Производство цветовых и световых эффектов

Высотный фейерверк «Плакучая ива» разрывается на большой высоте и оставляет на небе характерный рисунок – большие медленно горящие звёзды опадают на землю. Для создания привлекательного золотистого цвета используется древесный уголь, а для получения медленно горящей смеси в качестве окислителя употребляется нитрат калия (компания «Zambelli Internationale»).

Производство цветовых и световых эффектов.

Производство ярких световых и красочных цветовых эффектов – это главная цель многих пиротехнических составов. Излучение света имеет множество применений, от военных сигналов и аварийных сигнальных огней на автомагистралях и до зрелищных высотных фейерверков.

Количественное измерение интенсивности света (силы света) в текущий момент и интеграл света (общая излучаемая энергия, измеряемая в канделах-секундах/граммах) могут зависеть от ряда контролируемых параметров, таких как: диаметр контейнера, измерительное оборудование и скорость горения. Поэтому следует с осторожностью рассматривать и сравнивать данные, полученные из разных отчётов.

Осветительный состав белого цвета.

Салют белого цвета
Салют белого цвета

Для излучения белого света необходима смесь, которая горит при высокой температуре, создавая достаточное количество атомов в возбужденном состоянии или молекул в парообразном состоянии вместе с раскалёнными твёрдыми или жидкими частицами. Раскалённые частицы излучают широкий спектр волн разной длины в видимой области электромагнитного спектра, так что белый свет осязается человеком. Интенсивное излучение атомов натрия в парообразном состоянии, возбуждённых до более высокоэнергетического электронного состояния высокой температурой пламени, является основным источником света в составах факелов на основе нитрата натрия/магния/органического связующего вещества, которые широко используются военными.

Магниевое или алюминиевое топливо содержится в большинстве белых осветительных составов. Эти металлы выделяют значительное количество тепла при окислении, а продукты реакции высокоплавкого оксида магния (MgO) и осида алюминия (A12О3) являются хорошими излучателями света при высоких температурах реакции, которых можно достичь при использовании этих топлив. Титан и цирконий также являются хорошим топливом для осветительных составов белого цвета.

Основным фактором, который нужно учитывать при выборе

Фейерверк белого цвета
Фейерверк белого цвета

окислителя и топлива для смеси, дающей свет белого цвета, является максимизация теплоотдачи. Шидловский установил, что 1,5 ккал/грамм – минимум, необходимый для пригодной осветительной смеси. Температура пламени ниже 2000°C приведёт к образованию минимального количества белого света, выделяемого раскалёнными частицами или газообразными атомами натрия в возбуждённом состоянии.

Поэтому в первую очередь надо выбирать тот окислитель, который имеет экзотермическую температуру разложения, как например хлорат калия (KClO3). Однако смеси хлоратов и перхлоратов с топливом из активного металла слишком чувствительны к воспламенению, чтобы использоваться в коммерческих целях. Так что обычно отдают предпочтение менее реактивным, но более безопасным, нитратным соединениям. Перхлорат калия используется с алюминием и магнием в некоторых смесях для производства вспышки. Это чрезмерно реактивные составы, скорость протекания реакций которых находится в диапазоне взрываемости.

Нитраты имеют эндотермическую реакцию разложения и, следовательно, производят меньше тепла, чем хлораты или перхлораты, однако риск случайного воспламенения у них ниже. Для смесей, дающих белый свет, часто выбирают нитрат бария. Полученный во время реакции продукт оксида бария (BaO) – это хороший молекулярный излучатель широкого спектра в парообразной фазе (точка кипения BaO – около 2000°C), а конденсированные частицы BaO, находящиеся в более холодных частях пламени, также являются хорошим телом накаливания, излучающим свет.

Нитрат натрия – ещё один частый выбор. Однако он достаточно гигроскопичен, так что во время его производства и хранения нужно предпринимать необходимые меры предосторожности во избежание попадания влаги. Нитрат натрия даёт хорошую теплоотдачу на грамм благодаря небольшой атомной массе натрия (т.е. 23), и интенсивное излучение пламени из атомарного натрия в парообразном состоянии значительно способствует общей интенсивности света. С другой стороны, нитрат калия не является хорошим источником атомного или молекулярного излучения и используется редко (если вообще используется) в качестве единственного окислителя в осветительном составе белого цвета.

Магний – это топливо, которое можно найти в большинстве военных осветительных составов, а также во многих фейерверках. Алюминий и титан, сплав магния и алюминия «магналий» и сульфид сурьмы (Sb2S3) используют для белых световых эффектов в составах многих фейерверков. Некоторые формулы для составов, дающих белый свет, представлены в Таблице 1.

Пропорция ингредиентов, как ожидается, будет влиять на эффективность смеси. Оптимальные показатели эффективности ожидаются при достижении стехиометрической точки, но избыток металлического топлива, как правило, увеличивает скорость горения и интенсивность излучения света. Дополнительный металл увеличивает теплопроводность смеси, тем самым способствуя горению, а избыточное топливо – в особенности летучий метал, такой как магний (точка кипения — 1107°C) – может испаряться и гореть под воздействием кислорода, содержащегося в воздухе, для получения дополнительного тепла и света. Комбинация нитрата натрия/магния широко используется для военных осветительных составов. Данные для этой комбинации приведены в Таблице 2.

Ожидаемая реакция между нитратом натрия и магнием:

5Mg + 2NaNO3 → 5MgO + Na2O + N2

Таким образом, формула A в Таблице 2 содержит избыток окислителя. Это смесь, которая горит медленней всего и производит наименьшее количество тепла. Формула B содержит излишек магния и является наиболее реактивной из трёх; сжигание излишка магния в воздухе должно в значительной мере увеличить эффективность этой смеси.

Эти осветительные составы, особенно содержащие избыточный метал, показывают значительный эффект на высоте. Снижение атмосферного давления и, следовательно, уменьшение содержания кислорода на больших высотах замедлит скорость горения, так как избыточное топливо не будет потребляться столь же рационально.

Смеси для производства вспышки.

Для получения краткосрочной вспышки необходима смесь, которая будет очень быстро реагировать. Частицы мелких размеров используются для повышения реактивности окислителя и топлива, но в то же время увеличивается чувствительность. Поэтому эти смеси весьма опасно готовить, и операции смешивания всегда должны совершаться на расстоянии. Некоторые характерные смеси для производства вспышки поданы в Таблице 3.

Инновацией в технологиях производства военных вспышек стало создание устройств, содержащих мелкие металлические порошки без окислителя. Вместо этого используется сильно действующий разрывной заряд. При воспламенении этот заряд рассеивает частицы металла при высокой температуре и затем окисляется под воздействием воздуха, при этом излучается свет. Смешивание окислителя и топлива для изготовления этих осветительных смесей не является опасным.

ТАБЛИЦА 1. Осветительные составы белого цвета

Окислитель (% по массе) Топливо (% по массе) Другое (% по массе)
 

1

Нитрат бария Ba(No3)2

Нитрат калия KNo3

38,3 Магний Mg 26,9 Парафин 6,7
 

25,2

 

Минеральное масло

 

2,9

2 Нитрат натрия  NaNo3 44 Магний Mg  50 Ламинак  6
3 Тефлон (-CF2-CF2-)n 46 Магний Mg

Вольфрам W

 54

7

Нитроцелюлоза 2,6
4  Нитрат натрия  NaNo3  53 Алюминий Al  35 Виниловый спирт/ацетатная смола  5
 

5

 Перхлорат калия KClO4

Нитрат калия KNo3

 64

13

 

Антимоний Sb

 

13

 

Резина

 

10

 

6

 

Нитрат калия KNo3

 

65

 Сера S 

Антимоний Sb

20

10

 

Мелкий черный порох

 

5

 

7

Перхлорат аммония NH4ClO4

Перхлорат калия KClO4

40

 

30

Сульфид сурьмы Sb2S3  14  

Древесная мука

 

5

 Крахмал 11

ТАБЛИЦА 2. Комбинация нитрата натрия/магния

  % Нитрат натрия % Магний Линейная скорость горения, мм/с Тепловой эффект реакции, ккал/грамм
A. 70 30 4.7 1.3
B. 60 40 11.0 2.0
C. 50 50 14.3 2.6

Искры.

Производство сверкающих искр является одним из основных эффектов, доступных для производителя фейерверков и индустрии спецэффектов. Искры могут возникать при сжигании многих пиротехнических смесей и могут быть как желательным, так и нежелательным эффектом.

Искры возникают тогда, когда жидкие или твердые частицы – либо основные элементы смеси, либо частицы, созданные на поверхности горения – вытесняются давлением газа, произведённого во время высокоэнергетической реакции. Эти раскалённые частицы покидают зону пламени и продолжают излучать свет, пока остывают или продолжают реагировать с кислородом, содержащимся в атмосфере. Размер частиц топлива будет в значительной степени определять количество и размер искр. Чем больше будет размер частицы, тем больше будут искры. Изготовители часто используют сочетание мелких частиц топлива для производства тепла с более крупными частицами для эффекта искр.

Частицы металла – в особенности алюминий, титан и сплав «магналий» – производят хорошие искры белого цвета. Также подойдёт древесный уголь с достаточно большим размером частиц, который производит искры характерного оранжевого цвета. Цвет искр из частиц железа варьируется от золотого к белому, в зависимости от температуры реакции. Это именно те блестящие искры, которые входят в состав знаменитых золотистых фейерверков, которые запускают в США на День независимости.

ТАБЛИЦА 3. Смеси для производства вспышки

Окислитель (% по массе)  Топливо (%по массе) 
1 Перхлорат калия  КClO4 40 Магний Mg 34
Алюминий Al 26
2 Перхлорат калия  КClO4 40  

Сплав магния и алюминия «Мангалий»

60
 

3

Перхлорат калия  КClO4 30  

Алюминий Al

 

40

Нитрат бария Ba(NО3)2 30
 

4

 

Нитрат бария Ba(NО3)2

 

54.5

Сплав магния и алюминия «Мангалий» 45.5
Алюминий Al 4

Магний не производит хороший искровой эффект. У этого металла низкая точка кипения (1107°C), и поэтому обычно он испаряется и полностью реагирует в пиротехническом пламени. «Магналий» может произвести хорошие искры, которые горят в воздухе, издавая необычный потрескивающий звук. Несколько искрообразующих формул приведены в Таблице 4. Помните, что в процессе создания искр очень важен размер частиц топлива, поэтому следует поэкспериментировать, чтобы определить идеальный размер.

Для хорошего искрового эффекта топливо должно содержать частицы такого размера, который позволял бы им вырваться из пламени перед полным сгоранием. Кроме того, окислителю не следует быть слишком эффективным, иначе в пламени произойдёт полная реакция. Искры из древесного угля трудно получить при помощи более горячих окислителей, в таком случае лучше использовать нитрат калия (KNО3) с низкой температурой пламени. Для получения хорошего искрового эффекта надо помочь высвобождению частиц из пламени. Для этого необходимо произвести некоторое количество газа. Его для этой цели могут обеспечить древесный уголь, другие органические топлива и связующие вещества, а также нитрат-ион.

ТАБЛИЦА 4. Искрообразующие смеси

Смесь % по массе Эффект
1

 

 

Нитрат калия KNО3 58 Золотые искры
Сера 7
Чистый древесный уголь 35
2

 

 

 

 

 

 

Нитрат бария Ba(NО3)2 50 Золотые искры
Стальные опилки 30
Декстрин 10
Алюминиевый порошок 8
Молотый древесный уголь 0.5
Борная кислота 1.5
3

 

 

 

 

 

Перхлорат калия КClO4 42.1 Белые искры
Титан 42.1
Декстрин 15.8
(Сделайте пасту из декстрина
и воды, затем добавьте
окислитель и топливо)
4

 

 

 

 

 

 

Перхлорат калия KClO4 50 Белые искры, эффект водопадов
Пудра алюминиевая пиротехническая 25
Чешуйки алюминия 30-80 меш 12.5
Чешуйки алюминия 5-30 меш 12.5

Примечание: Размер частиц топлива очень важен для определения размера искр.

Мерцание и блестение.

При тщательном отборе топлива и окислителя для искрообразующей смеси можно будет получить несколько интересных визуальных эффектов.

При сгорании больших чешуек алюминия можно получить большие белые искры. Эти чешуйки горят непрерывно после высвобождения из пламени, создавая красивый белый мерцающий эффект. Их используют во множестве фейерверков.

Расплавленные капли алюминиевой пудры при высвобождении из пламени воспламеняются в воздухе и производят блестящую яркую вспышку света. Для достижения эффекта блестения необходима нитратная соль (лучше всего KNO3), а также сера или сульфидное соединение. Вероятно, что при низкой температуре плавления (334°C) нитрата калия образуется жидкая фаза, которая, по меньшей мере, частично отвечает за этот эффект. Некоторые формулы для блестящего эффекта с использованием алюминиевой пудры представлены в Таблице 5. Как полагают, способность некоторых составов, содержащих магний или сплава «магналиум», гореть, пульсируя как стробоскоп, является новым явлением, которое задействует две разные реакции. Медленный «тёмный» процесс происходит до тех пор, пока не образуется достаточное количество тепла для инициирования быстрой светоизлучающей реакции. Тёмная и светлая реакции чередуются, создавая эффект стробирования.

Цвет.

Некоторые элементы и соединения при нагревании до высокой температуры обладают уникальным свойством излучать линии или узкие полоски света в видимой области (380-780 нанометров) электромагнетического спектра. Это излучение воспринимается человеком как цвет, а производство цветного света – одна из самых важных целей пиротехнического химика. В Таблице 6. перечислены цвета, связанные с различными областями видимого спектра. Также в Таблице 6 представлены дополнительные цвета, которые воспринимаются, если смотреть на белый свет без определённой части видимого спектра.

Для получения цвета необходимы тепло (от реакции между окислителем и топливом) и светоизлучающие частицы. Соединения натрия, добавленные в тепловую смесь, придают пламени жёлтый цвет. Соли стронция будут давать красный цвет, барий и соединения меди – зелёный, а некоторые содержащие медь смеси – синий. Можно получить цвет при помощи излучения узкой полоски света (например, свет в диапазоне 435-480 нанометров воспринимается как синий) либо с помощью нескольких диапазонов света, которые в совокупности дают определённый свет. Например, смешивание синего и красного света в правильных пропорциях даст эффект фиолетового цвета. Теория цвета – сложная тема, но её должен изучать каждый человек, желающий создавать цветное пламя.

% массы компонента Эффект Примечание
1

 

 

 

 

 

Нитрат калия, KNО3 55 Белый блеск

 

 

 

 

 

 

Используется во
звёздках
Пудра алюминиевая 5
Декстрин 4
Сульфид сурьмы, Sb2S3 16
Сера 10
Древесный уголь 10
2

 

 

 

 

 

Нитрат калия, KNО3 55 Золотой блеск

 

 

 

 

 

Используется в звёздках.
Пудра алюминиевая 5
Декстрин 4
Сульфид сурьмы, Sb2S3 14
Древесный уголь 8
Сера 8
3

 

 

 

 

 

Нитрат калия, KNО3 55 Белый блеск

 

 

 

 

 

 

Используется в фонтанах

 

 

 

 

Сера 10
Древесный уголь 10
Распылённый алюминий 10
Оксид железа, Fe2О3 5
Карбонат бария, BaCО3 5
Нитрат бария, Ba(NО3)2 5

Производство пламени яркого цвета – гораздо более сложная задача, чем создание белого света. Для достижения удовлетворительного эффекта необходим тонкий баланс всех факторов.

Print Friendly, PDF & Email

Добавить комментарий