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    【化工與生活】誰來成就煙花的美

    發布時間:2021-05-11 點擊次數:48次

      農歷春節剛過,除夕之夜炫彩奪目的煙花是否令你印象深刻?作為中華民族歷史悠久的文化藝術,千百年來,煙花一直與我國各族人民的生產生活緊密相連。上至國家政商大典,下至民間婚慶嫁娶,凡是隆重的場合,都有煙花爆竹的參與。那響徹耳邊的聲音,那閃耀夜空的光芒,都抒發著人們喜悅的情懷,表達著人們良好的祝愿。但你是否知道,這一聲響、一次美麗綻放的背后,又有多少化學物在反應?本期的《化工與生活》就將帶領你走進煙花爆竹背后的化學世界。

      化工讓煙花綻放

      早先的煙花爆竹產品不多,所使用的原材料也比較單一,僅為火硝、硫黃、木炭粉、金屬粉末、爆炸紙等。而隨著現代工業的發展,煙花爆竹使用的原材料已多達上百種,其中化工原材料就多達幾十種。

      其實,煙花爆竹不僅原材料和化工息息相關,煙花爆竹的燃放就是化學反應的結果。煙花爆竹內部進行的是一種自供氧的氧化還原反應。由于煙花爆竹燃燒速度極快,空氣中氧氣含量有限,無法充足供應,所以煙花爆竹的藥料里含有的大量燃料和氧化劑,提供了高速燃燒必要的反應物質。

      煙花爆竹的燃放是固體燃料與固體氧化劑進行反應,這也被稱為固相反應。要使這些固體物質之間產生反應,必須將它們粉碎到一定的細度并混合均勻,才能進行有效的反應。同時,原材料固體物質的晶體大小、形狀、比重、吸濕性等物理性質都對反應有著很大的影響,所以在煙花行業,對生產煙花的化工材料的質量要求是非常高的。

      雖然煙花爆竹進行了一系列的化學反應,但是煙花爆竹行業工作者的目的并不是要這些化學反應的生成物,而是需要這些化學反應伴生而來的能量——熱能、光能、聲能和機械能。有了這些能量就可以通過一定的裝置,為人們帶來強烈的視覺和聽覺體驗,例如煙花綻放時鮮艷的顏色、悅耳的嘯聲和旋轉上升的運動姿態等。因此,煙花爆竹根據效果的不同,其組成也有著很大的差別,生產過程中必須要根據不同的需要,對化學成分進行合理配比,才能達到好效果。

      化工讓煙花多彩

      煙花能夠廣受歡迎、流傳至今,得益于它的絢爛多姿、流光溢彩以及在一瞬間爆發又一瞬間消逝帶給人們的無窮回味。煙花之所以能夠呈現出五顏六色,是因為在煙花的成分中,添加了特殊的元素,在燃燒過程中,這些特殊元素的火焰具有不同的顏色。獲得有色火焰的辦法不是像繪畫或者油漆那樣直接加入某種顏色的顏料那么簡單,而是一個復雜的化學反應過程,即在煙火劑中加入某種化學物質,使其在燃燒時把火焰“染”成某種顏色。因此,恰當地選擇著色物質,獲得指定的色焰是非常重要的。

      紅光劑一般用鍶鹽為主原料,如硝酸鍶、草酸鍶、碳酸鍶、青天石等。鍶的氧化物、氫氧化物、鹵化物都可以發射帶狀光譜,半分解產物的帶狀光譜都位于紅光區,所以它們可以用來產生紅光。目前煙花行業的紅光劑,大都采用氧化鍶和一氧化鍶作為紅光劑的給予體,并添加氯酸鉀、聚氯乙烯和六氯代苯等。

      綠光劑硝酸鋇、碳酸鋇、氧化鋇、氯化鋇、高氯酸鋇等。綠光發光劑常用鋇的化合物,是由于氫氧化鋇和鹵化鋇的分子輻射所致。目前,高氯酸鋇和氯酸鋇是比較理想的綠色發光物質。但是這兩種物質機械感度高,在沒有加入適量的鈍感劑條件下,是不宜采用的。

      藍光劑氧化銅、堿式碳酸銅(孔雀石)、硫化亞銅、金屬銅等。藍光是由一氯化銅的分子輻射所產生的,因此,藍光劑基本上都是以生成一氯化銅分子輻射為基礎。從效果上來看,以氯酸鉀為氧化劑的藍光劑比以高氯酸鉀為氧化劑的藍光劑效果好,但從安全的角度來考慮,高氯酸鉀的藍光劑比氯酸鉀的藍光劑要安全一些?,F在,普遍采用高氯酸鉀加入含硫的原料促使其分解,以作為藍光劑的給予體。

      黃光劑以冰晶石、氟化鈉、氟硅酸鈉、硝酸鈉、草酸鈉、碳酸氫鈉等鈉鹽為主要原料配制而成。氟鋁酸鈉(冰晶石)和氟硅酸鈉是天然產物,含鈉量高,價格便宜,性能穩定,它們在燃燒時使藥劑的爆熱值提高,可能代替一部分金屬可燃物,所以對黃光效果是有利的。但這兩種物質吸濕性較強,目前,常用草酸鈉作為黃光劑的給予體。

      化工讓煙花更環保

      鞭炮點燃后,在其迅速燃燒、激烈爆炸、噴火射焰的同時,會產生大量的二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、一氧化碳等氣體和各種金屬氧化物的粉塵。其中,二氧化硫、二氧化氮是刺激性和腐蝕性極強的酸性氧化物,危害極大的酸雨主要是由這類氣體溶于雨云中形成的。大量燃放鞭炮時,如果適逢無風或低氣壓的天氣,這些氣體一時無法飄散,就會強烈地刺激人的呼吸道,使人咳嗽,引起氣管炎等疾病。因此,煙花爆竹行業也在致力于發展更加環保的產品。

      目前,很多新型材料被運用到了煙花爆竹中,它們的作用就是減少煙花爆竹對環境的污染。譬如無鉛催化劑解決了用鉛的問題,杜絕了鉛的污染;硝酸銀代替硝酸汞,解決了汞污染的問題;有機纖維素代替硫黃解決了二氧化硫的問題。

      而在爆響劑的配制中,針對硫黃與氯酸鉀混合容易受外界能量刺激而引發安全事故,化工行業研制了一種新型的混合型可燃劑——三和粉,再配以一定量的氯酸鉀,直接用于爆竹專用藥。該新型爆竹專用藥屬無硫無銻爆竹藥劑,在生產和燃放時減少了大氣污染,且其相容性好,安全可靠。

      另外,一些大型活動對環保型煙花的需求也極大地促進了化工技術在煙花行業的發展。例如,北京奧運會的煙花產品就嘗試使用了稀土材料。傳統煙花為了追求色彩效果,往往添加各種重金屬鹽,此種煙花燃放過后就會產生大量重金屬污染。而稀土元素能級躍遷多,可以產生多種多樣的輻射和吸收。稀土元素的加入,不僅使煙花更加絢麗多彩,也更加環保。同時,北京奧運會的煙火產品還使用了新科技成果芯片禮花彈,即把電腦芯片安裝在禮花彈內,通過電腦控制,在規定的高度、方位、朝向爆炸,組成各種特效的文字、圖案,讓煙花更加生動、美麗。

      圖為近日,北京市北新橋街道前永康社區內的煙花爆竹回收點前,小朋友用爆竹換來了全民閱讀卡。 (CFP 供圖)

      背景資料

      科普之窗

      煙花爆竹由氧化劑、可燃物、有色發光劑、黏合劑、其他特種效果物質組成。其主要成分是:黑火藥(含有硫黃、木炭粉、硝酸鉀和氯酸鉀),制作閃光雷、電光炮、煙花炮、彩色焰火時,還要加入鎂粉、鐵粉、鋁粉、銻粉及無機鹽。

      氧化劑

      氧化劑為煙火藥提供燃燒所需要的氧,主要采用硝酸鹽類和高氯酸鉀類等化工原料,但有些不含氧的物質,如四氯化碳、六氯乙烷等也可作為氧化劑。常用于煙火藥的氧化劑有:硝酸鉀、硝酸鋇、硝酸鍶、硝酸鈉、高氯酸鉀。

      可燃物

      可燃物為煙火藥燃燒、爆炸提供所需要的熱量??扇嘉锘钚院秃瑹崃康亩嗌?,決定著煙火藥反應速度的快慢。在火藥中,有些物質既充當氧化劑,又充當可燃物。高發熱的可燃物有鋁粉、硫化銻等,低發熱的可燃物有碳、硫等。

      有色發光劑

      有色發光劑是使火焰著色的物質,其發出的不同色光,是化合物中金屬離子在燃燒、爆炸所產生的高溫的激發下輻射出不同波長的可見光。

      黏合劑

      黏合劑的主要作用是保證煙火藥本身有一定的黏度,能夠制成具有一定強度和密度的顆粒,從而得到所需要的燃燒或爆炸效果。常用的黏合劑主要有酚醛樹脂、松香等。

      其他特種效果物質

      其他特種效果物質包括:煙霧劑、鈍感劑、加快或延遲煙火藥燃燒速度的物質、有色發光劑中能形成氯化物分子輻射的物質和嘯聲劑等。



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