烟花化学_郭祥熙.pdf

撤豁撒!!.理论研究《花饱科技与市场》2001年 第1期铝热剂的组成和燃烧原理三分重量 的氧化 铁与一份重 量 的铝 粉混合,这种混合 物 叫做“铝热 剂”点 燃 时铝热 剂按下 列方 程式 反 应 生 成 温 度 约2400C的铁水和氧 化铝:Fe:03+ZAI一AI:03+ZFe十ZO0 kc将铝 热剂装 到一 个细 长的纸管 内制成小 药筒,点燃药 筒有 铝热剂 露 出的一端铝热 剂不能用火 柴点燃,但是 可以用较强 的热源例 如烟 花的火焰 点燃由此可见,点火 要求 一定量的能 量才能 点燃反应 物,点火 要 求的最 低 能 量 叫做“活 化 能”,用符号Ea表示铝热 剂一旦点燃,反 应就 自己维持沿药筒进行 到另一端图1是这 种现 象示意图图中假定反 应过程中药筒 的原 始形 状保持 不 变图中A区是 尚未 反应 部分,B区是 反 应区,C区是已完成 反 应部分A区与C区材 料 的区别是 通 过B区改变的原 子组合在B区,铝热剂 反应放 出叫做“燃 烧 热”的相 当热 量,放出的燃 烧 热 等于A区材料 的生成热与C区材料的生成热之差燃烧 热 提高C区的 温度并且 通 过 辐 射、传导等逐渐 减 少;另外还有 部分燃 烧 热返回八区使界面c`d`温度提高到继 续 激发 后 面的材 料 反应,把返回A区的这部分 热 叫做“返回能”,用符 号Ev表不。

反 应区B看 来 是 象 机 械 波 那 样 沿 药 筒 移动,通 常把 这 种波 叫做“燃烧 波”铝 热剂反应 大 致 是固—固(或固—液)反应,几乎全部 燃 烧 热 都用 于提 高生成 材 料C的温 度即集 中 在 狭 小的 空间,因而达 到 象2 魂OC那 样特别高的温度烟花药剂燃 烧反应 与铝热 剂反应原 理相 同,但比侣热 剂 反 应 复 杂 得多下一 霎缪纂冷狱《令 冷冷冷冷0.0:Fe,一 :A I图1铭热 剂 燃烧反应示意图烟花药剂 通常 由固体材料组 成,其中至 少包含一种在 燃 烧反 应 中生成氧 的物 质和另一种 在燃烧反 应中吸 收氧的物质,前一 种 物质叫做“供氧剂”,而后 一种物 质则 叫做“可燃物”烟花药 剂《花绝科杖与市场》2001年第1期.理论研究姗 戮 麟}姗 熬}中包含 的作为 组分的其他材料根据使用 目的选择气体膨胀吸收一部分燃烧热,因而烟 花药剂完全反应区通 常比铝 热剂 完全 反应区温度低火焰通常是气体在高温下相 互反 应 产生 的火焰反应不仅由火焰 中剩余氧 的加速,也受空气中氧 的加速点火和活化能活化能烟 花药 剂着 火的温度 叫做“着火点”。

看起来非常 简单,实际 上从以下说明就 知道着 火温度不是严格 确定的将一种 烟 花药剂 保持在 较高的恒定温度下直 到着火 为止测定温度T和等待时 间(从开始加 热到 着火 为止的 时间)在各种 温度下 试验,把试 验结果画成 图2所 示曲线曲线I和曲线I分别 是两 种不同烟花药 剂 的T—t关系曲线实际上用等待时 间为4或5秒的温度作为着 火点引发 烟花 药剂 燃烧反应 所 需 要 的活 化能可用下式 表示:_ 土. }丫派T七口T七一T图2着火 的T一t关系曲线Ea一C(Tb一T)上式 中,Ea是在 起始 温 度T下 每单位重量 烟花药剂的实际 活化能,C是其平均比热,Tb是烟花药剂的着火 点烟 花药剂 通常不是 均匀 的 固态混合物,因此不 能象在气态那样使用 由麦克思韦分布定律导 出的 活化能表 示式在烟 花药 剂表面上点 火 时先在表 面上造 成一些热点,接着再 放大这些 热点为了达 到点火目的,必 须供给药剂表面至少超过其活化 能量 的一定量 能量供给能量有 几种方 法;一种 是用另外的热源 通过 幅射和传导作用 提高药 剂表 面 的温度(间接法);另一种通 过摩擦或打击等机械作用(直接法)或某种化学反应。

着火通常 是在几 种作用联合作 用下发生 的,以下分别说明以便尽可能说明点 火机理热辐射点火用凸透镜将 太阳光线聚集 到 烟花 药剂 表面上,药剂 表面就会逐 渐受热 直到点火可以用测定等待时间 的方法 检验药剂 的着火感 度首先 我们知道黑色药 剂比白色药剂着 火 容易 得多,这自然 是在预料之 中的添加2% 的木炭 或灯黑证 明有提高白色药剂着火感 度 的作用,木 炭颗粒越 细作用越 大,灯黑比木炭作用更大例 如象 在固体火 箭燃 料 中那样 添加少量 燃烧催化 剂,由于药 剂 中氧化剂种类不同作用也不同例如 添加2%的重铬酸钾对 含高氯酸铁或 硝酸钾的药剂催化作用 很大,但 对含氯酸钾或高氯酸钾 的药剂几 乎不起 作用氧化剂 的种类对 着火有 很大影 响氯酸钾和高 氯酸按是最佳着火 促进 剂,其促进作用 随着燃料 种类不同而不同例如氯酸钾比高氯酸钱 对虫胶 或精 制松香(一 种高熔 点松香)的促进作用大;但对松 香的促进 作用则正好相 反,也就 是说高氯酸钱比氯酸钾 的促进作用大高氯酸钾不如氯酸钾或高氯酸钱 促进作用大然而粗略地说来,添加木炭 等使其变 黑 的含高氯酸钾 药 剂与 含氯 酸钾 或高氯 酸按 的白色药剂 的着火感度几乎相 同。

含硝酸钾 药剂 的着火感度最低必 须注意黑火药和其他 同一类型药剂尽管是黑 色,但是辐射着 火感度却比可能预 料的低例 如,含7 5:15:10硝酸钾、木 炭和硫黄的黑火 药,与含高氯酸 钾药剂的着 火感度几乎相 同,比含氯酸钾或高氯酸铰的药剂的着 火感度低如果进一步提高木炭 含量,1 9..理论研究雄 娜《花饱科杖与市场》20 01年第1期黑火药辐射着 火感度还会 进一步降低作者还不能确定原因,但是木 炭或其他碳粒子 含量 无疑不应高到使药剂 的辐射着火感度 过分提高普通药剂中,木炭或其他碳粒 子 含 量 应该不 超过2%四氧 化三 铅和2 0% 硅 铁组 成 的红火药,与含高氯 酸钾 药剂 的辐射着火 感 度几乎一样热传 导点 火在很 多情 况 下将专 用 点 火药 涂 覆或 压装在主装药剂上,为 的是先点 燃点 火药 后再由点火药点燃主装 药以下 把点 火药 叫做“第一药剂”,主装 药 叫做“第二药 剂”第二药剂主要由第一药剂传导给 它 的热量点 燃首先 必须明确第一 药剂 的特性将第一药剂涂 在小 白铁罐的外 壁上,罐内装满水,水通过罐壁 吸收第 一药 剂 的燃烧 热药 剂 的导热性 通常不好,传给罐壁的热仅来自与罐壁接触的最 后一薄层药剂。

每 一 单位 面积 罐壁传人 水 中的热量叫做“点 火力”含高 氯 酸 钾 药 剂 的 点 火 力 最 大(约1 6ca l/cm之),而且黑 色 含 高 氯 酸 钾 药 剂 还比白色 含高氯 酸钾药 剂 的点 火力 大含氯酸 钾或 含高氯酸钱药 剂 的点火 力约 是 含高氯酸钾药 剂 的一半,而且其点火力 与 药剂颜 色 几乎无关最常用 作的第一药剂 的黑 火药的点 火力,只有 白色 含高氯酸 钾药剂 的一半必须 特别注意红火药有 极 大 的点 火力红火 药 的点火 力是 白色含高氯酸 钾 药剂 点火 力的三 或四倍,甚至是黑火药点火 力的八倍但是红火 药对摩擦敏感,使用 时必须在 涂 覆面 上加 盖保护下一 个 问题是如何点 燃第二药 剂分别用黑火药和红火 药作第一 药剂,试验结果 如下:( 1)用黑 火药作第一药剂在这 种 情 况下含氯酸 钾药剂 总是 十分容易点燃,几乎与所 含燃 料种类无关;这 种药剂内含少量碳粒 更能保证点火含高氯酸钾药剂不 象氯酸钾药 剂那样容易点燃,特别是 白色 含高氯酸钾药剂相当难 点燃然而灯 黑使含高氯酸钾药 剂容易点燃,效果比松木 炭大添加 少量重铬酸钾 对含高氯 酸钾药剂 的着 火性改进特别大,这与 在辐射点 火情况下 添加 重铬 酸 钾对 含高氯酸钾药 剂几乎不起催化作用有很大区别。

用黑 火药点 燃 含高氯酸铰药剂总是不成 功,因为 黑火药与含高氯酸按药 剂 之间生成一薄 层 吸湿 性硝酸铰 干 扰点火因此,含高氯酸按药剂必须 用另 外的药剂作第一药 剂燃料种 类对 着火的影响很 大精制松香作燃料 的药剂 几乎 总有 优 良的着 火性,即使用作含 硝酸钾药剂 的燃料也有 良好的着 火性松根沥青比精制松香 作燃 料的着火 性更好虫胶或松香作含氯 酸钾药剂的燃 料有 良好着火 性,但用于含高氯酸盐的药 剂则着 火性不好,而用于含硝酸 钾的药剂 中则 完全点不着2)用 红火 药(8:2铅丹 与 硅铁粉混合物)作 第一药 剂在这 种情况下,含氯 酸钾 或高氯 酸铰的药 剂有 特别 好的着火性含高氯酸 钾 的药 剂也有良好着 火性,使用虫胶 作 燃 料的含高氯酸 钾 药 剂 例外含硝酸钾 药剂特别 难点 燃以上试 验 结果是 由大约 1 40种 不同基 本 药剂的 系统试验 得出的实际上烟花药剂通 常 由较复杂的组分组成,实际结果 有时可能与以上所 说的试 验结果不 同,从以上结果 只能 得出一般 结论对于难点 燃 的药剂例 如 铝粉 与 硝 酸钾 或硝酸钡 的混合物,建议用7.2介绍 的另一 种点火方式。

机械 作用点火机构 作用 包 括摩擦、打击和急 速压 缩 空气人类自古以来就用上述方 式得 到火,至今仍以火柴、打 火 机形式使用并且 用于某些 内燃 机点火这些产生 火的方 法在烟 火技术中十分重要需要详细说明《花饱科技与市场》2001年第1期{,{;!;;;.理论研究麟姗撇撇使用木 器摩擦生火臼和柞用 很硬的木材制成,将柞的一端压在臼上用某种装置使其高速转动臼与柞的接 触点逐渐变凹、发烟并 且在柞的周 围逐 渐产 生 碳化 木粉用 力将 柞压 到臼的边缘会有小 热点如果对 热点 吹风,碳化 木粉就 会着火,火有碳化木粉(木 炭粉)覆盖可适 当维持用上述方 式试验 成功率仅为3一6%但是我 们祖 先使用的钻 木取火方 法 更 简 单,留传至今上述方 法难于成 功可能是 由于:(1 )摩擦面太宽,不能聚集摩 擦 热于一 点;(2 )碳化 木粉所 需热量消耗了摩擦 生 成的热;(3 )摩擦热 通过臼和柞传导散失;(4 )木 粉碳 化 生 成的树脂和焦 油起润滑剂 作用,摩擦 热减 少;(5 )实验得出碳 化木 粉 的着火 点是 3 0一40 0C,相 当高扩 大热点使用的方法 是,给 热点供氧以便点燃 附近的碳化木粉。

即扩 大热 点的法则可以是:(1 )由热 点加热着 火的物质 必须 与热 点接触;(2 )必须 由外 界 供 氧或 者是 着 火 物必 须 含 氧;(3 )着火物 必 须容 易在 较 低 温度下着火;(4 )扩大热点的位置 必 须 防止振 动、冲击、热 散 失和 吸热 反应等上述条件 或法 则不 仅适用于上述取 火方 式,而且 适用于其他生火方 法,例 如现代的火柴 就是利用上述法则改进 的用 打 击 法 产生 热 点可能 是比摩擦 法 先进 的方法打击 法是用隧石与金属相 互打击 的方 法产生火 花,产生 的火花真正是热点这种方 法 的优点如下:(1 )由于可以尽可能缩 小打击面,因而 容易集 中热于特别狭 小 的区间;(2 )热 点是迅速 离开器 具从而不 受 热传导 影 响 的火 花;(3 )热点的本质是一组 与空气中氧气密 切接触的 特别小的微粒因而 打击法产生 的热 点有 特别高的强度打击法 是通过微粒材料 表 面氧 化得 到 热点的,因而不能 在真空或惰性气体中应用打击法使用 的工具由两部分组成:一部分硬而坚韧;另一部分硬而脆,打击时能变成微粒,着火点也较低落后地区使用 的打火工具 是隧 石和黄铁矿 或隧石和钢火 镰。

隧石是一种微 晶体 结构的石英,而且 很坚硬隧石通 过打击作用 给予对方 能量并且将其一小 部分 打碎成 为微粒,使 对方黄铁矿或钢 火镰被打碎 成 的微 粒受 热达 到 着火点形成火花黄铁矿或钢。