitivity to heat.

[0053] When the content of zirconium as an activator is less than 3.0 wt. %, the activation of the thermo-initiating composition does not occur in the required temperature range of the present disclosure, and the requisite function of low-temperature activation of the thermo-initiating composition are not provided.

[0054] However, if the content of zirconium as an activator is greater than 6.0%wt., the activation results do not improve the activation characteristics of the thermo-initiating composition, but at the same time the consumption of zirconium as an activator increases.

[0055] SULFUR

[0056] Sulfur is included in the thermo-initiating composition of the present disclosure as the first fuel. It is known that sulfur when mixed with an oxidizing agent in the form of potassium chlorate has a high sensitivity, which is required when manufacturing a thermo-initiating composition.

[0057] The high sensitivity of sulfur in a mixture with potassium chlorate as an oxidizing agent, provides a stable self-activation of the thermo-initiating composition.

[0058] When the content of the first fuel is less than 8.0 wt. %, its effectiveness in the mixture becomes insignificant and does not affect the formation of a stable combustion composition.

[0059] If the content of the first fuel in the form of sulfur is more than 12.0 wt. %, there is no increase in the combustion efficiency of the composition, and a further increase in the mass fraction of the first fuel in the form of sulfur does not make sense.

[0060] POTASSIUM CHLORATE

[0061] Potassium chlorate is used as an oxidizing agent in the thermo-initiating composition of the present disclosure.

[0062] If the content of potassium chlorate is less than 25.0 wt. %, it does not allow the creation of the necessary oxygen balance of the reaction and to obtain a stable combustion of the mixture.

[0063] The content of potassium chlorate as an oxidant of more than 30.0 wt. %does not improve the functional properties of the composition, the activation of the composition does not progress, which leads to the increased consumption of the potassium chlorate oxidizing agent.

[0064] CARBON BLACK

[0065] Carbon black, otherwise known as soot, is used as the second fuel in the thermo-initiating composition of the present disclosure.

[0066] Carbon black is used as a dye fuel, which allows the change of color of the thermo-initiating mixture to black to decrease the response time of the thermo-initiating mixture to heating due to increased heat absorption.

[0067] If the content of carbon black as the second fuel is less than 0.1 wt. %, it does not provide the required heavy shade to the mixture, which significantly reduces the sensitivity of the mixture to radiation heating.

[0068] The content of carbon black as the second fuel of more than 0.6 wt. %, does not significantly affect the color change of the thermo-initiating mixture, but at the same time impairs the adhesion of the thermo-initiating mixture.

[0069] A specific feature of the thermo-initiating composition of the present disclosure involves its use as a surface-applied coating which capable of being activated under low-temperature heating, and further forming a sufficient thermal impulse for subsequent ignition of a main pyrotechnic composition.

[0070] The combustion of the thermo-initiating composition is intense, with a high temperature, caused among other things by zirconium as the activator.

[0071] PROCESS OF MANUFACTURE AND IMPLEMENTATION

[0072] Below as follows, is provided an example of a manufacturing method or process for forming the thermo-initiating composition of the present disclosure, solely for illustrative purpose, and is not considered to limit the scope of the present disclosure.

[0073] The quantitative ratio of the proposed thermo-initiating composition components, within the optimized ranges, was calculated using a mathematical model of experiment planning, and confirmed by the results of experimental verification of the functioning of test samples of charges for their intended purpose, which showed the achievement of improved specifications in terms of thermo-initiation effectiveness.

[0074] Furthermore, in the description as follows, information is provided regarding the implementation of the thermo-initiating composition and confirmation of achieving the specified technical result as required by the present disclosure.

[0075] In accordance with the manufacturing variants of the thermo-initiating compound of the present disclosure, exemplary and preferred embodiment of the thermo-initiating compound of the present disclosure are provided and as such, such preferred embodiments are considered exemplary and not restrictive to the present disclosure or scope thereof.

[0076] The thermo-initiating composition of the present disclosure, is produced using standard industrial equipment according to the following process of sequential mixing operations of components in a confidence range of their content, providing the intended target specifications.

[0077] The following components are used for the preparation of the thermo-initiating compound, according to the disclosure, as shown in Table 3:

[0078] Table 3

[0079] The potassium chlorate oxidizing agent is preliminary selected, with a particle size of 45 ± 15 micrometres (microns) , and dried to a moisture content of less than 0.08wt. %, in order to exclude its phlegmatizing effect during the oxidation of the fuel, and in order to stabilize the combustion of the thermo-initiating composition.

[0080] Zirconium is selected with the particle size of 100 ± 25 micrometres (microns) and with a moisture content of less than 0.8wt. %. The appropriate selection of a finely dispersed zirconium powder is necessary in order to provide uniform distribution in the composition when mixing the components.

[0081] The ratio or amounts of the components for the mixing of the composition are utilised according to the above recited ranges of their content.

[0082] Sulfur and carbon black (soot) are added to the prepared volume of potassium chlorate. Then, the fuel-binder nitrocellulose solution is also added, and the mixture is stirred for approximately 60-120 minutes at a temperature of in the range of from 40 -60℃, for ensuring uniform distribution of the components, providing maximum contact of the thermal base active components in the form of autonomous clusters.

[0083] Subsequently, zirconium powder is added to the mixture and the composition is mixed for approximately a further 20 -30 minutes.

[0084] The prepared mixture may then be used as a coating and is applied to other pyrotechnic products or articles, to provide a low-temperature initiating element.

[0085] EXPERIMENTAL RESULTS

[0086] Experiments were conducted, with the comprehensive temperature for the total volume and the initiation rate of the thermo-initiating composition being measured.

[0087] The thermo-initiating compound was applied onto a reference pyrotechnic compound in a mass ratio of 1: 20, and placed in a 10-liter furnace with a temperature measurement accuracy of 1.0℃.

[0088] The reference pyrotechnic compound with the thermo-initiating composition applied thereto was placed in the furnace. The temperature of the furnace was increased at a rate of 2.0 degrees per minute.

[0089] The general volume temperature measurement was performed utilising a thermocouple and an electronic reader unit.

[0090] The component combinations of the thermo-initiating composition by 100%of the mass are presented in Table 4:

[0091] Table 4

[0092] Composition No. 1

[0093] Composition No. 1 could not be initiated until a temperature of 190℃ was reached, which gave reason for further testing to be terminated, the requirements for low-temperature initiation were not met.

[0094] This result was obtained due to the reduced zirconium content, which caused a lack of a low-temperature activation of the composition. As a consequence, the composition has activation at temperatures below 190℃ has not been achieved for Composition No. 1.

[0095] Composition No. 2

[0096] Composition No. 2 could be initiated at a temperature of 167℃, which allowed the conclusion that the initiation of the composition is possible. This result was obtained due to the sufficient, yet not optimal, zirconium content. As a result, the activation at a temperature below 190℃ was achieved, although the activation temperature of 167℃ is not optimal.

[0097] Composition No. 3

[0098] Composition No. 3 could be initiated at a temperature of 154℃, which allowed the conclusion that the initiation of the composition is possible. This result was obtained due to the sufficient and optimal zirconium content.

[0099] The amount of oxidizing agent from the experimental results was considered optimal. The result was that the activation at a temperature below 190℃ was achieved, and that the activation temperature of 154℃ was optimal.

[0100] Composition No. 4

[0101] Composition No. 4 could be initiated at a temperature of 155℃, which allowed the conclusion that the initiation of the composition is possible.

[0102] This result was obtained due to a sufficient but elevated zirconium content. The amount of the oxidizing agent was optimal. The result is that the activation at temperatures below 190℃ was achieved, and the activation temperature of 155℃ was considered optimal, and the consumption of zirconium was elevated.

[0103] Composition No. 5

[0104] Composition No. 5 could be initiated at a temperature of 176℃, which allowed the conclusion that the initiation of the composition is possible.

[0105] This result was obtained due to a sufficient but elevated zirconium content.

[0106] The amount of oxidizing agent was reduced, which led to a deterioration in the properties of the composition and, as a result, a decrease in sensitivity.

[0107] The result was that the activation at a temperature below 190℃ had been achieved, although the activation temperature of 176℃ was not considered to be optimal, the consumption of zirconium was elevated, the amount of oxidizing agent was insufficient.

[0108] As will be noted and as the experiments have demonstrated, Composition No. 3 has the best performance and consumption characteristics of the main components. Composition No. 3 is characterized by the requisite stable initiation temperature value and optimal component consumption. The result is that the requisite low-temperature initiation of the composition had been achieved, and the composition works steadily. The result of the burning of the composition was positive, the reference pyrotechnic composition which was initiated from the thermo-initiating composition steadily.Industrial Applicability

[0109] The present disclosure is directed to a thermo-initiating composition including a thermal activator, a first fuel, a second fuel, an oxidizing agent and a fuel binder, in the following amount, per 100%of the weight: -a thermal activator in an amount of 3.0 -6.0%; -a first fuel in an amount of 8.0 -12.0%; -a second fuel in an amount of 0.1 - 0.6%; -an oxidizing agent in an amount of 25.0 -30.0%; and -a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.

[0110] Besides, it may be understood that the thermo-initiating composition can be reproduced, and can be used in a variety of industrial applications, such as in the field of the thermo-initiating pyrotechnic compositions.

Claims

1.A thermo-initiating composition including a thermal activator, a first fuel, a second fuel, an oxidizing agent and a fuel binder, in the following amount, per 100%of the weight:- a thermal activator in an amount of 3.0 -6.0%;- a first fuel in an amount of 8.0 -12.0%;- a second fuel in an amount of 0.1 - 0.6%;- an oxidizing agent in an amount of 25.0 -30.0%; and- a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.2.A thermo-initiating composition according to claim 1, wherein the thermal activator is zirconium.3.A thermo-initiating composition according to claim 1 or claim 2, wherein the first fuel is sulfur.4.A thermo-initiating composition according to any one of the preceding claims, wherein the second fuel is carbon black.5.A thermo-initiating composition according to any one of the preceding claims, wherein the oxidizing agent is potassium chlorate.6.A thermo-initiating composition according to any one of the preceding claims, wherein the fuel binder is provided by a nitrocellulose solution.7.A thermo-initiating composition according to any one of the preceding claims, comprising- a thermal activator in an amount of 4.0 -6.5%;- a first fuel in an amount of 8.0 -10.0%;- a second fuel in an amount of 0.2 - 0.5%;- an oxidizing agent in an amount of 26.5 -29.0%; and- a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.8.A thermo-initiating composition according to claim 7, wherein the thermal activator is zirconium, the first fuel is sulfur, the second fuel is carbon black, the oxidizing agent is potassium chlorate and the fuel binder is a nitrocellulose solution.9.A thermo-initiating composition according to any one of the preceding claims, comprising- a thermal activator in an amount of 4.5 -6.0%;- a first fuel in an amount of 8.0 - 9.0%;- a second fuel in an amount of 0.35 - 0.45%;- an oxidizing agent in an amount of 27.0 -29.0%; and- a fuel binder provided as the remaining amount of the composition.10.A thermo-initiating composition according to claim 9, wherein the thermal activator is zirconium, the first fuel is sulfur, the second fuel is carbon black, the oxidizing agent is potassium chlorate and the fuel binder is a nitrocellulose solution.

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