塑料引火線燃燒性能的實驗研究

胡松濤

（安徽紅星機電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

引火線是一種用于點火、傳火及控制時間的煙火藥制品，主要應(yīng)用于煙花爆竹的燃放，根據(jù)燃燒速度的不同可分為快速引火線和慢速引火線[1]。牛皮紙快速引火線（以下簡稱牛皮紙引火線）是目前煙花行業(yè)廣泛使用的一種快速引火線，由一根形狀扁平的牛皮紙長管作外殼，中間包裹一個煙火藥條制作而成，并且已走向了專業(yè)化生產(chǎn)。牛皮紙引火線使用時存在以下問題：外殼易扭折、開膠，煙火藥易受潮失效，燃燒時會產(chǎn)生濃烈的煙霧，同時外殼炸開形成大量的碎屑，既污染了環(huán)境，又存在一定的安全隱患。

為了克服傳統(tǒng)牛皮紙引火線的缺點，國內(nèi)一些單位開展了新型引火線的研究[2]。列入國標的，如在牛皮紙引火線外層包裹塑料材質(zhì)或防水、免水膠帶，生產(chǎn)出防水快速引火線；以煙火藥為藥芯，以棉線作為包纏物制成外層，外涂以防潮材料，生產(chǎn)出安全快速引火線[1]。以上技術(shù)相對于傳統(tǒng)引火線有一定改進，但均未從根本上解決快速引火線燃燒時煙霧與殘渣過多的問題。為了解決上述問題，安徽紅星機電科技股份有限公司研制了一種新型塑料引火線，對其點火及燃燒性能進行了改進。引火線作為一種點火、傳火的火工品，其傳火速度v是非常重要的一項指標，直接關(guān)系到實際應(yīng)用時引火時間的長短及引火線長度的選擇。塑料引火線的燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，其傳火速度v會隨著塑料管內(nèi)部環(huán)境壓力的變化而變化[3]。目前，還沒有一種理想的理論模型能精確地描述其燃燒時的傳火速度。因此，本文采用實驗方法對這種新型塑料引火線的傳火速度的變化規(guī)律進行了分析研究。

1 實驗

1.1 引火線簡介

本文實驗所用引火線實物如圖1所示。此型塑料引火線由藥芯和聚乙烯塑料管兩部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖1 塑料引火線實體照片F(xiàn)ig.1 Photo of the plastic fuse

圖2 塑料引火線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure graph of the plastic fuse

藥芯由棉線、含硼點火藥和粘合劑等組成。點火藥與粘合劑充分攪拌后，包覆在棉線上，通過專用設(shè)備擠出成型，該點火藥不吸潮，分解溫度高，氣體量少[4]；聚乙烯塑料管包裹在棉線外，具有較好的強度及柔韌性，為藥芯穩(wěn)定燃燒提供了良好的條件。

1.2 實驗試樣

（1）牛皮紙引火線試樣：從成品牛皮紙引火線卷中截取1段，長度為1m。

（2）塑料引火線試樣：從成品塑料引火線卷中截取5段，長度分別為0.7m、1m、1.2m、2.2m、3.2m和5.2m。

1.3 實驗方法

目前，關(guān)于燃燒或爆燃速度的測量方法主要有靶線法、攝影法、光電法、熱電偶法等十幾種方法[5]，結(jié)合引火線的結(jié)構(gòu)及燃燒特征，本文采用“光電法”對其傳火速度v進行測量。

1.4 實驗條件及工作原理

實驗所需器材有高能脈沖起爆器（GM-100s）；光敏二極管；直流穩(wěn)壓電源（TPR3002-3C型）；數(shù)字示波器（TDS2012B型）；電阻（2k?）；電引火藥頭。

通過“光電法”測量距離引火線點火輸入端不同位置的傳火速度，實驗原理如圖3所示。

圖3 “光電法”測量原理圖Fig.3 Measurement principle diagram of photo electricity

圖3所示測量原理為：以輸入端為起始點量取L長度，確定測量點A點位置。在A點兩側(cè)一定距離的B、C兩點各安裝一個光敏二極管，分別與電阻R1、R2串聯(lián)。電阻R1、光敏二極管和直流電源連接示波器的CH1通道，電阻R2、光敏二極管和直流電源連接示波器的 CH2通道。沒有光照時，光敏二極管反向電阻很大，兩端電壓接近12V；引火線燃燒發(fā)光，B、C兩處的光敏二極管分別受到光照，反向電阻顯著減小，兩端電壓出現(xiàn)劇烈波動，示波器記錄下兩次波動的時間間隔Δt，從而近似地得到A點的傳火速度v。傳火速度v計算公式如下：

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 引火線的完整性

圖4所示為塑料引火線與牛皮紙引火線燃燒后的殘留對比照片。

圖4 引火線燃燒后的殘渣對比照片F(xiàn)ig.4 Comparison photos of residua of the burned fuse

由圖4（a）可以看到，塑料引火線燃燒后不破裂，外殼保持完整，外觀顏色幾乎未變；圖4（b）表明，牛皮紙管明顯被燒斷，并留下燃燒碎渣和煙灰。分析認為：塑料引火線與牛皮紙引火線燃燒時均產(chǎn)生管道效應(yīng)[6]。當藥芯燃燒時，產(chǎn)生了大量氣體，由于管腔密封，氣體無法排出，導(dǎo)致管道內(nèi)氣壓急劇上升，高溫高壓氣體沿著管道方向擴散傳播，并將火藥的燃燒瞬時波及整個管腔而形成火藥的爆燃，導(dǎo)致燃燒速度極快。塑料引火線與牛皮紙引火線制作藥芯的藥劑分別為含硼點火藥與煙火藥，含硼點火藥燃燒時產(chǎn)生的氣體較少，因此管腔內(nèi)的氣壓遠低于牛皮紙引火線，加之塑料管具有較高的強度和柔韌性，故塑料引火線燃燒后外殼不破裂并保持完整。牛皮紙引火線管腔內(nèi)的壓力增大到一定時，管腔破裂，氣體外泄，產(chǎn)生大量碎屑。

2.2 燃燒煙霧

實驗顯示，塑料引火線燃燒穩(wěn)定，傳火可靠，燃燒聲響微弱。與同等長度的牛皮紙引火線對比，塑料引火線燃燒煙霧明顯稀少，如圖5所示。據(jù)資料記載，火藥成分中的無機物、在燃燒中火藥的未分解物和固體炭粒、燃燒生成物中的固體粒子以及在點火能力不足、可燃物不能正常燃燒時，都將產(chǎn)生煙霧[3]。塑料引火線的燃燒，實際上是藥芯中的點火藥在燃燒，含硼點火藥分解溫度高，燃燒充分，固體殘渣很少[7-8]，故藥劑自身產(chǎn)生的煙霧少；其次，由于傳火速度快，局部過火時間短，棉線與塑料管不能被點燃而保留其原有成分，因此塑料引火線燃燒煙霧少。反觀牛皮紙引火線，藥芯中的煙火藥、棉線及部分牛皮紙碎屑同時燃燒，這些材料燃燒時都產(chǎn)生較大煙霧，導(dǎo)致牛皮紙引火線燃燒過程中出現(xiàn)濃煙。

圖5 不同引火線燃燒時產(chǎn)生的煙霧對比照片F(xiàn)ig.5 Comparison photos of smog generated by different fuse

2.3 塑料引火線的傳火速度

根據(jù)“光電法”測得塑料引火線在不同測量距離L處的傳火速度v值，如表1所示。

表1 不同測量位置處引火線傳火速度Tab.1 Burning rate of the plastic fuse in different location

圖6為根據(jù)表1繪制的引火線傳火速度v與測量距離L之間的關(guān)系曲線。

圖6 傳火速度——測量距離關(guān)系圖Fig.6 Relation of the v & L

由圖6可以看出，燃燒初期，隨著測量距離L（火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x）值的不斷增加，塑料引火線傳火速度v值也在不斷增加；當塑料引火線燃燒至距點火端大約2.5m左右時，傳火速度趨于穩(wěn)定，維持在50m/s左右。通過MATLAB中的相關(guān)數(shù)值擬合工具，對表1中的數(shù)據(jù)進行擬合[9]，結(jié)果如下：

按式（2）對表1中的數(shù)據(jù)進行計算，并與實驗結(jié)果進行對比，如表2所示。

表2 v——L擬合與實驗結(jié)果對比表Tab.2 v ——L Contrast of computation and experiment

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)繪制擬合結(jié)果與實驗結(jié)果的對比圖，如圖7所示。

圖7 v——L擬合與實驗結(jié)果對比圖Fig.7 v——L Contrast of computation and experiment

通過表2及圖7可以看出，擬合結(jié)果與實驗結(jié)果的變化規(guī)律基本吻合。

通過表2及圖7可以得出，式（2）能比較精確地反映塑料引火線傳火速度v隨火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xL的變化規(guī)律，實際應(yīng)用時可根據(jù)式（2）確定所需引火線的長度及傳火時間等相關(guān)參量。

3 結(jié)論

（1）塑料引火線燃燒后不破裂，外殼保持完整。

（2）用塑料引火線代替牛皮紙引火線后，燃燒煙霧明顯減少。

（3）通過實驗確定了塑料引火線傳火速度與火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x之間的關(guān)系，相關(guān)結(jié)果可用于實際應(yīng)用時引火線的長度及傳火時間的確定。

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