1. Общие сведения о пиротехнических составах и изделиях

Современная пиротехника является частью прикладной химии и занимается вопросами приготовления и изучения различных химических веществ и составов, образующих при сгорании цветные огни и дымы, а также производящих зажигательное и осветительное действия или создающих звуковой, ударный и прочие эффекты. Такие композиции из химических веществ (как правило, металлизированные, т.е. содержащие наряду с органическими и неорганическими компонентами один или несколько порошков металлов и сплавов) называются пиротехническими составами. Из пиротехнических составов изготавливаются пиротехнические элементы в виде шариков, кубиков, цилиндров.

Приспособления и устройства определенной конструкции, эффект действия которых достигается при сжигании пиротехнических составов, называются пиротехническими изделиями.

Основными составными частями ПИ являются:

§ корпусные детали, выполненные из картона, бумаги, пластмасс, металла;

§ пиротехнические составы и пироэлементы (звездочки, факелы, таблетки) на основе дымных, бездымных порохов, окислителей, горючих и добавок;

§ средства инициирования - огнепроводный шнур, электровоспламенитель, запал-спичка.

К пиротехническим изделиям предъявляются следующие требования:

§ заданный пиротехнический эффект :осветительный, дымовой, звуковой и т.д.;

§ безопасность при обращении с ними и при их хранении;

§ неизменяемость пиротехнического эффекта при длительном хранении (в течении нескольких лет);

§ простота и безопасность изготовления;

§ минимальное взрывное действие.

Пиротехнические составы взрывопожароопасны и представляют собой механическую смесь компонентов, включающую горючее, окислитель и другие вещества, сообщающие составам дополнительные специальные свойства: окрашивающие пламя, образующие цветной дым, уменьшающие чувствительность состава (флегматизаторы), увеличивающие механическую прочность (связующие) и др. Продукты сгорания пиротехнических составов могут оказывать вредные воздействия на людей и окружающую среду. Внешние воздействующие импульсы (удар, трение, нагрев, электромагнитное излучение, детонация) могут вызвать срабатывание изделий, если уровень этого воздействия выше допустимого.

В зависимости от назначения и конструктивных особенностей действие ПИ сопровождается проявлением одного или нескольких опасных факторов пожара:

§ пламя, искры или высокотемпературная струя продуктов сгорания;

§ пожароопасные элементы конструкции изделия (горящие таблетки, раскаленные шашки и др.);

§ тепловое излучение;

§ движущееся за счет начальной скорости или под действием реактивной силы изделие и его элементы;

§ продукты сгорания или диспергирования в аэрозольном состоянии.

К пиротехническим составам предъявляют следующие требования:

§ заданный пиротехнический эффект;

§ минимальная чувствительность к механическим воздействиям и безопасность при изготовлении и применении;

§ достаточная физико-химическая стойкость при длительном хранении;

§ устойчивость по отношению к внешним тепловым воздействиям (невоспламеняемость от попадания искры и т.п.);

§ простота технологии изготовления;

§ доступность исходных материалов и наличие сырьевой базы.

В качестве окислителей пиротехнических составов применяют нитраты, хлораты, перхлораты, оксиды и пероксиды металлов, а также некоторые хлорпроизводные.

В качестве горючих компонентов пиротехнических составов применяют как органические, так и неорганические вещества и материалы.

Из неорганических горючих чаще применяют металлы: алюминий, магний, их сплавы. Температура горения этих металлов и их сплавов выше температуры горения других горючих, как органических, так и неорганических. Магний обладает большой реакционной способностью, он легче воспламеняется и скорость горения его выше, чем у алюминия.

К органическим горючим относятся углеводороды (бензин, керосин, нефть, мазут, бензол, скипидар), углеводы (крахмал, сахар, древесные опилки и др.), смолы (бакелит, идитол), олифа.

Роль горючих веществ и материалов часто выполняют некоторые дымообразователи, например, нафталин и др. Горючий компонент выбирают с учетом задачи получения наибольшего специального эффекта, требуемого от данного пиротехнического состава.

Для уплотнения пиротехнических составов, повышения их прочности или замедления горения вводят связующие, например, искусственные и естественные смолы (идитол, бакелит, поливинилхлорид, каучук, канифоль, шеллак), стеарин, парафин и другие органические вещества.

Для окрашивания пламени или дыма в пиротехнический состав вводят соли металлов: стронция (красный цвет), меди (синий цвет), бария (зеленый цвет), натрия (желтый цвет), а также органические красители.

К флегматизаторам, снижающим чувствительность пиротехнического состава к механическим воздействиям и уменьшающим скорость горения, следует отнести смолы, парафин, масла.

Основной формой химического превращения пиротехнических составов является горение. От теплового импульса (например, луча огня) они легко воспламеняются и в прессованном виде сгорают со скоростью 1-10 мм/с (имеются составы, например, осветительные или зажигательные, скорость превращения которых составляет от десятков до тысяч метров в секунду). При горении некоторых пиротехнических составов выделяется значительное количество тепла (например, при сгорании магния до оксида магния выделяется 25104 кДж/кг), развивается высокая температура до 2000-3000 ^оС. Однако при сгорании дымовых составов или составов, сгорающих за счет кислорода воздуха, температура горения ниже и достигает 700-1000 ^оС.

Горение пиротехнических составов сопровождается образованием газообразных и конденсированных продуктов. Яркость пламени обусловливается присутствием в нем твердых частичек. Энергия, освобождающаяся в результате химической реакции, используется не для производства механической работы (как у порохов и взрывчатых веществ), а для получения определенного пиротехнического эффекта: света, дыма, звука, тепла и пр.

Процесс горения пиротехнических составов можно разделить на две стадии.

Первая стадия - распространение процесса по поверхности состава. После сообщения составу теплового импульса извне вначале происходит, с одной стороны, эндотермический распад окислителя и, с другой стороны, эндотермическое испарение или разложение горючего. Эти два процесса идут одновременно и взаимно обусловливают друг друга.

После термического распада составных компонентов наступает экзотермическая реакция между окислителем и горючим, которая затем идет сама по себе за счет теплоты, выделяющейся при горении состава.

Скорость распространения процесса термического распада по поверхности определяется природой состава, степенью измельчения компонентов, формой поверхности, плотностью и внешним давлением.

Вторая стадия - распространение процесса в глубину состава за счет теплопроводности, диффузии газов и лучистой энергии. При горении составов одновременно протекают физические и химические процессы как в конденсированной, так и в газовой фазе. Скорость горения определяется такими факторами как природа состава, плотность прессования, природа оболочки, начальной температуры и давления, химической природы добавок.