Химические основы пиротехники и проблемы безопасности

Плотность Mg = 1,7 г/ см³; температура воспламенения порошка№4 на воздухе 550⁰С, температура плавления = 650⁰С, кипения 1100⁰С.  Оксид магния MgO имеет температуру плавления = 2800⁰С. ПАМ – порошок алиминиево-магниевый – сплав Al и Mg, также имеет размер зёрен от номера 1 до 4. Надо отметить, что сплав алюминия с магнием в пропорции =  Mg ₄Al₃ содержит 54% магния, плотность его = 2,15 г/ см³; температура плавления - 463⁰С. Этот сплав выгодно отличается от других сплавов Al+ Mg тем, что меньше корродирует, весьма хрупок, и поэтому его легче измельчить. Соблюдать все предосторожности, как и с порошками алюминия.

Zr – цирконий – в кинопиротехнике не применяется из-за дороговизны, применяется в пиротехнических замедлителях ракетной или космической техники. Весьма стоек к коррозии, к тому же порошок циркония почти всегда содержит значительное количество гидрида = ZrH. Грубые фракции порошков циркония воспламеняются при температуре 180-200⁰С.

Плотность Zr = 6,5 г/ см³; температура воспламенения на воздухе = 180-200⁰С, температура плавления = 1868⁰С, температура кипения = 4750⁰С. В одном грамме кислорода сгорает 2,85 грамма циркония. Оксид циркония ZrO₂ плавится при температуре = 2700⁰С, кипит при температуре 4300⁰С.

Ti – титан – в кинопиротехнике не применяется из-за высокой цены. Теоретические показатели титана очень хорошие. Смеси титана стойки к агрессивным химикатам. В оборонной промышленности используется в зажигательных и дымовых смесях, в ракетной и космической технике. Ti в последнее время стал доступен в порошках различной величины. Многие пиротехники используют его в качестве искрообразщующего элемента.

S – сера – традиционное пиротехническое горючее. В пиротехнике применяется тонко измолотый порошок, очищенная от добавок сера применяется в дымных порохах, фейерверочных составах. При применении не путать с так называемым «серным цветом». Это тоже сера тонкого помола, но добыта из конденсата и содержит большое количество серной кислоты. Составы с этим химикатом могут самовозгораться и поэтому опасны. Сера не токсична. Не рекомендуются двойные смеси с хлоратами из-за крайней опасности, может произойти самовозгорание на рабочем столе. Относительный атомный вес = 32,064; плотность = 2,06 г/ см³; температура кипения = 444,6⁰С; в воде не растворима, в спирте плохо растворима; легко растворяется в сероуглероде: при 0⁰С в 100 граммах сероуглерода растворяется 46,1 г серы, при 55⁰С – 181 г серы в 100 граммах CS₂.

Форма кристаллов серы –  ромбическая. Цвет жёлтый. Плохо проводит тепло и электричество. На воздухе  сера воспламеняется при температуре  начального импульса не ниже 260⁰С и горит слабым синим пламенем. Получают серу в виде минерала в земле, в горных породах, в горючих сланцах. Получают её из сероводорода, который содержится в природных газах. Твёрдость = 2,5. Удельная теплотворная способность 0,172 калории из грамма. Сера представляет собой важнейший носитель пламени в безопасной зажигательной смеси спичечной массы и является наилучшим горючим во многих пиротехнических рецептах.

Сера известна в этом качестве с незапамятных времён, то есть до изобретения  пороха. В некоторых пиротехнических  рецептах серу заменили канифолью или  другими смолами, но благодаря тому, что при сгорании серы легче регулировать реакцию, сера, как и прежде, является основным носителем пламени в  пламенных составах пиротехнических  изделий.  Активность обменной реакции  серы зависит от удельной поверхности, от концентрации и от имеющегося кислорода.

С – углерод. К углеродам относятся: алмаз, графит, древесный уголь, сажа. Алмазы – из-за дороговизны в пиротехнике не применяются; графит требует для своего воспламенения очень высокой температуры и поэтому в пиротехнике почти не применяется. Нам остаётся сажа и древесный уголь. Соединения с углеродом называются карбонатами. В таком углероде много других примесей – от 25 до 40%. Как горючее древесный уголь не стабилен, поэтому каждый раз, при поступлении новой партии древесного угля, прежде чем производить массовой серией какие-то пиротехнические изделия, древесный уголь надо проверить. Чаще всего приходится менять его соотношение как компонента по этим причинам. Для искрящихся составов удобен уголь, приготовленный из твёрдых пород лиственных деревьев: дуба, граба, бука, ясеня, берёзы, ольхи. Для подготовки пороховой мякоти, пороха лучше зарекомендовал себя уголь из мягких пород лиственных деревьев: липы, осины, тополя, ивы. Различить эти сорта угля можно по их твёрдости и звуку, который они издают при ударе. Уголь из хвойных пород деревьев в пиротехнике не применим. Большая концентрация угольной пыли в помещении может привести к взрыву, поэтому помещения, где происходит размол, просеивание и развеска угля, должны часто проветриваться. При работе с углём надо пользоваться защитными средствами – респираторами, ватно-марлевыми повязками. Древесный уголь не токсичен.

Сажа - жирный уголь. Наравне с древесным углём применима в пиротехнике; есть смеси с сажей цветных и белого дымов, искристые составы, где вводится сажа от 3% до 8%. Сажа – легковесный летучий материал, её взвесь в воздухе помещения может быть большой концентрации. Это опасно в пожарном отношении. Сажа не токсична. Средства защиты органов дыхания, как при работе с углём.

B – бор, «аморфный бор» - порошок тёмно-коричневого цвета, имеет мелкий размол (дисперсность) менее 1 микрона, неметалл; рецепты с бромом дают хорошие составы с отличными характеристиками, однако в гражданской пиротехнике применять бор накладно из-за дороговизны. Пиротехники кино с бором практически не работают, хотя возможности его велики.

Р(кр) – фосфор (красный) – порошок тёмно-красного цвета, гигроскопичен, поэтому фосфор  хранят в герметичной посуде. В соединении с влагой воздуха образуется фосфорная кислота. В пиротехнике применяется с нейтрализаторами (окисью цинка, карбонатом кальция, окисью алюминия) и становится более устойчивым.

Никогда нельзя делать сухих (без увлажнения) смесей фосфора  с хлоратами – они образуют весьма чувствительные и поэтому  опасные смеси. Нельзя смешивать  сухие компоненты фосфора со всеми  окислителями. Фосфор красный применяется  в тёрочных, капсюльных, пистонных  составах. Фосфор белый в пиротехнике  не применяется. Работать с фосфором и его составами надо в респираторах и резиновых перчатках.

Si – кремний – неметалл, хотя кремний обладает всеми характеристиками металлов, особенно в пиротехнике. Немного дешевле бора, тёмно-серый порошок. Сам не воспламеняется, но имея высокую температуру сгорания, Si применяется, в основном, в зажигательных смесях, в частности, в спичечной промышленности.

Sb₂S₃ – сурьма трёхсернистая – антимоний. Цвет кристаллов оранжевый или чёрный, имеет характерный металлический блеск; измельчается легко; применяется во многих пиротехнических составах, в зажигательных, в бенгальских огнях, в тёрочных составах спичек, хлопушках. Сурьма трёхсернистая чаще других сульфидов используется в пиротехнике и лучше других изучена и опробована на практике. Её молекулярная масса = 340, плотность = 4,5 г/ см³, температура плавления = 548⁰С. При сгорании получаются два продукта: Sb₂O (окись сурьмы) и SO₂ (сернокислый газ); за счёт одного грамма кислорода сгорает 2,36 г сурьмы трёхсернистой. Весьма активное горючее. При работе с антимонием работать необходимо в респираторе и резиновых перчатках.

Веретенное масло – в специальной литературе «промышленное масло» - нефтепродукт, плотность его = 0,88-0,89 г/ см³; температура вспышки = 160⁰С. Используется в пиротехнике как предохранитель порошков металлов от окисления и разложения (Al, Mg и другие), составы с веретенным маслом хранятся значительно дольше, чем без него. Надо сказать и о том, что в пламенных составах масло несколько ухудшает эффект, выделяя при горении большое количество дыма.

Скипидар – продукт перегонки смолистой древесины и смолы хвойных деревьев – растворитель лаков, смол, красок. Он отличается от предельных углеводородов (бензина, керосина, веретенного масла и прочего) большеё лёгкостью окисления, легко воспламеняется при соприкосновении с концентрированной азотной кислотой. Смесь паров скипидара с воздухом взрывается. Работать со скипидаром рекомендуется вне помещений с большой осторожностью.

1.3.3.Цементаторы

Чаще всего, цементаторы  – это горючие, выполняющие роль и цементаторов, и горючих. Есть также горючие, которые несут функции катализаторов, газообразующих, дымообразующих, пламягасящих в дымовых составах, химикатах. За свою историю пиротехника, обогащаясь опытом и провалами, усилиями и исканиями многих поколений пиротехников, нашла много ценных и незаменимых компонентов в составах, которые выполняют не одну, а две, иногда три функции. И это не должно никого смущать, а, наоборот, служить к отысканию новых соединений, которые выполняли бы самые разнообразные функции в пиротехнических составах и стоимость их была бы наименьшей.

Углеводы.

Крахмал – картофельная мука – для расчёта в рецептах берётся (C₆H₁₀O₅)_n – пищевой продукт, в пиротехнике – вещество связующее горючее. Служит цементатором в цветных огнях, а также при изготовлении стопина.

Сахар молочный – C₁₂H₂₂O₁₁^.H₂O  - «лактоза»; получаемые из молока желтоватые, вязкие кристаллы. В смесях с хлоратами – весьма активное горючее, такие смеси чувствительны к механическим воздействиям. При невысокой температуре сгорания даёт очень много газообразного продукта, хорошо окрашивающегося любым цветом красителя.  Молочный сахар безвреден.

Свекловичный  сахар, тростниковый сахар - C₆H₁₂O₁₁ – пищевой продукт, как правило, в пиротехнике употребляется мало. Гигроскопичен.

Древесина - (C₆H₁₀O₅)_n – мелкие древесные опилки – в древесных опилках очень много клетчатки. В пиротехнических изделиях древесина оттеснена другими химикатами совершенно незаслуженно. Это дешевое горючее-связующее. Древесина безвредна.

Стеарин или стеариновая  кислота - C₁₂H₃₅COOH – продукт перегонки нефти; главное применение – изолирующий материал частиц порошков металлов от коррозии, употребляется в спичном производстве. Хорошее горючее-цементатор и гидроизолятор. Стеарин активен поверхностно, поэтому в рыхлых составах его активность велика, а в спрессованных он позволяет гореть составу ровно – без скачков и затуханий. Стеарин – отличный пластификатор – горючее. Технический стеарин представляет собой смесь стеариновой и пальмитиновой кислот. При работе с расплавленным стеарином необходимы меры защиты органов дыхания.

Парафин – C₂₆H₅₄ – такая формула парафина условна, она используется для расчётов в рецептах. Парафин – смесь насыщенных углеводородов, продукт нефтеперегонки, белая или желтоватая масса без запаха и вкуса. Парафин менее химически агрессивен, чем стеарин, и поэтому в составах с порошками металлов более предпочтителен, но менее, нежели стеарин, пластичен; однако составы с парафином хорошо сохраняются в спрессованном виде. Защита органов дыхания при работе с парафином – ватно-марлевая повязка.

Антрацен – C₁₄H₁₀ – это белые кристаллы «чистого» антрацена, его плотность = 1,25 г/ см³, температура плавления = 218⁰С, температура кипения = 342⁰С. Этот антрацен «химически чистый» и на его производство затрачивается много средств. Вводить его в составы чёрного дыма было бы большой бесхозяйственностью, и каждый килограмм состава стоит так дорого, что затраты не оправдали бы доходов. Изомер антрацена – фенантрен – по своим химическим и физическим свойствам – температура плавления = 99⁰С и температура кипения = 240⁰С ещё более подходит для пиротехнических составов, так как для его реакции требуется меньше кислорода. Но фенантрен ещё дороже антрацена. Поэтому рецепты изготовления чёрных дымов разработали, основываясь на показателях технического антрацена, продукта весьма дешевого и не дефицитного в нашей стране.

Технического  антрацен -  в массе своей содержит примерно 25% чистого антрацена. 75% этой зеленовато-жёлтой или тёмно-зелёной массы составляют другие углеводороды.

Уротропин – C₆H₁₂N₄ – гексаметилентетрамин – бесцветные кристаллы, хорошо растворяются в воде и поэтому весьма гигроскопичен. Получается при конденсации формальдегида с аммиаком. Содержит осень большое количество азота и поэтому горит бесцветным пламенем, бездымен; применяется в цветных огнях; Многие пиротехники используют горение уротропина для создания эффекта «марево», когда воздух колеблется от жары. Уротропин является главной составной частью при промышленном производстве «сухого спирта». При работе с уротропином необходима защита: респиратор, очки, резиновые перчатки. После работы необходимо принять душ. Уротропин ядовит.

Дициандиамид – ДЦДА (C₂₄N₄H₄) – является в пиротехнических составах не только горючим, но ещё и пламягасителем, поэтому в пламенных составах не применяется; широко применяется в цветных дымах. ДЦДА – стекловидные кристаллы, плохо растворяются в холодной воде, хорошо – в ацетоне, горячей воде, в подогретом спирте. При работе с дициандиамидом необходимы респиратор, резиновые перчатки, частое мытьё рук.

Тиомочевина – CSN₂H₄ – кристаллический белый порошок – с хлоратами образует весьма активные составы, даже опасные. Тиомочевина содержит много азота, поэтому как горючее очень ценна, но имея в своей молекуле атом неокисленной серы, тиомочевина очень реакционна и тем опасна. Тиомочевина ядовит, при работе с ней необходимы меры защиты органов дыхания и открытых частей тела.

Органические  полимеры.

Требования к  связующим веществам:

• Они не должны растворяться в воде
• Иметь полную сопротивляемость гниению и разложению
• Должны растворяться в органических растворителях
• Иметь способность при высыхании к образованию плёнки из своих растворов для надёжной защиты от попадания влаги в готовое изделие

Идитол – C₁₃H₁₂O₂ – «новолак», «новолачная» смола – комки янтарного цвета с красноватым оттенком. Получают конденсацией избытка фенола с формальдегидом в присутствии какого-либо кислого катализатора. При обычной температуре легко измельчается в порошок. Можно вводить в пиротехнические составы в виде порошка с последующим введением в состав спирта, можно и в виде спиртового раствора. При высыхании спирт улетучивается, идитол же остаётся прочной плёнкой. Меры защиты: респиратор, перчатки, проветривание помещения, где работают с идитолом.