红光烟火药的国内外研究现状及发展趋势
来源:用户上传
作者:
摘要：含有锶盐的烟火药燃烧时产生Sr0、SrC1等分子辐射体，在620 - 750 nm范围内表现为带状光谱，呈现红色火药，可用于远距离信号传递。在综述红光烟火药国内外研究现状的基础上，提出开展红光烟火药配方的理论设计方法、环境友好型红光烟火药配方的研制和红外脉冲信号剂的开发是该领域未来重点研究的方向。
关键词：烟火药;燃烧;红光火焰;有机粘结剂
中圖分类号：TJ534.1
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.024
1 引言
烟火药燃烧能够产生光、色、烟、热和声响等特种效应，在航空航天、工农业生产、军事、电影摄制等领域得到广泛应用。红光信号剂通过气态分子辐射而发光，并对外表现出相应的色彩，这要求红光烟火药燃烧的中间产物中有大量的蒸气状态的红光辐射体分子，从而使火焰着色呈红色火焰，并在可见光谱范围内呈现出一定波长的谱带或谱线[1]。现在通用的烟火药配方中锶盐经过燃烧反应转化为氯化锶（ SrCl），可以使燃烧火焰呈红色，因此常用SrC1做为烟火药燃烧火焰的红光辐射体[2]，因此目前使用的红光烟火药材料中含有六氯代苯、聚氯乙烯或氯化橡胶等有机氯化物，为了造粒成型还使用了虫胶、酚醛树脂等粘结剂，这些材料燃烧时生成的产物对人类有毒害作用，对环境也会造成严重的污染，可见开发环境友好型红光烟火药配方成为该领域研究的热点之一。本文在综述国内外红光烟火药研究现状基础上，提出了红光烟火药的发展趋势，以促进红光信号剂相关理论和技术的快速发展。
2 红光烟火药国内外研究现状
红光烟火药由氧化剂、可燃物、粘合剂和染焰剂等组成，其中染焰剂采用硝酸锶、碳酸锶等锶盐，燃烧时产生红光。1986年，徐云庚[3]提出由KC104、SrC03和粘合剂组成的红光烟火药，在长期保存过程中没有发生很大的化学变化，只不过受湿度的影响，其燃烧速度及对热冲量的感度有所降低。1995年，李智等[4]对含硝酸锶烟火剂进行了吸湿性实验，研究发现，与硝酸钡类烟火剂相比，硝酸锶类烟火药化学稳定性更差，尽管如此，红光信号弹也可贮存10年以上，这主要是药剂被压制在管壳中，能有效防止潮气进入，另外，成品药柱的吸湿性要比散装药剂小得多，因此，对于这类药剂只要采取适当的措施完全可以长期贮存。1997年，王春年[5]提出了二对苯二甲酸氢锶烟火剂，31%二对苯二甲酸氢锶、4%缓燃剂和65%高氯酸钾组成的配方，燃烧时喷出绚丽的红色火焰。1999年，鸿雁[6]指出了几种常用红光生色材料，碳酸锶能产生很美丽的红色火焰，但在烟火药中百分比高时，会产生许多烟，造成燃烧速度慢，草酸锶的效果与碳酸锶相同，硝酸锶是相当容易吸湿的，这是它的弱点。廉价的碳酸钙有时也可用做红光生色材料，它所产生的火焰是浅红橙色。并提出了一种实用红色烟火剂的配方为70%高氯酸铵、l0%碳酸锶和20%木粉。另外，鸿雁[7]列出部分红光信号火和红光火炬的制作方法，要求烟火药必须产生最强的红色，尽可能缓慢而有效地燃烧，并且不要产生太多的烟。并指出配方中加入石蜡油作为减速剂，同时起到防湿作用，如果硝酸锶的红光烟火药有水分时，在水分干透之后，药剂和管壁之间留下缝隙，增加了燃烧速度。2001年，周志平[8]从烟火药三大要素的合理选择人手，论述了烟火药的安全问题，通过比较两种红色烟火药配方的发火点、撞击感度、摩擦感度和火焰上限，得出配方一（组成为60%氯酸钾、26%碳酸锶、9.5%虫胶、4.5%酚醛树脂）不如配方二（组成为54%硝酸锶、24%合金粉、13%聚氯乙烯、8%虫胶、l%石墨）安全。2002年，刘小瑜等[9]介绍了RT烟火药由镁粉、硝酸锶、聚氯乙烯机械混合而成，介绍了各组分测定的原理及方法。2004年，饶美香[1O]提出了八种常用红色火焰剂的参考配方，火焰颜色是由于药剂燃烧时它的各组分间因化学作用而生成原子或分子，且以一定的频率振动，在可见光谱范围内呈现一定谱带或谱线，从而使火焰着色成为有色火焰，这就是“焰色效应”。2006年，饶美香[11]指出，红色烟火药中的锶和氯原子反应产生SrCl，分子态SrCl能够产生红色火焰。硝酸锶常在红色烟火药中起氧化和色源作用，因吸湿性较大，不能用水调湿使用，碳酸锶的吸湿性较小，在适当条件下可以使用，然而它含有惰性阴离子—碳酸根离子（ C03-2），比例必须低，以免燃烧困难。为避免火焰中的SrC1氧化，希德洛夫斯基建议使用负氧平衡的药剂，这样能使SrC1氧化反应减小到最低限度并且提高颜色质量。2015年，JESSE等[12]指出，红光信号剂一般含有金属镁、硝酸锶、聚氯乙烯和有机粘结剂。它们一旦燃烧会产生氧化镁、SrC1气体和SroH气体，后两者是产生红光的源泉。但是其中的聚氯乙烯与有机粘结剂混合燃烧后会产生高致癌的多氯代芳香化合物，美德联合研究出低成本、环境友好的红色信号弹，他们采用了5一氨基四唑或六次甲基四胺代替原配方中的聚氯乙烯，使其燃烧后产生更多的SrOH气体，该配方初始分解温度高，而且还对各种点火刺激都很钝感。ARNO等[13]发现锆比镁反应慢，保持火焰热度的时间更长，能量转化效率更高，发光时间更长，燃烧产物二氧化锆在高温下为黑色，可见性更强，因此他们用锆代替镁研发出锆基红色照明剂，由锆/铝作燃料组成的、主波长为630 nm的一个配方的饱和度达gg%，由锆、硝酸锶、聚偏二氯乙烯、酚醛树脂组成的配方比照强度达到了55 900 cd.s.g-l.sr1，高出镁基配方26%。
2017年，ANIRUD等[14]提出了用火焰的颜色和发光强度来表征烟火燃烧火焰，通过试验和理论预测对五种彩色烟火火焰进行了研究，采用平衡热化学分析的方法对五种彩色火焰的燃烧产物和燃烧温度进行了理论计算，并对燃烧产物中的光谱辐射体进行了加色混合，火焰色度的理论预测结果与实验测试结果一致，验证了颜色预测方法的合理性。对于由KC104、 Mg、SrC03.（ C2H3C1）n和CIOHIIC117组成红光烟火药配方，配比为45：20：20：8：7，其红光辐射体为SrC1，白光辐射体为Mg0，燃烧温度3 012 K，发光强度6 807.07 cd.计算的光谱波长606 nm，实验的光谱波长607 nm，计算的光谱纯度76%，实验的光谱纯度80%。 3 发展趋势
开发高效、低成本、环境友好的红光信号弹，将是一个非常具有挑战性的课题。基于红光烟火药的国内外研究现状，其深入研究应在以下几个方面展开：①红光烟火药配方的理论设计方法。烟火学的发展长期处于技术阶段，其理论研究远远落后技术，目前红光烟火药集中在配方的经验传承和实验研究方面，理论研究的落后无疑会影响和阻碍红光信号弹药的快速发展。②环境友好型红光烟火药配方。有机氯化物与有机粘结剂是红光烟火药配方的重要组分，二者的混合燃烧可以产生多氯代二苯并呋喃、多氯代联苯和多氯二苯并二噁英等高致癌性物质，因此发展无毒、环保友好型红光烟火药配方迫在眉睫。③红外脉冲信号剂的开发。这种药剂燃烧时属于周期性的脉冲燃烧，当改变药剂配比时，脉冲频率可在0.1 -1 000 Hz范围内变化，特别适用于编码序列，文献[15]列出了两种红光脉冲信号剂的成分配比和燃烧频率，值得深入研究。
参考文献：
[1]希洛夫.烟火药火焰的发光[M].北京：国防工业出版社.1959.
[2]焦清介，霸书红.烟火辐射学[M].北京：国防工业出版社.2009.
[3]徐云庚.混合烟火药剂的禁忌问题[J].爆破器材，1986（4）：28-29.
[4]李智，何魁元.含硝酸锶烟火剂的化学安定性研究[J].火工品.1995（3）：23-25.
[5]王春年.二对苯二甲酸氢锶彩色烟火剂[J].火工品，1997（3）：46-48.
[6]鸿雁.有色烟火剂[J].花炮科技与市场，1999（1）：33-35.
[7]鸿雁.一组产品的制作[J].花炮科技与市场，1999 （2）：11-12.
[8]周志平.烟火药剂配方安全化的研究[J].花炮科技与市场，2001（2）：19-22.
[9]刘小瑜，许舟，张爱华.RT烟火药组分测定方法[J].火工品，2002（ 2）： 41-44.
[10]饶美香.烟火效应浅论[J].花炮科技与市场，2004，11（3）：13-19.
[11]饶美香.烟火药剂的焰色效应[J].火工品，2006（ 5）：54-56.
[12] JESSE J.Sabatini， JAY C.Poret.New pyrotechnic signalflare compositions based on cheap established andenvironmentally acceptable ingredients [C]//46thintemational annual conference of the Fraunhofer ICT.2015.
[13] ARNO H，MATTHIAS W，OLIVER P.Zirconium basedred pyrotechnic illuminants[C]//47th intemational annualconference of the Fraunhofer ICT.2016.
[14]ANIRUD H，AMBEKAR，MINSUN K，et al.Characterization of display pyrotechnic propellants： colored ligt[J].Applied Thermal Engineering， 2017（ 110）： 1066-1074.
[15]潘功配，楊硕.烟火学[M].北京：北京理工大学出版社.1997.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14992112.htm
