Compoziția pirotehnică: clasificare, componente, utilizare

O compoziție pirotehnică este o substanță sau un amestec de componente concepute pentru a produce un efect sub formă de căldură, lumină, sunet, gaz, fum sau o combinație a acestora, care rezultă dintr-o reacție chimică exotermă autonomă care are loc fără detonare. Un astfel de proces nu depinde de oxigen din surse externe.

Clasificarea compoziției pirotehnice

Acestea pot fi împărțite în funcție de acțiunea lor:

• Flacără.
• Fum .
• Dinamic.

Primele două grupe pot fi subdivizate în tipuri mai mici.

Retardator de flacără: retardator de flacără, semnal pe timp de noapte, trasor și unele incendiare.

Grupa fumigenă include compoziții pentru semnalizare și mascare pe timp de zi (ceață).

Pirotehnică de bază

Efectele menționate mai sus (lumină, sunet și așa mai departe) pot fi create cu astfel de componente:

• Pulberea flash - arde foarte repede, producând explozii sau explozii luminoase.
• Praf de pușcă - arde mai lent decât pulberea, degajă cantități mari de gaz.
• Propulsori solizi - produc mulți vapori fierbinți, utilizați ca surse de energie cinetică pentru rachete și rachete.
• Inițiatori pirotehnici - produc cantități mari de căldură, flăcări sau scântei fierbinți utilizate pentru a aprinde alte compoziții.
• Încărcături de ejecție - ard rapid, produc mult gaz într-un timp scurt, utilizate pentru a elibera încărcăturile utile din containere.
• Încărcături explozive - ard rapid, produc cantități mari de gaz într-un timp scurt, utilizate pentru a zdrobi un container și a arunca conținutul acestuia.
• Compoziții fumigene - arde lent, produce ceață (simplă sau colorată).
• Compoziții întârziate - arde la un ritm constant, liniștit, folosit pentru a introduce întârzieri în rezerva de foc.
• Surse de căldură pirotehnică - emit cantități mari de căldură și gaze greu difuzabile, cu ardere lentă, adesea asemănătoare cu termitele.
• Lumini Bengal - produc scântei albe sau colorate.
• Flăcări - ard lent, creează cantități mari de lumină, utilizate pentru iluminare sau semnalizare.
• Compoziții pirotehnice colorate - produc scântei ușoare, albe sau multicolore.

Aplicații

Unele tehnologii de compoziție și produse pirotehnice sunt utilizate în industrie și în aviație pentru a genera volume mari de gaz (de exemplu, în airbaguri), precum și în diverse monturi și în alte situații similare. Ele sunt, de asemenea, utilizate în aplicații militare, unde sunt necesare cantități mari de zgomot, lumină sau radiații infraroșii. De exemplu, rachete momeală, rachete de semnalizare și grenade paralizante. O nouă clasă de compoziții de materiale reactive este în prezent investigată de armată.

Multe compoziții pirotehnice (în special cele care implică aluminiu și perclorați) sunt adesea foarte sensibile la frecare, impact și electricitate statică. Chiar și o scânteie de numai 0,1 până la 10 milijouli poate provoca anumite efecte.

Praf de pușcă

Este o pulbere neagră cunoscută de mulți. Este cel mai vechi exploziv chimic cunoscut și constă într-un amestec de sulf (S), cărbune (C) și nitrat de potasiu (nitrat, KNO 3). Primele două componente acționează ca și combustibil, iar cea de-a treia ca și oxidant. Datorită proprietăților sale de aprindere și a cantității de căldură și de gaz pe care le produce, praful de pușcă este utilizat pe scară largă la fabricarea de propulsoare în armele de foc și artilerie. Utilizat, de asemenea, la fabricarea rachetelor, a artificiilor și a explozivilor în cariere, în minerit și în construcția de drumuri.

Indicatori

Praful de pușcă a fost inventat în China în secolul al șaptelea și s-a răspândit în cea mai mare parte a Eurasiei până la sfârșitul secolului al XIII-lea. Dezvoltată inițial de taoiști în scopuri medicinale, pulberea a fost folosită pentru război în jurul anului 1000 d.Hr.

Praful de pușcă este clasificat ca exploziv slab exploziv din cauza ratei sale relativ scăzute de descompunere și a strălucirii scăzute.

Putere explozivă

Aprinderea prafului de pușcă împachetat în spatele proiectilului generează o presiune suficientă pentru a provoca o împușcătură cu viteză mare de la gura țevii, dar nu suficientă pentru a rupe țeava armei. Astfel, praful de pușcă este un bun combustibil, dar este mai puțin potrivit pentru demolarea pietrei sau a fortificațiilor din cauza puterii sale explozive scăzute. Prin transferul unei cantități suficiente de energie (de la substanța în flăcări la masa ghiulelei și apoi de la aceasta la țintă prin muniția de impact), bombardierul poate în cele din urmă să zdrobească apărările fortificate ale inamicului.

Praful de pușcă a fost utilizat pe scară largă ca umplutură pentru proiectile și a fost folosit în proiecte miniere și de inginerie civilă până în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, când au fost testați primii explozibili. Pulberea nu mai este utilizată în armele moderne și în aplicațiile industriale din cauza eficacității sale relativ scăzute (în comparație cu alternative mai noi, cum ar fi dinamita și nitratul de amoniu sau păcura). Astăzi, armele de foc cu praf de pușcă sunt limitate în principal la vânătoare, tir la țintă.

O sursă de căldură pirotehnică

Compozițiile pirotehnice sunt un dispozitiv pe bază de combustibil cu un aprinzător adecvat. Rolul lor este de a produce o cantitate controlată de căldură. Sursele pirotehnice se bazează, de obicei, pe combustibili oxidanți de tip termit (sau retardator) cu o rată de ardere redusă, cu o producție mare de căldură la temperatura dorită și cu o formare de gaze redusă sau inexistentă.

Acestea pot fi activat în mai multe moduri. Chibriturile electrice și capacele de impact sunt cele mai frecvente.

Sursele de căldură pirotehnică sunt adesea folosite pentru a activa bateriile, unde servesc la topirea electrolitului. Există două tipuri de bază design. Se folosește o bandă de fuzilare (care conține cromat de bariu și pulbere metalică de zirconiu în hârtie ceramică). De-a lungul marginii sale, compozițiile de granulație termică pirotehnică sunt folosite pentru a iniția combustia. Banda este de obicei aprinsă de un dispozitiv de aprindere electric sau de o bujie.

Cel de-al doilea model utilizează o deschidere centrală în pachetul de baterii în care un aprinzător electric de mare energie eliberează un amestec de gaze combustibile și becuri cu incandescență. Designul cu o gaură centrală permite timpi de activare considerabil mai scurți (câteva zeci de milisecunde). Prin comparație, în cazul dispozitivelor cu o bandă de margine, această cifră este de ordinul sutelor de milisecunde.

Bateria poate fi declanșată și de un amorsă de impact, similar cu o pușcă de vânătoare. De preferință, sursa de impact ar trebui să fie lipsită de gaz. În mod normal, amestecurile pirotehnice standard constau din pulbere de fier și perclorat de potasiu. În ceea ce privește raportul de greutate, acesta este 88/12, 86/14 și 84/16. Cu cât nivelul de perclorat este mai ridicat, cu atât mai mare este degajarea de căldură (nominal 200, 259 și 297 calorii/gram). Dimensiunea și grosimea peleților de fier-perclorat au un efect redus asupra vitezei de ardere, dar afectează densitatea, compoziția, dimensiunea particulelor și pot fi folosite pentru a ajusta profilul dorit de degajare a căldurii.

O altă compoziție folosită este zirconiu cu cromat de bariu. Un alt amestec conține 46,67% titan, 23,33% bor amorf și aproximativ 30% cromat de bariu. Proporțiile pot fi, de asemenea, după cum urmează: 45% tungsten, 40,5% cromat de bariu, 14,5% perclorat de potasiu și 1% alcool vinilic și acetat de liant.

Reacțiile care formează componente intermetalice ale compozițiilor pirotehnice, de exemplu zirconiu cu bor, pot fi utilizate atunci când funcționarea fără gaz, comportamentul neigroscopic și independența față de presiuni ambientale.

Sursă de căldură

Acesta poate fi o parte directă a unei compoziții pirotehnice, de exemplu, generatoarele chimice de oxigen utilizează o astfel de componentă cu un exces mare de oxidant. Căldura degajată în timpul arderii este utilizată pentru descompunerea termică. Compozițiile cu ardere relativ rece sunt utilizate pentru a produce fum colorat sau pentru a dispersa aerosoli, cum ar fi pesticide sau gazul CS, asigurând căldura de sublimare a compusului dorit.

Pentru stabilizarea înălțimii de ardere se poate utiliza un component de întârziere a fazei din compoziție care formează, împreună cu produsele de ardere, un amestec cu o singură temperatură de tranziție de fază.

Materiale

Compozițiile pirotehnice sunt, de obicei, amestecuri omogenizate de particule fine de propulsor și oxidanți. Primele pot fi boabe sau fulgi. De regulă, cu cât suprafața particulelor este mai mare, cu atât rata de reacție și de ardere este mai mare. Pentru unele aplicații se folosesc lianți pentru a transforma pulberea într-un material solid.

Combustibil

Tipurile tipice se bazează pe pulberi metalice sau metaloide. O compoziție poate specifica mai mulți combustibili diferiți. Unele pot servi, de asemenea, ca liant.

Metale

Combustibilii obișnuiți includ astfel de elemente:

• Aluminiul este cel mai comun combustibil în multe clase de amestecuri și, de asemenea, un regulator al instabilității combustiei. Flacără la temperaturi înalte cu particule, care interferează cu coloranții, reacționează cu nitrații (cu excepția amoniului) pentru a forma oxizi de azot, amoniac și căldură (reacția este lentă la temperatura camerei, dar violentă la peste 80° C, se poate autoaprinde).
• Magneziu, un aliaj de aluminiu și magneziu care este mai stabil și mai puțin costisitor decât un singur metal. Mai puțin reactiv decât magneziul, dar mai ușor de aprins decât aluminiul.
• Fier - produce scântei aurii, un element folosit în mod obișnuit.
• Oțelul este un aliaj de fier și carbon care produce scântei mai strălucitoare de culoare galben-portocaliu.
• Zirconiu - produce particule fierbinți utile pentru amestecuri de aprindere, de exemplu, inițiatorul standard NASA, și pentru suprimarea instabilității combustiei.
• Titan - produce pirotehnie și compoziții fierbinți, crește sensibilitatea la impact și la frecare. Uneori se folosește aliajul Ti4Al6V, care produce scântei albe ceva mai strălucitoare. Împreună cu percloratul de potasiu, este utilizat în unele aprinzătoare pirotehnice. Pulberea grosieră produce scântei alb-albastre frumoase și ramificate.
• Ferrotitaniu - un aliaj de fier-titaniu, creează scântei strălucitoare folosite în stelele pirotehnice, rachete, comete și fântâni.
• Ferosiliciu - substanță de fier-siliciu utilizată în unele amestecuri, uneori un substitut al siliciului de calciu.
• Mangan - utilizat pentru a controla viteza de ardere, de exemplu, în compozițiile întârziate.
• Zinc - utilizat în unele compoziții fumigene, împreună cu sulful, care este folosit ca și combustibil pentru rachete pentru amatori și în stelele pirotehnice. Sensibil la umiditate. Se poate autoaprinde. Rareori folosit ca și combustibil principal (cu excepția compozițiilor de fum), poate fi folosit ca și componentă suplimentară.
• Cupru - folosit ca un colorant albastru cu alte specii.
• Alama este un aliaj de zinc-cupru utilizat în unele formule de artificii.
• Tungsten - utilizat pentru a controla și întârzia viteza de ardere a compozițiilor.

Este demn de remarcat faptul că este periculos să faceți compoziții pirotehnice cu propriile mâini.