低烟烟火组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求Lyle Salmi等人于2019年4月10日提交的题为“低烟烟火组合物(Low-Smoke Pyrotechnic Composition)”的美国临时专利申请序列No.62/832,003的优先权，该美国临时专利申请目前正在审查中，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及用于烟火中的成分或组分，并且更具体地，作为在烟火中使用的黑火药(black powder，黑粉末)的低烟替代物。

背景技术

黑火药已经在烟火装置中使用了数千年。其是大约75％硝酸钾、15％木炭和10％硫的紧密混合物。虽然其最初的发展旨在将其用作爆炸性武器，但是其用途迅速扩展到土木工程和娱乐领域中。其历史开端应该不足为奇，因为有许多积极的特性使黑火药成为用于烟火中的有吸引力的组成物(composition，组合物)。首先，由于硫的存在及其低熔点，黑火药很容易点燃。其次，黑火药由容易获得且相对便宜的组分制成。最后，黑火药不仅能够有效地推动或“提升”其他烟火组成物，而且还在燃烧期间形成大量的热的固体颗粒，这促进次级烟火组合物的点燃。

对在燃烧时提供可接受的燃烧速率、生成大量的气体并且成功引发和推动其他烟火组合物的燃烧的黑火药替代品存在着高的需求。在当前的烟火装置中使用的黑火药对于某些应用来说是不期望的，因为它典型地以烟和其他固体颗粒物质的形式从组合物的燃烧中产生大量固体副产物。当前的黑火药替代品典型地无法可靠地点燃次级烟火组合物。

因此，需要适合用于烟火应用中的气体生成组合物，其需要类似的气体生成和传热性质同时还减少烟输出。

发明内容

本发明涉及一种低烟烟火组合物，其可适合用于期望由组合物的燃烧产生的烟产生(production，产量)或其他固体颗粒物质产生最少的应用中。

本发明的低烟烟火组合物包括硝酸铈铵(CAN)(化学式：H

根据本发明的一个实施方案，低烟烟火组合物可包括燃料源、稳定剂、粘合剂和作为氧化剂的硝酸铈铵。在某些实施方案中，除了硝酸铈铵之外，组合物还可包括另外的氧化剂；然而，硝酸铈铵必须存在于本发明的组合物中。根据本发明的各种实施方案的低烟烟火组合物可包括：任何合适的一种燃料源或多种燃料源，包括但不限于金属和非金属燃料源；任何合适类型的一种稳定剂或多种稳定剂；以及任何合适类型的一种粘合剂或多种粘合剂。

根据本发明的一个实施方案，低烟烟火组合物可包括20-80重量％硝酸铈铵、5-60重量％燃料源(一种或多种)、1-20重量％稳定剂(一种或多种)和0-15重量％粘合剂(一种或多种)。

根据一个或多个实施方案，低烟烟火组合物还可包括燃烧速率催化剂。燃烧速率催化剂可包括任何合适类型(一种或多种)的燃烧速率催化剂或生热化合物。可以至少部分地基于期望的效果和特定的烟火应用来选择特定的燃烧速率催化剂或生热化合物或其组合。

根据本发明的一个实施方案，低烟烟火组合物可包括作为氧化剂的硝酸铈铵、作为非金属燃料源的硝化纤维素、作为金属燃料源的钛、作为稳定剂的氰基胍、作为燃烧速率催化剂的氧化铜和任何合适的粘合剂化合物。在另外的实施方案中，取决于特定应用，可将一种或多种燃料源、稳定剂、燃烧速率催化剂和/或氧化剂添加至低烟烟火组合物。

根据本发明的一个具体实施方案，低烟烟火组合物可包括大约30-40重量％硝酸铈铵(氧化剂)、大约45-55重量％硝化纤维素(非金属燃料源)、大约0.1-3.0重量％氰基胍(稳定剂)、大约5-10％氧化铜(燃烧速率催化剂)和大约0-15％的合适的粘合剂材料。

根据一个具体实施方案，低烟烟火组合物可包括大约36.7重量％的硝酸铈铵(～50um)、大约51.4重量％的硝化纤维素、大约3.7重量％钛(-325目)、大约0.9重量％氰基胍、大约7.3重量％的氧化铜和大约0-15重量％的粘合剂材料。

本发明的其他方面和优点将从以下的优选实施方案的详细描述中显而易见。

具体实施方式

本发明的以下详细描述参考了可实践本发明的具体实施方案。实施方案旨在足够详细地描述本发明的方面，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其他实施方案并且可进行改变。本发明由所附权利要求限定，因此，不应将描述以限制意义理解并且不应限制所述权利要求所赋予的等同物(equivalents，等同方案)的范围。

本发明涉及一种低烟烟火组合物，其可用于期望由于组合物的燃烧而产生的烟或其他固体颗粒物质的量最少的烟火应用中。取决于期望的应用，本发明的低烟烟火组合物可用于有关照明烟火组合物和/或推进剂组合物。例如，本发明的低烟烟火组合物可用于产生与组合物的燃烧有关的照明光、闪光或火焰、热量和/或声音，同时限制与化学反应和燃烧有关的所生成的烟的总产生(总产量)。

本发明的低烟烟火组合物中的最重要的组分是硝酸铈铵，其用作氧化剂。硝酸铈铵是一种无机化合物，分子式为(NH

硝酸铈铵在本发明的低烟烟火组合物中是必需的，因为它生成大量的可用于传播燃烧的氧和可用于推进的氮气；在有机燃料存在的情况下，其也很容易点燃。由于可用性问题以及在溶剂化时在室温下易于氧化各种材料的能力，CAN在烟火工业中的使用可能有限。

一克的硝酸铈铵的分解生成0.53克的氧、0.2克的氮和0.1克的氢。所生成的氧的质量与其他常见氧化剂例如硝酸钾(0.40克的氧/克)、氯酸钾(0.39克的氧/克)和高氯酸钾(0.46克的氧/克)相当。CAN的燃烧形成0.31克的氧化铈(IV)和0.13克的水蒸气。在减去作为氧化铈(IV)和水蒸气排出的氧之后，剩下0.35克的游离氧参与燃烧过程。使用这些信息，发现CAN的分解的副产物的超过69％是气态的，并且使用CAN作为氧化剂的配制物的燃烧具有显着减少的烟生成。

由于其低熔点，硝酸铈铵在本发明的低烟烟火组合物中也是有利的。硫作为黑火药中的低熔点燃料的实施有一个缺点，因为它的存在导致大量的固体硫化物副产物，其增加组合物的烟输出。CAN的低熔点和对有机燃料的高可点燃性大大降低了燃烧所需的活化能的量，并且消除了对硫的需求。此外，硝酸铈铵及其副产物是对环境良好的。

如以下表I中所示，根据一个实施方案，本发明的低烟烟火组合物可包括燃料源、稳定剂、粘合剂和作为氧化剂的硝酸铈铵。在某些实施方案中，另外的氧化剂可与硝酸铈铵一起使用；然而，硝酸铈铵是组合物的唯一的不可移出或替代的特定组分。可与硝酸铈铵结合使用的另外的氧化剂可包括但不限于硝酸盐、高氯酸盐和金属氧化物。在某些实施方案中，本发明的低烟烟火组合物可包括一种或多种构成该组合物的每种类型的组分。在这样的实施方案中，低烟烟火组合物可包括至少一种燃料源剂、至少一种稳定剂、至少一种粘合剂和包括至少硝酸铈铵的至少一种氧化剂。

在某些实施方案中，燃料可为金属或非金属源并且组合物可包括多种燃料源。可用于本发明的低烟烟火组合物中的合适的燃料源的非限制性实例可包括：硝化纤维素、六胺、硝基胍、赤桉树胶(Red Gum)、钛、铝、镁、硼、木炭、硅、任何过渡金属或本领域现在已知或以后开发或通常使用的其他类型的燃料源。

稳定剂可为任何合适的稳定剂，包括但不限于：氰基胍、二氰基二酰胺(Dicyanodiamide)、2-氰基胍、胍-1-甲腈、二苯胺、硝基二苯胺、3-甲基-1,1-二苯基脲(Akardite)、乙基中定剂(Ethyl Centralite)、甲基中定剂(Methyl Centralite)、碳酸盐或本领域现在已知或以后开发或通常使用的其他类型的稳定剂。

粘合剂可为可粘合/结合低烟烟火组合物的其他组分的合适的化合物或物质。可用于本发明的低烟气体生成组合物中的合适的粘合剂的非限制性实例可包括：乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基乙基纤维素聚乙烯醇、维通橡胶(Viton)、帕龙(Parlon)、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙二醇-聚乙烯醇共聚物、环氧树脂及其适当的交联化合物或本领域现在已知或以后开发或通常使用的其他粘合剂。

表I

低烟烟火组合物的基本配方：

如以下表II中所示，本发明的低烟气体生成组合物还可包括至少一种燃烧速率催化剂或一种生热化合物或多种生热化合物，这取决于期望的效果和特定的烟火应用。根据一个实施方案，本发明的低烟烟火组合物可包括氧化铜作为燃烧速率催化剂。其他潜在地合适的催化剂可包括但不限于三氧化二铁、二氧化钛、三氧化二铋、三氧化钼、过氧化钡、过氧化锶、过氧化钙、氧化铬、二氧化硅、氧化锰(II)、氧化硼或本领域通常使用的其他期望的化合物。

表II

低烟烟火组合物的基本配方：

如以下表III中所示，根据本发明的一个优选的实施方案，低烟烟火组合物包括作为氧化剂的硝酸铈铵、作为非金属燃料源的硝化纤维素、作为金属燃料源的钛、作为稳定剂的氰基胍、作为燃烧速率催化剂的氧化铜和任何合适的粘合剂化合物。以下表说明了用于低烟烟火组合物的该优选的配方。如所示的，硝酸铈铵可具有整个配方的20-80重量％的合适的范围。此外，组合物的其他组分可按重量百分比显着变化并且可取决于特定应用而用其他合适的化合物替代。

表III

选择低烟烟火组合物的配方：

根据本发明的一个优选的实施方案，低烟烟火组合物包括大约36.7重量％的硝酸铈铵(～50um)、大约51.4重量％的硝化纤维素、大约3.7重量％钛(-325目)、大约0.9重量％氰基胍、大约7.3重量％的氧化铜和大约0-15重量％的粘合剂材料。具体的重量％可取决于特定或期望的应用和或所利用的粘合剂材料的量而变化。例如，根据某些实施方案，作为氧化剂的硝酸铈铵的特定重量量的范围可在36.0-37.5％之间，或者在其他实施方案中范围可在30-40％之间。以下表IV说明了低烟烟火组合物的一个具体实施方案以及组合物中包括的每种成分或化合物的潜在范围(按重量百分比计)。

表IV

低烟烟火组合物的具体配方：

如本文所述，本发明的低烟烟火组合物在组合物的燃烧期间产生最少的固体颗粒和烟副产物，同时仍然为各种烟火应用提供期望的燃烧温度、燃烧速率和其他期望的效果。硝酸铈铵是本发明的组合物中的关键成分，其产生与黑火药相当的性能特征，同时减少或消除其负面属性。特别地，当与传统的烟火组合物相比时，根据如本文所述的重量百分比范围在本发明的低烟烟火组合物中包括硝酸铈铵具有在组合物的燃烧期间产生有限的烟生成的效果。

出于安全和使用寿命的原因，必须通过使用疏水性粘合剂(例如环氧树脂、维通橡胶或聚乙烯醇缩丁醛)来稳定组合物。取决于特定的实施方案，可在本发明的低烟烟火组合物的制备中使用任何数量的合适的制造和生产方法，包括但不限于，目前在烟火工业中使用的或以后开发的制造和生产方法或在化学组合物的生产中使用的任何其他方法或技术。本发明的低烟烟火组合物具有若干潜在益处，包括但不限于，通过最小的配方变化的可调节的性能方面，以及生成主要为气态的副产物，其提高性能同时降低烟输出。

从前述内容看出，本发明是很好地适于实现上述所有目标和目的以及其他显而易见且结构所固有的优点的发明。应理解，某些特征和子组合是有用的并且可在不参考其他特征和子组合的情况下使用。这被权利要求的范围所考虑并且在权利要求的范围内。

上述构造仅通过示例的方式呈现，并不旨在限制本发明的概念和原理。因此，已经示出和描述了新发明的几个实施方案。从前面的描述中明显看出，本发明的某些方面不受在此说明的实例的特定细节所限制，因此预期本领域技术人员将想到其他修改和应用，或其等同物(等同方案)。在前述说明书中使用的术语“具有”和“包括”以及类似术语在“任选”或“可包括”的意义上使用，而不是作为“要求”使用。然而，在考虑了说明书之后，本构造的许多改变、修改、变化和其他用途和应用对于本领域技术人员来说将变得显而易见。不脱离本发明的精神和范围的所有这样的改变、修改、变化和其他用途和应用均被认为被本发明覆盖，本发明仅由所附权利要求限定。