煙花爆竹用爆響劑的發(fā)展研究

李娟 劉玲

摘 要：綠色環(huán)保是煙花爆竹當(dāng)前的研究熱門(mén)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，煙花爆竹用爆響劑經(jīng)歷了有硫的黑火藥型、氯酸鉀型、高氯酸鉀型和低硫、無(wú)硫型四個(gè)階段。本文從爆響劑的配制、性能及應(yīng)用等角度對(duì)爆響劑的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，梳理了發(fā)展方向和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：煙花爆竹;爆響劑;綠色環(huán)保

我國(guó)是世界上最大的煙花爆竹生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)世界近百個(gè)國(guó)家和地區(qū)，約占全球生產(chǎn)量的90%。爆響劑作為煙花爆竹生產(chǎn)的一種重要煙火藥，經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展變化，已漸漸成為煙花爆竹行業(yè)人員研究的重要內(nèi)容。本文對(duì)爆響劑的配制、性能和特點(diǎn)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，初步指出了爆響劑的發(fā)展趨勢(shì)，以期為煙花爆竹爆響劑的研究與發(fā)展提供參考。

1 黑火藥型爆響劑

煙花爆竹最初使用的爆響劑為黑火藥。黑火藥是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一，是人類(lèi)歷史上出現(xiàn)最早的火藥。它是由硝酸鉀、硫磺和木炭三種原料按一定比例制成的混合物，經(jīng)典配方為硝酸鉀75%，硫磺10%，木炭15%。黑火藥具有其它火藥所不完全具備的特點(diǎn)[1]，其物理化學(xué)安定性好（據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，存放二百余年也不會(huì)發(fā)生變質(zhì)）;火焰感度大、易被點(diǎn)燃，燃燒速度快;火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?壓力指數(shù)低;燃燒性能穩(wěn)定，燃燒產(chǎn)物中含有大量灼熱的固體顆粒，點(diǎn)燃發(fā)射裝藥的能力強(qiáng);原料豐富、來(lái)源廣，工藝簡(jiǎn)單;成本低廉等。因?yàn)槠洳豢杀葦M的優(yōu)越性能，至今在煙花爆竹上仍有廣泛的用途。查閱《兵器工業(yè)科學(xué)技術(shù)辭典》，黑火藥的撞擊感度為52～60%爆炸（用卡斯特落錘儀測(cè)定，錘重l0kg，落高25cm），粒狀藥摩擦感度100%爆炸，粉狀藥40%爆炸（摩擦儀擺角90°，壓力392.3KPa）。由于黑火藥感度高，發(fā)火點(diǎn)低（290～310℃），在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，造成安全事故頻發(fā)。此外，黑火藥中含有硫磺，燃燒時(shí)產(chǎn)生二氧化硫、三氧化硫等有毒有害氣體，污染空氣。

2 氯酸鉀型爆響劑

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，黑火藥中的硝酸鉀逐漸被氯酸鉀取代。氯酸鉀釋放氧氣速度快，燃燒反應(yīng)劇烈，能夠迅速由燃燒轉(zhuǎn)爆轟。它獨(dú)特的煙火特性以及所具有的優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性，使其成為了煙花爆竹生產(chǎn)時(shí)首選的氧化劑原材料。

隨著氯酸鉀的使用，煙花爆竹的事故逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，事故80%是由于藥物爆炸所導(dǎo)致，這與氯酸鉀特殊的煙火效應(yīng)有著緊密的聯(lián)系[2]。這是因?yàn)椋海?）氯酸鉀在分解放出氧氣時(shí)不需要從外部吸收熱量，而是放出熱量。（2）在酸性介質(zhì)中有強(qiáng)氧化作用，與碳、硫、磷及有機(jī)物還原劑混合，受機(jī)械力時(shí)，易發(fā)生燃燒和爆炸。當(dāng)氯酸鉀與硫磺配伍時(shí)，危險(xiǎn)性變得更大，硫碎片侵入氯酸鉀晶格內(nèi)部，使氯酸鉀晶格“松弛”，大大降低了發(fā)火溫度，在100℃左右即發(fā)火。（3）氯酸鉀單體收到外界能力沖擊時(shí)也會(huì)發(fā)爆炸[3]。用氯酸鉀配制的爆竹開(kāi)爆藥沖擊感度、摩擦感度都是100%。因此，國(guó)務(wù)院辦公廳2002年《關(guān)于加強(qiáng)民用爆炸物品管理的通知》以及《煙花爆竹安全與質(zhì)量》（GB10631-2004），明確了氯酸鉀在煙花爆竹生產(chǎn)中的使用范圍。氯酸鉀不能再作為爆響劑中的氧化劑在爆竹生產(chǎn)中使用。氯酸鉀統(tǒng)治地位正式結(jié)束。

3 高氯酸鉀型爆響劑

氯酸鉀禁用后，尋求一種安全且爆炸威力大的爆響劑氧化劑成為煙花爆竹行業(yè)的焦點(diǎn)。有研究者研制了不同類(lèi)型的氧化劑，如硝酸鉀與硝酸鋇的復(fù)合氧化劑、“康安一號(hào)”等新型氧化劑。大部分由于爆炸力不足、效果不佳、易吸潮等缺陷遭到淘汰。普遍使用的氧化劑為高氯酸鉀，其經(jīng)典爆響劑配方為高氯酸鉀、鋁粉、硫磺和珍珠巖。其中鋁粉和硫磺為還原劑，珍珠巖是為了減少裝藥而添加。該配方通過(guò)發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生熱量和放出氣體[4-5]。按照理想狀態(tài)，氧化還原反應(yīng)為零氧平衡時(shí)，反應(yīng)效能為最佳，此時(shí)，所有的反應(yīng)物恰好完全反應(yīng)。高氯酸鉀分解放出1g氧氣，1g硫磺燃燒消耗1g氧氣，1.12g鋁粉燃燒消耗1g氧氣。在零氧平衡時(shí)，高氯酸鉀分解放出的氧氣等于硫磺和鋁粉燃燒所消耗的氧氣。通過(guò)計(jì)算可以得到各組分含量。計(jì)算過(guò)程如式1所示。

假設(shè)高氯酸鉀為x，則硫磺為1-0.15-x

X2.17=0.85-x+0.151.12式1

考慮煙火藥的反應(yīng)還會(huì)有氧氣參與，因此配制成負(fù)氧平衡為最佳。爆響劑最佳配方之一為：高氯酸鉀65%，鋁粉15%，硫磺20%。

4 低硫、無(wú)硫爆響劑

爆響劑中硫磺和珍珠巖的加入會(huì)使爆竹爆炸時(shí)產(chǎn)生大量二氧化硫和珍珠巖粉塵（即二氧化硅），污染環(huán)境。研發(fā)少硫、無(wú)硫、微煙、少煙安全環(huán)保爆響藥劑，實(shí)現(xiàn)煙花爆竹過(guò)程安全型和產(chǎn)品環(huán)保型成為煙花爆竹新的起點(diǎn)。

2016年楊吉明[6]等人發(fā)明了一種低硫爆竹藥劑及其制備方法。低硫爆竹藥劑包括氧化劑和可燃劑，氧化劑包括高氯酸鉀和硝酸鋇主要組分，以及氣相二氧化硅和酒石酸和/或酒石酸鉀鈉添加劑組分;可燃劑包括鎂鋁合金和硫磺;該低硫爆竹藥劑原料成本低，制備方法簡(jiǎn)單，將其用于煙花爆竹，爆響度、接火能力、燒成率及貯存穩(wěn)定性等優(yōu)異，且對(duì)環(huán)境污染小及對(duì)人體傷害小。

2012年，楊世均[7]等人發(fā)明了無(wú)硫爆響藥，氧化劑為高氯酸鉀和硝酸鋇，還原劑為鋁粉，填充劑為珍珠巖。該爆響藥不含硫，安全可靠，無(wú)硫磺所帶來(lái)污染。2013年黃玉國(guó)[8]發(fā)明了無(wú)硫爆竹藥物，是由高氯酸鉀、鋁粉和珍珠巖粉三種成份組成;或由高氯酸鉀、鋁粉、珍珠巖粉和合金粉四種成分組成;或由高氯酸鉀、鋁粉、珍珠巖粉、炭粉和合金粉五種成分組成。2014年顏?lái)炄A等人研制了無(wú)硫爆竹藥：高氯酸鉀、鋁銀粉、木炭為組成材料，以55：43：2為其質(zhì)量比組分;2016年劉仲賢等人研制了無(wú)硫爆竹藥劑，包括組分為：氧化劑，銀粉，鈦鐵粉和/或硅鐵粉，其中氧化劑選自高氯酸鉀與硝酸鋇混合組成的復(fù)合氧化劑或者高氯酸鉀。2017年徐高升[9]發(fā)明了無(wú)硫爆竹藥，由高氯酸鉀、硝酸鋇、鋁銀粉和無(wú)硫復(fù)合材料配制而成;其中無(wú)硫復(fù)合材料包括以任意重量比混合的碳酸鹽和改性的通用高分子聚合物。該爆響劑藥物經(jīng)檢驗(yàn)熔點(diǎn)高、機(jī)械敏感度低、穩(wěn)定性高，大大提高了生產(chǎn)安全性，燃放后無(wú)二氧化硫，無(wú)有毒有害物，對(duì)于環(huán)境無(wú)污染對(duì)于人體無(wú)危害環(huán)保安全。

2016年，辛坤亮[10]等人發(fā)明了一種無(wú)硫鞭炮開(kāi)爆藥劑及其制備方法，其組分為高氯酸鉀40%～60%、鋁粉20%～40%、珍珠巖粉3%～5%、碳材料10%～20%、添加劑5%～10%，具有安全系數(shù)高，吸濕性小、無(wú)污染的特點(diǎn)，保持了原含硫藥劑的爆炸力度，且制備工藝簡(jiǎn)單實(shí)用。2018年，張宏善[11]發(fā)明了一種安全無(wú)硫型煙花開(kāi)爆藥、發(fā)射藥及其制備方法，組分為碳粉、高氯酸鉀、硝酸鉀，其撞擊感度和摩擦感度為零，安全環(huán)保，吸濕率低，性能穩(wěn)定，著火點(diǎn)降低但又不會(huì)過(guò)低，易著火，安全性能高。

2018年劉庭亮[12]等人研制了一種無(wú)硫煙花開(kāi)爆藥。該開(kāi)爆藥以KClO4為氧化劑、鄰苯二甲酸氫鉀（C8H5KO4）作為燃燒劑和助氧劑、C粉為還原劑和引燃劑。在摩擦感度、撞擊感度、著火點(diǎn)、爆發(fā)點(diǎn)、火焰感度及靜電感度方面的安全性能優(yōu)于白開(kāi)爆藥和黑火藥，吸濕率三者相近，安全且使用性能高。

5 結(jié)論

近年來(lái)，隨著煙花爆竹技術(shù)的不斷提高，爆響劑向著綠色環(huán)保、安全可靠的方向發(fā)展。低硫、無(wú)硫爆響劑性能穩(wěn)定，安全可靠，燃放后對(duì)環(huán)境污染少，在構(gòu)筑綠色環(huán)保煙花爆竹方面具有廣闊的前景，也是未來(lái)爆響劑不斷向前的重要方向。

（1）爆響劑配方中不再使用硫磺、珍珠巖等產(chǎn)生有毒有害氣體和粉塵的物質(zhì)，真正實(shí)現(xiàn)了綠色和環(huán)保。

（2）爆響劑性質(zhì)穩(wěn)定，效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)均符合產(chǎn)品質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

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項(xiàng)目基金：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目《環(huán)保型爆響劑的研究》（項(xiàng)目編號(hào)：16C0252）階段性研究成果

作者簡(jiǎn)介：李娟（1982-），女，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，副教授，研究方向：煙花爆竹。