ES2585366T3 - Método para crear diamantes por detonación utilizando una formulación explosiva con un balance de oxígeno de positivo a neutro - Google Patents

Método para crear diamantes por detonación utilizando una formulación explosiva con un balance de oxígeno de positivo a neutro Download PDF

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Abstract

Un método de producción de un material que contiene diamante de distintos tamaños a partir de la detonación de una formulación explosiva con un balance de oxígeno de positivo a neutro, que comprende las siguientes etapas: (a) preparar una carga (1) mezclando dióxido de carbono (CO2) y un agente reductor que comprende metal en polvo o atomizado que descompone dicho CO2 exotérmicamente durante la detonación, en el que la carga (1) se prepara con al menos la cantidad exacta de CO2 necesaria para que coincida con la demanda de oxígeno del agente reductor, de manera que la carga (1) tenga un balance de oxígeno de positivo a neutro, no estando incluido el carbono del CO2 en el cálculo del balance de oxígeno; (b) detonar la carga (1) en un entorno que contenga un medio (3) que sea inerte al carbono, enfríe los subproductos de la detonación y proteja los subproductos (4) de carbono de la posterior descomposición química, en el que el agente reductor se oxida por el CO2, quedando el carbono, el cual se comprime a diamante por la fuerza de la detonación y (c) separar los subproductos (4) de la detonación que contienen carbono de acuerdo con el tamaño de las partículas y la fase.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para crear diamantes por detonacion utilizando una formulacion explosiva con un balance de oxfgeno de positivo a neutro
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un nuevo metodo de creacion de material de diamante a partir de un proceso de detonacion que implica un agente oxidante, preferiblemente dioxido de carbono, y un material que descompone el agente oxidante exotermicamente (un agente reductor) y los metodos que aumentan la sensibilidad al choque de la mezcla. En particular, esta invencion se refiere a un metodo de creacion de material de diamante que emplea una formulacion explosiva con un balance positivo de oxfgeno.
Antecedentes
De acuerdo con el Informe Geologico de los Estados Unidos, Resumenes de Productos Minerales de Enero de 2008, el consumo en los Estados Unidos de diamantes industriales en 2007 se estimo en mas de 600 millones de quilates, valorados en mas de 300 millones de dolares. Esto indica que en lugar del diamante natural se utiliza el diamante sintetico para aproximadamente el 90 % de las aplicaciones industriales y la principal aplicacion es en la industria de abrasivos. El material de diamante se fusiona con el metal para producir herramientas de corte especiales.
Cuando una presion lo suficientemente alta comprime los atomos de carbono entre si, se forma el diamante. El procedimiento tradicional para crear diamantes industriales con explosivos se basa en utilizar la presion de una detonacion para comprimir los atomos de carbono entre si. Con este procedimiento, se anade ffsicamente el carbono a un explosivo o a un sistema que contenga explosivos, el explosivo se detona y la presion de la explosion convierte el carbon anadido en polvo de diamante.
Un explosivo es una mezcla detonable de un combustible, que generalmente consiste en carbono e hidrogeno y una fuente de oxfgeno. Los productos de desecho de una detonacion son principalmente dioxido de carbono, agua y diversos gases de nitrogeno.
La expresion "balance de oxfgeno", describe la proporcion entre el oxfgeno y el combustible en un explosivo requerida para convertir los ingredientes en CO2, H2O, Al2O3 y otros oxidos. Una cantidad insuficiente de oxfgeno en una formulacion significa que no hay suficiente oxfgeno para todo el combustible, o se dice que tiene un balance de oxfgeno negativo. Dado que el procedimiento tradicional para la creacion de diamantes con explosivos utiliza carbono extra, o una cantidad insuficiente de oxfgeno, se considera que la mezcla tiene un balance negativo de oxfgeno.
Los intentos anteriores han fracasado en resolver el problema de reducir los productos de desecho y la creacion de productos de diamante industriales a partir de un procedimiento con explosivos con balance positivo de oxfgeno. Por ejemplo, en la tecnica anterior se ha divulgado la creacion de diamantes industriales utilizando explosivos basados en balances negativos de oxfgeno obtenidos mediante la adicion de carbono a un explosivo y detonando la formulacion.
La Patente de los Estados Unidos N.° 5.353.708 (Stavrev et al.) ensena un metodo de produccion de un diamante ultradisperso que puede ser utilizado para la produccion de materiales abrasivos. Si bien la invencion ensenada por Stavrev permite la produccion de un diamante, no resuelve el problema de crear un balance positivo de oxfgeno porque el o los explosivos organicos tienen un balance de oxfgeno estequiometricamente negativo.
La Patente de los Estados Unidos N.° 5.916.955 (Vereschagin et al.) ensena un metodo de produccion de un material de diamante-carbono que contiene carbono, nitrogeno, oxfgeno e impurezas incombustibles de una composicion y la superficie contiene grupos metilo, carboxilo, lactona, aldehfdo, eter y quinona mediante la detonacion de un explosivo deficiente en oxfgeno. Si bien la invencion ensenada por Vereschagin permite la creacion de un material de diamante-carbono, no resuelve el problema de crear un balance positivo de oxfgeno porque el explosivo tiene un balance negativo de oxfgeno.
La Patente de los Estados Unidos N.° 5.482.695 (Guschin et al.) ensena un metodo de produccion de materiales superduros. Si bien la invencion ensenada por Guschin permite la produccion de materiales que contienen productos de diamante, no resuelve el problema de usar un balance positivo de oxfgeno porque la explosion tiene un balance negativo de oxfgeno.
La solicitud de patente alemana N.° DE 199 33 648 divulga la produccion de partfculas finas de diamante dopadas con atomo(s) de impurezas que comprende la detonacion de un explosivo que contiene carbono, con un balance negativo de oxfgeno, en presencia de sustancia(s) que contienen el atomo(s) dopante en una camara cerrada. Este documento tambien divulga: (1) la produccion de partfculas finas de diamante dopadas con atomo(s) de impurezas
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mediante la detonacion de un explosivo que contiene carbono y el atomo dopante, con un balance de oxfgeno negativo, en una camara cerrada y (2) partfculas de diamante dopadas producidas por estos metodos.
Ademas, existen numerosos fabricantes de diamantes sinteticos en todo el mundo y sus productos incluyen pastas, suspensiones y lubricantes de diamantes y muchas mas aplicaciones. Lo que se desea es un metodo accesible para crear diamantes industriales que consuma el gas de efecto invernadero dioxido de carbono y tambien se pueda utilizar para reducir el consumo de productos tales como gasolina, aceite y lubricantes, lo que reducirfa los costos de produccion y ademas beneficiara al medio ambiente.
Sumario de la invencion
De acuerdo con la presente invencion, la presente invencion proporciona una formulacion detonable para un material que contiene diamante y un metodo de produccion de un material que contiene diamante de distintos tamanos a partir de la detonacion de una formulacion explosiva con un balance de oxfgeno de positivo a neutro, que comprende las siguientes etapas:
(a) preparar una carga (1) mezclando dioxido de carbono (CO2) y un agente reductor que comprende metal en polvo o atomizado que descompone dicho CO2 exotermicamente durante la detonacion, en el que la carga (1) se prepara con al menos la cantidad exacta de CO2 necesaria para que coincida con la demanda de oxfgeno del agente reductor, de manera que la carga (1) tenga un balance de oxfgeno de positivo a neutro, no estando incluido el carbono del CO2 en el calculo del balance de oxfgeno;
(b) detonar la carga (1) en un entorno que contenga un medio (3) que sea inerte al carbono, enfrfe los subproductos de la detonacion y proteja los subproductos (4) de carbono de la posterior descomposicion qufmica, en el que el agente reductor se oxida por el CO2, quedando el carbono, el cual se comprime a diamante por la fuerza de la detonacion y
(c) separar los subproductos (4) de la detonacion que contienen carbono de acuerdo con el tamano de las partfculas y la fase.
La filosoffa del balance de oxfgeno se basa en el conocimiento de que un explosivo con balance cero de oxfgeno ofrece energfa optima debido al balance perfecto entre combustible y oxfgeno. En el caso de la presente invencion, la produccion de energfa optima se logra con una relacion en peso entre dioxido de carbono y agente reductor de aproximadamente 50:50. Aunque un calculo tradicional del balance de oxfgeno para la formulacion de la presente invencion podrfa sugerir uno extremadamente negativo, la mezcla mas energetica o estequiometricamente perfecta de dioxido de carbono y agente reductor tambien debe tener un balance de oxfgeno de cero.
Debido al procedimiento de la presente invencion de basar una formulacion explosiva en una mezcla de dioxido de carbono y un agente reductor y tambien considerando la discrepancia de produccion de energfa maxima en relacion a un balance de oxfgeno tradicionalmente de cero, el carbono del dioxido de carbono, por lo tanto, no se debe incluir en el calculo del balance de oxfgeno para las formulaciones explosivas que utilizan cualquier relacion entre dioxido de carbono y agente reductor como base para la liberacion de energfa. Debido al uso de esta invencion de dioxido de carbono como un oxidante no tradicional, el balance de oxfgeno se tendrfa que calcular de la manera tradicional, con la salvedad de que el carbono del dioxido de carbono no este incluido en ese calculo.
Puesto que el dioxido de carbono utilizado en las formulaciones de la presente invencion en una realizacion preferida se encuentra en su estado solido a presion atmosferica, el cual tambien existe a una temperatura de -
78,5 °C como hielo seco, el campo de estudio de dichas formulaciones ha sido denominado "Ffsica de Detonacion en Frio", o CDP, por sus siglas en ingles.
Breve descripcion de los dibujos
En los dibujos que ilustran a modo de ejemplo solamente una realizacion de la invencion:
La Figura 1 muestra una vista lateral de un pozo de detonacion cilfndrico, lleno de agua, con una carga colgante de acuerdo con una realizacion de un metodo de la presente invencion.
La Figura 2 es una vista lateral de un mezclador de alta presion empleado para mezclar dioxido de carbono lfquido con el agente reductor en polvo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La Figura 3 es un diagrama de fases que ilustra las combinaciones de temperatura y presion para los diferentes estados del dioxido de carbono (solido, lfquido y gaseoso).
La Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra la prueba de estabilidad y detonacion de la presente invencion.
La Figura 5 es un diagrama que ilustra los parametros variables disponibles en la presente invencion.
En las diferentes figuras se utilizan numeros de referencia similares para designar los componentes similares.
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Descripcion detallada
La presente invencion proporciona en general una formulacion para explosivos y el metodo para detonarla que produce 10-15 % en peso de carbono. Las cargas se preparan, se detonan bajo el agua, y los subproductos se recogen. El material de diamante resultante, que esta comprendido fundamentalmente de carbono en la fase de cristal de diamante y un pequeno porcentaje en la fase amorfa, es un subproducto de detonacion de las formulaciones explosivas que utilizan dioxido de carbono como el agente oxidante y un combustible o agente reductor que descompone el dioxido de carbono exotermicamente. El dioxido de carbono es considerado convencionalmente como el subproducto de una detonacion y no una fuente de oxfgeno.
En la reaccion de detonacion, el agente reductor extrae los atomos de oxfgeno del dioxido de carbono, quedando el carbono. La fuerza de la detonacion comprime este subproducto de carbono en diamante fino de diferentes tamanos en funcion de la composicion de la formulacion, su densidad, el diametro de la carga, la velocidad de detonacion, el tamano del cebador utilizado para la detonacion, el metodo de detonacion que incluye cualquier medio electricos o termico alternativos o tecnicas que transfieran energfa suficiente para iniciar una detonacion, la velocidad de enfriamiento de los subproductos, el tipo o nivel de sensibilizador qufmico anadido, el balance de oxfgeno, el tipo de confinamiento, la temperatura de la detonacion, y la temperatura y presion externas en el momento de la detonacion.
Los metales en polvo o atomizados, tales como el magnesio y el aluminio, son adecuados para su uso como combustible en las formulaciones de esta invencion. Debido a que la naturaleza de la formulacion de la presente invencion se basa en la reduccion energetica del dioxido de carbono, los terminos "combustible" y "agente reductor" se utilizan indistintamente. Algunas realizaciones de la presente invencion pueden utilizar otros agentes reductores o combinaciones de agentes reductores, requieren el uso de un agente de volumen, tal como perlita, para controlar la densidad, asf como un sensibilizador qufmico, tal como RDX, para afectar a la velocidad de reaccion de la formulacion, el rendimiento del explosivo y la sensibilidad al choque.
Un explosivo con balance de oxfgeno equilibrado significa que la formulacion tiene exactamente la cantidad de oxfgeno suficiente para consumir por completo todo el combustible. En el procedimiento actual para producir material de diamante a partir de una detonacion, se anade exceso de carbono a un explosivo o un sistema que lo contiene, creando asf un sistema que es deficiente en oxfgeno o tiene balance negativo de oxfgeno.
La presente invencion se refiere a las formulaciones explosivas que emplean dioxido de carbono como la fuente de oxfgeno, al proceso de preparacion y detonacion de las cargas de la presente invencion, y a la generacion de diamantes a traves de ese proceso. Las formulaciones de la presente invencion se preparan al menos con la cantidad exacta de dioxido de carbono necesaria para cumplir con la demanda de oxfgeno del combustible o el agente reductor, lo que significa que las formulaciones de la presente invencion funcionan con un balance positivo a neutro de oxfgeno.
Mediante la detonacion de la formulacion explosiva de la presente invencion en un entorno que protege los subproductos de carbono de la descomposicion qufmica posterior, tal como una camara de detonacion llena de agua sin oxfgeno, se obtiene una amplia gama de material con contenido de diamante con un alto grado de homogeneidad. Se pueden utilizar tecnicas de difusion de angulo pequeno y analfticas para determinar la distribucion de las fases de carbono y las distribuciones del tamano de las partfculas. En la realizacion preferida, las cargas se hacen detonar bajo el agua y los residuos posteriores a la detonacion se recogen. El agua actua como un medio para transmitir las ondas de choque y enfriar los subproductos de la detonacion rapidamente.
Independientemente de si los subproductos de la detonacion de la presente invencion se enfrfan rapidamente o lentamente (a velocidades de 7000 grados por minuto frente a 200 grados por minuto, respectivamente), el diamante sera el resultado del proceso de detonacion.
Las formulaciones de la presente invencion tienen un balance positivo a neutro de oxfgeno y pueden incluir cualquier producto qufmico, compuesto o elemento que descomponga el dioxido de carbono exotermicamente. Las formulaciones de la presente invencion son detonadas en un entorno lleno de un medio que es inerte en relacion con los subproductos de carbono, como el gas argon o el agua sin oxfgeno. El empleo de agua como el medio inerte es ventajoso ya que funciona como un amortiguador de choque y un agente de enfriamiento que enfrfa los subproductos a una velocidad que optimiza sus caracterfsticas ffsicas. Las formulaciones de la presente invencion, o sistemas que detonan o responden a la detonacion de dichas formulaciones, tambien pueden contener polvo de diamantes, nfquel o cualquier otro material que mejore la capacidad del material con contenido de diamantes, resultante para unirse a otros materiales tales como el acero para elaborar herramientas de corte.
El material que contiene diamante producido tiene un intervalo de densidad de aproximadamente 2,0 a 3,0 g/cm3. La qufmica superficial del material que contiene diamante producido mostrara diversos grados de comportamiento higroscopico en relacion con la cantidad de grupos funcionales organicos alquilo que se forman en las superficies de las partfculas durante y despues de la detonacion. Un grupo funcional predominante de metilo, por ejemplo, da al material una propiedad repelente al agua.
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La superficie de los materiales que contienen diamante presentara diferentes porcentajes en peso de carbono amorfo. El material que contiene diamante tendra una amplia distribucion de tamano de las partfculas mas grande que y no limitada a las nanopartfculas en el intervalo de 40 a 50 Angstroms. El material que contiene diamante estara comprendido en cierta medida de partfculas de diamante integrado y no diamante y diamante policristalino.
Una realizacion del metodo para producir el material que contiene diamante de acuerdo con la presente invencion consiste en las siguientes etapas:
a. Preparar una carga mediante la mezcla de dioxido de carbono, combustible y potencialmente, un sensibilizador y llenar un recipiente de forma cilfndrica, tal como un tubo metalico o tubo de carton con esa mezcla. La mezcla puede facilitarse de la siguiente manera:
i) a presion atmosferica mezclando ffsicamente el dioxido de carbono triturado (hielo seco) con otros ingredientes, o
ii) a presion atmosferica mezclando el dioxido de carbono lfquido recien obtenido con otros ingredientes (cuando se bombea desde un recipiente a alta presion, el dioxido de carbono existe como un lfquido por un corto perfodo antes de convertirse en hielo seco solido), o
iii) bajo alta presion donde los ingredientes se anaden al dioxido de carbono en su estado lfquido. Una suspension de dioxido de carbono lfquido a alta presion y otros ingredientes se despresurizan a presion atmosferica en un mezclador a alta presion (ver Figura 2), lo que provoca el endurecimiento de la formulacion con todos los ingredientes uniformemente dispersos. El control de la velocidad de despresurizacion se puede usar para manipular la densidad de carga final.
b. Detonar la carga en un entorno que contiene un medio que es inerte al carbono y enfrfa los subproductos de la detonacion.
c. Separar los subproductos de la detonacion que contienen carbono de acuerdo con el tamano de las partfculas y la fase (diamante frente amorfo y sus combinaciones).
Etapas y justificacion de la unidad de carga de la presente invencion (Cargas CDP)
1. Formulacion
Las formulaciones de magnesio y aluminio CDP de la presente invencion se ajustan a los criterios de energfa para una mezcla explosiva, la cual puede ser qufmicamente sensibilizada para mejorar la velocidad de reaccion si es necesario.
a) Basada en magnesio:
2Mg + CO2 ^-2MgO + C Energfa liberada: 8,75 kJ/g mezcla
52,5 % Mg + 47,5 % CO2 en peso = balance cero de oxfgeno
b) Basado en aluminio:
(4/3)Al + CO2 ^ (2/3)Al 2O3 + C Energfa liberada 9,05 kJ/g mezcla
45 % A1 + 55 % CO2 en peso
Comparaciones: Energfa liberada por el TNT: 4,10 kJ/g;
Energfa liberada por la nitroglicerina: 6,38 kJ/g
Las formulaciones CDP de acuerdo con la presente invencion ofrecen mas energfa por gramo de formulacion que los explosivos tradicionales tales como la nitroglicerina y el TNT. La capacidad para detonar formulaciones CDP, por lo tanto, depende de si la proporcion de energfa liberada es suficientemente rapida como para mantener una onda de choque de detonacion. La velocidad de reaccion esta fuertemente influenciada por el diametro de carga, la cantidad de iniciacion (tamano de cebo o de refuerzo), el confinamiento de carga, densidad, temperatura y sensibilidad qufmica. La adicion de un sensibilizador, tal como un explosivo parecido a RDX, aumenta la velocidad de reaccion. La adicion de agentes de volumen, tales como perlita o globos de vidrio, se puede utilizar para controlar la densidad. Las formulaciones de CDP tambien pueden incluir ingredientes que afectan a la viscosidad del dioxido de carbono lfquido o afectan a su capacidad de disolver o emulsionar completamente otros ingredientes.
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2. Dimensiones de carga y confinamiento
La exploracion del rendimiento explosivo de las formulaciones de CDP se iniciara con el llenado de un tubo de calibre extra grueso (EH, por sus siglas en ingles) de 10,16 cm x 6,3 cm (4" x 2,5"). En un cilindro extremadamente confinado, tal como un tubo de metal de calibre extra grueso, una carga con diametro interno de 5,08 cm x 10,16 cm (2" - 4") de explosivo de minerfa detonarfa con exito con la iniciacion adecuada.
Una buena regla para determinar la longitud de la carga necesaria para una detonacion adecuada es de 8 diametros (Dr. Katsabanis - " Explosives Technology"). Asf, para un diametro interno de 7,62 cm (3"), la longitud de la carga debe ser al menos de 8 x 7,62 cm = 60,96 cm (8 x 3" = 24" o 2 pies). Si se usa un tubo EH de 10,16 cm (4"), que tiene un diametro interno de 8,38 cm (3,3"), las longitudes de carga seran por lo menos de 76,2 cm (2,5 pies). El confinamiento extremo ofrecido por el tubo de calibre extra grueso disminuye el diametro crftico necesario para soportar una detonacion cuando se compara con recipientes alternativos tales como calibres mas ligeros del tubo o tubo de carton.
3. Detonacion
Un tubo lleno con las formulaciones de la presente invencion se denominara como una carga de CDP. Una realizacion de un medio para detonar una carga de CDP es dotar a la carga con un refuerzo de tamano adecuado y un detonador. El objetivo con una carga de CDP es impartir en ella una onda de choque suficientemente fuerte como para iniciar la detonacion y el maximo impacto se suministra por un refuerzo suficientemente grande, cuyo diametro casi corresponde con el de la carga.
La detonacion de una carga de CDP tambien se puede iniciar por otros medios tales como la descarga electrica a traves de cualquier parte de la carga, la ignicion termica, el disparo de un proyectil en ella, sometiendola a alta presion de una prensa hidraulica, por ejemplo, o el uso de explosivo adicional anadido a la formulacion o usado junto con el procedimiento de la detonacion, como en el revestimiento de la pared interna del tubo con explosivo o rodeando un explosivo con la formulacion de CDP.
En el caso de la utilizacion de explosivo adicional, las formulaciones CDP emplearfan un explosivo con un balance neutro a negativo de oxfgeno y el balance global de oxfgeno se calcularfa utilizando todos los ingredientes esperados para el carbono en el ingrediente de dioxido de carbono.
4. Velocidad de detonacion o VOD
La determinacion de la presion de la detonacion de cargas de CDP requiere la medicion de la VOD. La determinacion y registro de la VOD por prueba proporciona datos que pueden ser utilizados para determinar el efecto de preparacion de la carga y la tecnica de detonacion sobre el rendimiento de los explosivos y la composicion de los subproductos.
Se puede utilizar un dispositivo portatil, tal como el registrador de VOD continua de explosivos HandiTrap II de MREL (vease
www.mrel.com) con un ordenador con sistema operativo Windows para medir y registrar esta informacion. Se inserta una sonda en el tubo de una carga de CDP antes del llenado y la sonda se consume en la detonacion.
5. Analisis de subproductos para el diamante
Una realizacion de la presente invencion requiere un pozo de detonacion para recoger subproductos y acceso a un laboratorio analftico para el analisis de las muestras. Con este procedimiento, las cargas de CDP, en general indicadas en 1, en un recipiente de detonacion se subtienden en el centro de un pozo cilfndrico 2 lleno de agua 3 y despues se detonan, como se ilustra en la Figura 1. Los subproductos 4 se hunden hasta el fondo del pozo, donde seran recogidos mediante el lavado y filtracion de parte del agua. Se puede utilizar un floculante, tal como un polfmero anionico soluble en agua, para facilitar la precipitacion del subproducto. Las muestras pueden ser analizadas utilizando una tecnica de reflexion laser, un servicio que puede proporcionarse a traves de cualquier institucion con el equipo necesario, tal como la Universidad de Queen's.
6. Preparacion de la carga CDP - bajo alta presion
Una realizacion de la presente invencion en el area de la preparacion de la carga es mezclar los ingredientes bajo alta presion. El prototipo propuesto ilustrado en la Figura 2 se puede usar tanto para mezclar como para ajustar la densidad.
Las cargas se preparan mediante la adicion de los ingredientes solidos a un mezclador de alta presion 5 enfriado con hielo seco, tapandolo, bombeando CO2 lfquido a alta presion en el recipiente 6 y a continuacion, agitando el contenido con un agitador magnetico 7. Una vez que el material ha sido convenientemente mezclado, se abrira una valvula 8 para reducir la presion en el mezclador a la presion atmosferica, lo que hara que la suspension se
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solidifique y se suspendan los ingredientes de manera homogenea.
Una vez que la mezcla haya solidificado por completo, la tapa 9 se puede abrir con seguridad y retirar la carga 1 como una pieza solida. La insercion de un tubo de carton antes de la mezcla facilitara la extraccion de una carga recien preparada que puede ser detonada a continuacion tal cual o insertarse en un tubo de metal (recipiente de detonacion) del confinamiento deseado. El control de la velocidad de despresurizacion puede ser usado para fijar la densidad de la carga final.
El objetivo del mezclador es crear un entorno en donde el CO2 este en su estado lfquido de modo que los ingredientes se puedan mezclar con exito. El diagrama de fases de temperatura visto en la Figura 3 ayuda a la determinacion de las combinaciones de temperatura y presion que licuan el CO2.
El ensayo de las formulaciones CDP es un proceso iterativo que se ilustra en las Figuras 4 y 5. El uso de un sensibilizador, tal como RDX, se explorara en una unica etapa, si las pruebas revelan que la velocidad de reaccion necesita ser aumentada. En funcion de la naturaleza similar a un disolvente del CO2 lfquido, el RDX y otros sensibilizadores organicos mostrarfan grados variables de solubilidad. La solubilidad de los sensibilizadores organicos puede ser mejorada mediante la adicion de un tensioactivo adecuado.
Las formulaciones CDP pueden incluir agentes que afecten a la viscosidad total del dioxido de carbono lfquido con el fin de asegurar una distribucion homogenea de los ingredientes solidos en la fase de mezcla.
7. Aplicaciones alternativas de CDP
La formulacion de la presente invencion puede ser utilizada para aplicaciones distintas de la creacion de material de diamante industrial. Como explosivo, las formulaciones CDP tendrfan su uso en la industria de la minerfa del carbon como un "explosivo permisible". Una realizacion de un metodo para emplear formulaciones CDP para aplicaciones permisibles de explosivos serfa preparar cargas para su uso inmediato o para bombear la formulacion CDP directamente en perforaciones donde el material se endurece y queda listo para la voladura.
Otro procedimiento con formulaciones CDP esta en el area de los propelentes. Cuando se encienden con una chispa o llama, las formulaciones CDP se queman muy agresivamente y a una temperatura elevada. Anadir un exceso de dioxido de carbono a la formulacion o forrar un nucleo solido con la formulacion CDP con dioxido de carbono solido ofrecerfa un impulso sustancial que podrfa aprovecharse para hacer el trabajo porque el calor producido por la calcinacion de la formulacion CDP evaporarfa cualquier dioxido de carbono adicional, lo que generarfa una presion muy alta.
EJEMPLOS DE FORMULACIONES CDP
Ejemplo n.° 1: Reaccion y formulacion a base de magnesio como un combustible
52,5 % Mg + 47,5 % CO2 ^ 87,0 % MgO + 13 % C
Observese que las formulaciones CDP igualan o superan la cantidad requerida de CO2 para consumir el combustible, lo que da por resultado un balance de oxfgeno neutro a positivo.
Formulacion CDP basica equilibrada en oxfgeno:
Ingrediente
Por ciento en peso
Dioxido de carbono
48 %
Magnesio atomizado
52 %
Se puede anadir un sensibilizador de explosivo a lo anterior, en proporciones que oscilan del 10 % al 70 % del peso total de la mezcla. Un sensibilizador anade la energfa requerida para propagar el proceso de detonacion a traves de toda la mezcla. Se prefieren los sensibilizadores con un balance cero de oxfgeno, tal como el RDX, ya que no afectan al balance global de oxfgeno.
La cantidad de sensibilizador requerido depende de la composicion y del tamano de las partfculas de la fuente de combustible. Por ejemplo, en el caso del uso de magnesio como un combustible en la formulacion de la presente invencion, el magnesio molido mas grueso origina una mayor demanda de energfa en la reaccion, que necesita ser compensada por la energfa proporcionada por el sensibilizador.
Ejemplo n.° 2: Reaccion y formulacion a base de aluminio como un combustible
45 % Al + 55 % CO2 ^ 85 % AhO3 + 15 % C
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Observese que las formulaciones CDP igualan o superan la cantidad requerida de CO2 para consumir el combustible, lo que da por resultado un balance de oxfgeno neutro a positivo.
Formulacion CDP basica equilibrada en oxfgeno:
Ingrediente
Por ciento en peso
Dioxido de carbono
55 %
Aluminio atomizado
45 %
Prueba CDP
Todas las cargas se probaron con el siguiente procedimiento:
a) Tubo EH de 10,16 cm x 76,2 cm (4" por 2,5 pies); formulacion no sensibilizada
b) Prueba de la densidad de la mezcla (~1,5 g/cc) y en las siguientes densidades: 1,25 g/cc y 1,0 g/cc
c) Basado en las mediciones de la VOD, probar las densidades de respuesta mas energetica con distintos niveles de RDX en caso necesario, a partir del 10 % y aumentando en incrementos del 5 %.
d) Determinar la VOD en funcion del porcentaje de sensibilizador
e) Determinar las fases de carbono y la distribucion de tamano en funcion del porcentaje de sensibilizador
Las muestras se prepararan, detonaran, y se mediran sus VOD. Las primeras pruebas se llevaran a cabo con el tubo EH de 10,16 cm x 6,35 cm (4" x 2,5"), que tiene un diametro interno de 8,38 cm (3.3"). Los resultados iniciales revelaran el rendimiento explosivo a traves de un espectro de formulaciones CDP que no incluyen sensibilizador. Los resultados de la VOD ofreceran orientacion sobre la marcha conforme se completen las pruebas e indicaran como proceder mejor.
La densidad de carga se manipulara mediante el control de la velocidad de solidificacion y la velocidad de mezcla. Si las pruebas revelan que se requiere un mayor control de la densidad, entonces se agregara un agente de volumen adecuado como perlita a la formulacion para reducir la densidad. Una desventaja de la adicion de un agente de volumen es la disminucion proporcional de la energfa por gramo de formulacion, que podrfa posteriormente disminuir la VOD y la presion de detonacion.
Si la prueba de las formulaciones iniciales indica la necesidad de aumentar la velocidad de reaccion, las pruebas se pueden repetir con otros agentes reductores alternativos, un tubo de diametro mas grande, y con porcentajes mas altos de RDX o un sensibilizador completamente diferente. El explosivo RDX ofrece un nivel deseable de energfa por gramo y se vuelve mas sensible a temperaturas mas bajas, lo que le convierte en un candidato atractivo como sensibilizador (Wikipedia - RDX, Propiedades). Debido a la naturaleza similar a un disolvente organico del CO2 lfquido, los sensibilizadores a base de carbono tales como RDX deberfan ser facilmente solubles especialmente con la ayuda de un tensioactivo. La solubilidad completa del sensibilizador aumenta la sensibilidad general de las cargas CDP debido a un mayor contacto entre los ingredientes.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de produccion de un material que contiene diamante de distintos tamanos a partir de la detonacion de una formulacion explosiva con un balance de oxfgeno de positivo a neutro, que comprende las siguientes etapas:
    (a) preparar una carga (1) mezclando dioxido de carbono (CO2) y un agente reductor que comprende metal en polvo o atomizado que descompone dicho CO2 exotermicamente durante la detonacion, en el que la carga (1) se prepara con al menos la cantidad exacta de CO2 necesaria para que coincida con la demanda de oxfgeno del agente reductor, de manera que la carga (1) tenga un balance de oxfgeno de positivo a neutro, no estando incluido el carbono del CO2 en el calculo del balance de oxfgeno;
    (b) detonar la carga (1) en un entorno que contenga un medio (3) que sea inerte al carbono, enfne los subproductos de la detonacion y proteja los subproductos (4) de carbono de la posterior descomposicion qmmica, en el que el agente reductor se oxida por el CO2, quedando el carbono, el cual se comprime a diamante por la fuerza de la detonacion y
    (c) separar los subproductos (4) de la detonacion que contienen carbono de acuerdo con el tamano de las partfculas y la fase.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el metal en polvo o atomizado es aluminio.
  3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el metal en polvo o atomizado es magnesio.
  4. 4. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el dioxido de carbono se selecciona del grupo que consiste en dioxido de carbono triturado o granular (hielo seco), dioxido de carbono lfquido o una suspension de dioxido de carbono lfquido a alta presion.
  5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que la carga (1) se prepara mezclando ffsicamente, a presion atmosferica, hielo seco triturado con otros ingredientes.
  6. 6. Un metodo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la carga (1) se prepara mezclando, a una presion superior a la presion atmosferica, CO2 lfquido recien adquirido con otros ingredientes.
  7. 7. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que la carga (1) se coloca en una camara de detonacion llena de agua libre de oxfgeno (3).
  8. 8. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que se anade un sensibilizador explosivo a la carga (1).
  9. 9. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el sensibilizador explosivo es RDX.
  10. 10. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que la carga (1) se detona en agua (3) y se emplea un floculante para facilitar la precipitacion del subproducto (4).
  11. 11. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente en el que la carga (1) se detona en un tubo de metal de calibre extra grueso.
  12. 12. Una formulacion detonable para un material que contiene diamante que comprende dioxido de carbono (CO2) y un agente reductor que comprende metal en polvo o atomizado que descompone dicho CO2 exotermicamente durante la detonacion, en el que la formulacion detonable se prepara con al menos la cantidad exacta de CO2 necesaria para que coincida con la demanda de oxfgeno del agente reductor, de manera que la formulacion detonable tenga un balance de oxfgeno de positivo a neutro, no estando incluido el carbono del CO2 en el calculo del balance de oxfgeno.
  13. 13. Una formulacion detonable de acuerdo con la reivindicacion 12 que puede resistir una onda de choque y que utiliza el CO2 con el agente reductor como base para la liberacion de energfa y la generacion de la presion explosiva.
  14. 14. Una formulacion detonable de acuerdo con la reivindicacion 12 o 13, en la que el metal en polvo o atomizado es aluminio o magnesio, o una aleacion de aluminio y magnesio.
  15. 15. Uso de la formulacion detonable de una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14 para producir un material que contiene diamante de diferentes tamanos, que comprende:
    (a) preparar una carga (1) que comprende la formulacion detonable;
    (b) detonar la carga (1) en un entorno que contenga un medio (3) que sea inerte al carbono, enfne los subproductos de la detonacion y proteja los subproductos (4) de carbono de la posterior descomposicion qmmica, en el que el agente reductor se oxida por el CO2, quedando el carbono, el cual se comprime a diamante
    por la fuerza de la detonacion y
    (c) separar los subproductos (4) de la detonacion que contienen carbono de acuerdo con el tamano de las partfculas y la fase.
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