煙花笛音藥的應(yīng)用研究

楊 林, 劉 寧

（國家煙花爆竹產(chǎn)品監(jiān)督檢驗中心，湖南 瀏陽，410300）

笛音藥一般是由氧化劑（高氯酸鉀）和笛音劑（某些苯的衍生物）相混合的二元煙火藥，裝填在煙花筒體內(nèi)，燃放時能產(chǎn)生音頻達3 000～5 000Hz的悅耳笛音。一般認為，笛音藥燃燒是一種不連續(xù)的脈沖燃燒[1]。燃燒時瞬間產(chǎn)生大量氣體，瞬間又因熱交換，氣體冷凝而體積收縮，從而形成一伸一縮的振動，即形成聲源。當?shù)岩羲幯b填在煙花筒體中燃燒時，這一振動又引起筒體內(nèi)氣體柱振動，產(chǎn)生共鳴，從而形成如同笛音的聲響。因此，根據(jù)生產(chǎn)實際，笛音藥燃燒產(chǎn)生笛音必需具備好的筒體、藥物裝填嚴實、有共鳴腔等條件，同時笛音藥不同的組分及配比將直接影響到笛音效果。

20世紀70年代人們就使用水楊酸、苦味酸作為產(chǎn)生笛音效果的藥物，由于水楊酸吸濕性大，苦味酸感度高、危險性大，已被國家標準禁止應(yīng)用到煙花爆竹產(chǎn)品中。后來人們采用對（鄰）苯二甲酸氫鉀進行取代，但對這類物質(zhì)用作笛音劑在煙花生產(chǎn)實際應(yīng)用中的研究還未見報道。本實驗通過測量笛音聲級值，研究了笛音藥不同組分和配比，以及加入可燃物對產(chǎn)生笛音的影響，并對用作笛音劑的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及發(fā)聲原理進行了初步探討。

1 實驗部分

1.1 試劑

除非另有說明，所用試劑均采用工業(yè)品一級，以期和生產(chǎn)實際一致。高氯酸鉀；對苯二甲酸氫鉀；鄰苯二甲酸氫鉀；對苯二甲酸；苯甲酸；水楊酸；苦味酸；酚醛樹脂；對苯二甲酸鉀（自制）；鈦粉（98%）。

1.2 設(shè)備

聲級計（TES-1350A）；銅管（φ6.0 mm×50.0 mm）。

1.3 測定方法

將混合均勻的笛音藥裝入銅管中，并壓實。藥物裝填長度為 20mm，裝填后密度達 1.2～1.4g/cm3。從藥物表面引出煙花引火線，通過引火線引燃藥物，按QB/T 1942-1994[2]規(guī)定方法測量笛音聲級值。

2 結(jié)果與討論

2.1 對苯二甲酸氫鉀含量對笛音效果的影響

以對苯二甲酸氫鉀作笛音劑，和高氯酸鉀按不同比例配制笛音藥，裝入銅管中，按上述測定方法，分別測量聲級值，結(jié)果見表1。

表1 對苯二甲酸氫鉀含量對笛音效果的影響Tab.1 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen on whistling

實驗表明，由對苯二甲酸氫鉀和高氯酸鉀配制的笛音藥，隨著高氯酸鉀含量增加，燃燒中釋放的氧氣量增加，使燃燒反應(yīng)速率增加，瞬間生成的氣體增多，故聲級值增加，同時燃燒反應(yīng)放出的熱量也隨之增加，導(dǎo)致銅管被燒熔。因此，煙花笛音劑對苯二甲酸氫鉀含量在28%～32%時較好。

2.2 粒度對笛音效果的影響

測量不同粒度的笛音藥（對苯二甲酸氫鉀30%、高氯酸鉀70%）燃燒時產(chǎn)生的聲級值，結(jié)果見表2。

表2 粒度對笛音效果的影響Tab.2 Effect of particle size on whistling

實驗表明，笛音藥的粒度越小，產(chǎn)生的笛音效果越好、越穩(wěn)定。取0.063～0.075mm較為適宜。

2.3 對苯二甲酸代替相等量的對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響

對苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對苯二甲酸混合，然后與一定質(zhì)量的高氯酸鉀配制成笛音藥，其聲級值見表3。

表3 對苯二甲酸代替相等量對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響Tab.3 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by terephthalic acid on whistling

實驗表明，加入1%～6%對苯二甲酸代替相等量的對苯二甲酸氫鉀，配制的笛音藥的聲級值逐步變小。這可能是對苯二甲酸燃燒不產(chǎn)生或影響笛音效果的產(chǎn)生，故當對苯二甲酸氫鉀中混入對苯二甲酸雜質(zhì)時將降低笛音效果。

2.4 對苯二甲酸鉀代替相等量的對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響

對苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對苯二甲酸鉀混合，然后與相同質(zhì)量的高氯酸鉀配制成笛音藥，其燃燒的聲級值見表4。

表4 對苯二甲酸鉀代替相等量的對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響Tab.4 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by potassium terephthalate on whistling

實驗表明，加入 5%～20%對苯二甲酸鉀代替相等量的對苯二甲酸氫鉀，配制的笛音藥的聲級值逐步增大，即對苯二甲酸鉀對笛音效果有增強作用，但其吸濕性增加，有待進一步改進。

2.5 不同成分配制的笛音藥效果對比

將質(zhì)量比 30%的對苯二甲酸氫鉀、鄰苯二甲酸氫鉀、水楊酸和苦味酸分別與70%的高氯酸鉀配制成笛音藥，測量聲級值，結(jié)果見表5。

表5 不同成分配制的笛音藥效果對比Tab.5 Effect of ingredients of the whistling pyrotechnic composition on whistling

實驗表明，對苯二甲酸氫鉀、鄰苯二甲酸氫鉀、水楊酸和苦味酸分別與高氯酸鉀配制的笛音藥能產(chǎn)生基本相同的笛音效果，但用苯甲酸作笛音劑卻不能產(chǎn)生笛音。從分子結(jié)構(gòu)上分析，羧酸基、羥基、硝基與苯環(huán)同一平面，參與苯環(huán)的π電子軌道，產(chǎn)生共振效應(yīng)。其中羧酸基是吸電子基團，當羧酸基和電負性小的鉀生成鹽后轉(zhuǎn)變成強的推電子基團，由于推電子基團存在，增加了苯環(huán)上電子云密度，活化了苯環(huán)上的氫，使過渡態(tài)中開始形成的苯正離子穩(wěn)定，加快了正碳離子的形成，使反應(yīng)速率加快，所以對（鄰）苯二甲酸氫鉀能產(chǎn)生清脆的笛音。同理，盡管硝基是吸電子基團，但有強的推電子基團羥基存在，水楊酸和苦味酸也能產(chǎn)生笛音。

2.6 可燃物對笛音效果的影響

煙火藥中經(jīng)常需要加入可燃物，如酚醛樹脂起黏合作用，鈦產(chǎn)生銀白光色。

2.6.1 酚醛樹脂含量對笛音效果的影響

將質(zhì)量30 g對苯二甲酸氫鉀和70 g高氯酸鉀混合，然后再與不同質(zhì)量酚醛樹脂配制成笛音藥，燃燒中笛音的聲級值見表6。

表6 酚醛樹脂含量對笛音效果的影響Tab.6 Effect of the content of the phenolic resin on whistling

實驗表明，酚醛樹脂加入量大于3g時，笛音效果明顯降低。這可能是酚醛樹脂連續(xù)燃燒放出氣體，破壞了形成聲源所需的氣體脈沖振動過程。因此，連續(xù)燃燒且釋放氣體的物質(zhì)不宜過多加入笛音藥中。

2.6.2 鈦粉含量對笛音效果的影響

將質(zhì)量30 g對苯二甲酸氫鉀和70 g高氯酸鉀混合，然后再與不同質(zhì)量鈦粉配制成笛音藥，其燃燒的聲級值見表7。

表7 鈦粉含量對笛音效果的影響Tab.7 Effect of the content of the titanium powder on whistling

實驗表明，鈦粉加入量逐漸增加到 10g時，對笛音效果影響較小。這可能是鈦粉燃燒生成固體顆粒，沒有破壞形成聲源所需的氣體脈沖振動過程，同時獲得銀白色的光色效果。

3 結(jié)論

從通過實驗中可以初步得出：

（1）以質(zhì)量比30%對苯二甲酸氫鉀和70%高氯酸鉀配制的笛音劑燃燒能產(chǎn)生好的笛音效果，并且粒度越小效果越好。

（2）含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)且苯環(huán)上有推電子取代基的物質(zhì)，與氧化劑混合后能發(fā)生脈沖燃燒，間斷性放出大量氣體產(chǎn)生振動，發(fā)出笛音。

（3）笛音藥中加入連續(xù)燃燒且產(chǎn)生大量氣體的可燃物會削弱笛音效果，但不產(chǎn)生氣體的可燃物燃燒對笛音效果不產(chǎn)生影響，可增添光色或其它效果。

以上僅是對笛音效果藥的初步探索，為尋求新的優(yōu)質(zhì)笛音劑或改善生產(chǎn)工藝提供一些支持，但仍有許多工作有待人們?nèi)ラ_展。

[1]蘭?？?笛音劑與化學(xué)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系[J].花炮科技與市場,1994,1(1):20-21.

[2]QB/T 1942-1994 爆竹 聲級值的測定[S],1994.