烟花爆竹安全用药探讨.pdf

2 0 0 8 年1 0 月烟花爆竹安全用药探讨范小花等 3 3 烟花爆竹安全用药探讨’ 范小花蔡治勇易俊赵一蛛 重庆科技学院安全工程学院 重庆，4 0 1 3 3 1 [ 摘要]烟花爆竹的安全首先取决子烟火药剂配方的科学合理与满足环保安全的要求。长期以来，高感度药剂 氯酸钾的使用是烟花爆竹事故多发的主要原因。文章从烟火荆三大组分，即氧化剂、还原剂和粘合荆的合理选择 与搭配着手，论述了新型安全、环保、经济的烟花爆竹药剂的配制技术，并对其可行性进行了分析。 [ 关键词]烟花爆竹烟火剂安全 [ 分类号] T Q 5 6 7 1 引言 烟花爆竹以其多彩的烟火效应，给人们的生活 增添了无限美的色彩。目前，我国是世界烟花爆竹 的生产、消费和出口大国，烟花爆竹的生产经营已成 为一些地方经济发展的支柱产业。但是，烟花爆竹 事故频发多发的现实给人们的生命财产造成了极大 的损失。为了防止和减少这种损失，各大城市从 1 9 9 3 年开始，陆续对烟花爆竹的燃放下达“禁放 令”。这不仅严重制约了烟花爆竹行业的发展，同 时也消减了人们节假日生活的乐趣。 为了响应人们的呼吁，我国大多数大城市从 2 0 0 5 年开始对烟花爆竹又陆续实行了“禁改限”的 规定，这一政策的改变使得市场对烟花爆竹的需求 大量增加，这无疑为烟花爆竹的生产、发展带来了良 好机遇。 但是，“禁改限”后，烟花爆竹所带来的伤亡、污 染、火灾等问题仍然存在。据统计，仅2 0 0 5 年一 年，全国各地共发生烟花爆竹安全事故4 1 2 起，死亡 4 5 6 人，均高于解禁前每年的统计数字。分析统计 得知，在爆竹行业发生的事故中有9 0 ％以上与烟火 剂中使用的氯酸钾有关，因为氯酸钾熔点低 3 6 5 ℃ ，分解放氧温度低 4 0 0 。C ，与硫磺、金属粉 或者有机物混合后，撞击感度和摩擦感度都很高 达1 0 0 ％ ，对机械振动很敏感，稍经摩擦或撞击就 会起火爆炸，而烟花爆竹行业有很多工序还是手工 操作，所以稍有不慎就会引发安全事故⋯。因此解 禁之后，要解决烟花爆竹的安全问题，除了政府要加 强监管力度外，更主要的应该是从技术上改变烟花 爆竹的不安全因素，采用科学的配药方法，提高制造 烟花爆竹的技术含量，从源头上控制烟花爆竹不安 全事故的发生。 收稿日期2 0 0 8 - 0 5 - 2 6 基金项目重庆市自然科学基金资助项目 2 0 0 7 B B 4 2 1 9 。 本文从烟火剂三大组分，即氧化剂、还原剂和粘 合剂的合理选择与搭配着手，研究新型安全、环保、 经济的烟花爆竹药剂的配制技术。 2 药剂选择 烟花爆竹内填装的药物统称为烟火药剂，简称 烟火剂，它由三大组分一氧化剂、可燃物和粘合剂 机械混合而成。烟花爆竹的烟火效应就是由烟火剂 的一系列化学反应带来的。因此烟火剂的安定性决 定了烟花爆竹的安全性大小。 2 ．1 氧化剂 氧化剂是帮助和支持可燃物燃烧的物质，为燃 烧、爆炸供氧，在烟火剂中起主导的作用，是烟火剂 中的主要成分，一般占总量的5 0 ％一7 5 ％。烟花爆 竹爆炸力的强弱，危险还是安全，主要决定于其中的 氧化剂种类及比例。 氧化剂的选择应考虑以下几点临j 1 应为固 体，熔点不低于5 0 一6 0 ℃； 2 有效含氧量高，燃速 较高； 3 安定性较好，受水作用不分解，对人体无 害。 氯酸钾是我国烟花爆竹行业长期以来普遍采用 的氧化剂。因为氯酸钾的有效供氧量高 3 9 ．2 ％ ， 可燃性好，制作的爆竹响声清脆，碎纸率高，并且价 格便宜。但是由于它是造成烟花爆竹安全事故的源 头，我国国务院已在2 0 0 2 年发5 2 号文件规定严禁 使用氧酸钾配制烟火剂。因此现今在烟花爆竹行业 对氧化剂的要求就是要找到一种爆炸性能与氯酸钾 相当，但是安定性比氯酸钾好并且价格适宜的药种。 目前可用的烟花爆竹药种如表l 所示。 根据烟火剂行业长期以来的配药经验，考虑到 药剂成本、环境保护以及响应国家相关政策等方面， 可以选择其中的两种或多种药剂的复合物作为氧化 万方数据 3 4 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 7 卷第5 期 表1 常用烟花爆竹氧化剂 剂。复合氧化剂的使用是目前烟花爆竹氧化剂的发 展方向。当选择的组分及搭配比例合适时，不仅能 使各种氧化剂充分发挥其优点，而且由于相互作用 还会产生一些新的实际的性能。 如将硝酸钾、硝酸钡与金属氧化物复合使用时， 金属氧化物可起到加速硝酸钾、硝酸钡的分解的作 用，可成为硝酸钾、硝酸钡的燃速催化剂旧j 。 硝酸钾加热后的分解反应如下 2 K N 0 3 - - - ．- 2 K N 0 2 0 2 2 K N 0 2 - I q 04 - N 0 24 - N O 它们分解出的N O ，会进一步被还原成N O ，而 2 N O - - - ，N 0 的反应很慢，金属氧化物的加入能形 成活化中间体与N O 作用，加速2 N O - - - ，N 2 0 2 反应 的进程，使硝酸钾、硝酸钡完全分解。 其次，硝酸盐能够成为金属氧化物反应的引发 剂。金属氧化物熔点高 三氧化二铁为1 5 4 8 0 C ，分 解温度也高，反应需要很高的活化能。而硝酸盐熔 点低 硝酸钾熔点为3 3 4 ℃、硝酸钡熔点为5 9 2 ℃ ， 分解温度也较低 硝酸钾分解温度为4 0 0 ℃、硝酸钡 温度为1 6 0 。C 。因此硝酸盐能首先与可燃物 如铝 粉 反应造成2 0 0 0 2 5 0 0 ℃以上的高温，快速引发 整体反应的进行 铝粉和氧化铁的混合物又称为铝 热剂，燃烧温度可达3 0 0 0 。C 。 再次，硝酸盐的有效供氧量比金属氧化物要高， 可提高复合氧化剂的富氧值。硝酸盐又是金属氧化 物的良好增孔剂，可显著地提高火药的燃速。若采 用微晶加工技术后，当金属氧化剂细粉末与硝酸钾 溶液的混合浆料干燥后，能使氧化剂形成多孔的物 质，这种多孔氧化剂的粉末与可燃物混合可显著提 高燃烧速度。 高氯酸盐的燃爆性能与氯酸盐相当，而且安定 性能也比氯酸钾好，因此当国家禁止使用氯酸钾后， 高氯酸钾成为氯酸钾主要的替代物。但是由于其成 本比氯酸钾高很多，因此高氯酸钾的应用受到限制。 若将高氯酸钾与硝酸盐或金属氧化物复合使用时， 不仅可以降低单独使用高氯酸钾的成本，而且还能 增加药剂的酥松度，提高燃速。 加入少量的高氯酸钾可提高氧化剂的性能。在 有其它氧化物和硝酸钾存在的情况下，高氯酸钾对 外界的撞击和摩擦已有了缓冲的余地，其性能变得 更为稳定。高氯酸钾还有许多优点，如供氧量高 4 6 ．2 ％ ，与镁铝合金粉反应放热量大，当加入量 适当时，既保证了安全，又使氧化剂的性能有所提 高。 目前，已经有不少关于复合氧化剂的发明专利， 如中国专利0 3 1 1 8 2 7 0 ．4 公开了一种“鞭炮氧化 剂”【．j ，以高氯酸钾、硝酸钡、硝酸钾的混合物作为 氧化剂，这种氧化剂与氯酸钾、纯高氯酸钾氧化剂的 效果相当，但安全性远高于氯酸钾氧化剂，同时其成 本又低于纯高氯酸钾氧化剂。中国专利 2 0 0 4 1 0 0 4 6 7 4 9 ．6 也公开了一种“鞭炮安全氧化 剂”引，它是将硝酸钡和高氯酸钾复合使用，这种氧 化剂安全性远远高于氯酸钾作为氧化剂，同时成本 又低于高氯酸钾氧化剂、仅比氯酸钾高5 ％。中国 专利2 0 0 6 1 0 0 6 6 4 5 3 ．X 公开了“一种用于烟花爆竹 的复合氧化剂”的技术【6 】，它是将金属氧化物、硝酸 钾和高氯酸钾复合使用，报道称该复合氧化剂使用 效果好，且经济效益高等。 2 ．2 可燃物 可燃物是烟火剂中的另一主要成分，也称还原 剂。可燃物的选择应考虑以下几点 1 燃烧时热 效应较大； 2 燃烧需氧量少，在氧化剂或空气中易 氧化； 3 有适当安定性，能耐弱酸、弱碱； 4 吸湿 性小，对人体无害。 烟花爆竹常用的可燃物如表2 所示。 表2常用烟花爆竹可燃物 金属非金属金属硫化物 镁、铝瓣铝A 震龋硫化锑、硫化砷等金粉等炭黑或石墨 、磷等””。””““⋯7 。 铝粉是轻金属，可提高爆炸温度和爆炸威力。 铝粉和氧化铁的混合物称为铝热剂，燃烧时能放出 大量的热，燃烧温度可达3 0 0 0 ℃，因此铝粉是一种 很好的可燃物。 镁粉是比铝粉更为活泼的轻金属，它化学安定 性比铝粉差得多，以它配制的烟火剂感度极高，因此 国家已规定不准使用镁粉 镁铝合金除外 。 铝镁合金粉的熔点是4 6 3 。C ，它比铝粉熔点 6 6 0 ．1 ℃低将近2 0 0 。C ，降低了鞭炮爆炸的点火温 度，加速了氧化剂的分解，提高了爆炸接火率和声响 值，从而大大减少了用药量。在烟火药配方中一般 采用铝粉或镁铝合金粉作可燃物。但金属粉易与水 反应，且放出大量的热。因此，含金属粉的烟火剂受 潮后，很容易发生自燃自爆现象。 木炭粉是低燃点物质，用它来配制烟火剂时，鞭 炮易于点火。木炭粉是一种很好的可燃物。 硫磺是一种最为常见的鞭炮还原剂，当其与氯 酸钾或高氯酸钾配合后，能产生非常好的爆响效果， 万方数据 2 0 0 8 年1 0 月烟花爆竹安全用药探讨范小花等 因此，硫磺一直都是企业的最爱。但是硫磺燃烧后 的产物会对空气造成较大的污染，所以，发明一种能 替代硫磺的烟火剂用作还原剂将具有重要的意义。 金属硫化物与硫磺相比，其燃烧后能减轻对大 气的污染，但使用时用量会受到限制。 另外，加入天然海豹石可增强药剂爆炸力，改进 爆响音质、音量，且存放时又比较安全，与其它组分 配合使用可以达到安全稳定、爆响效果好的特点。 2 ．3 粘合剂 在烟火剂配制中，还经常需要粘合剂。粘合剂 的作用是 1 将不同成分彼此粘合，增加药剂强 度； 2 使各种不同密度的物质能均匀分布，使烟火 剂燃烧速度一致； 3 将烟火药中的颗粒保护起来， 能防止药剂吸收空气中的潮气，可降低烟火剂的感 度。 常用的粘合剂有天然树脂 例如虫胶、松香等 和合成树脂 例如酚醛树脂、环氧树脂等 、糊精以 及油类 例如干性油、蓖麻油、石蜡油、硬脂酸等 。 粘合剂的含量不宜超过1 0 ％一2 0 ％。由于粘合剂 在烟火药中同时起可燃物的作用，燃烧时要消耗一 定量的氧化剂。因此粘合剂的加入量应以使药块达 到足够的强度，同时又不影响药剂的燃烧速度为准。 3 烟火剂配制技术 在选择好药剂种类后，在药剂的配制中拟解决 的关键问题有 1 药量控制。烟花爆竹产品的药 量与其危险性紧密相关，总药量的控制，是保证产品 安全性的源头。按照国家标准G B l 0 6 3 1 - 2 0 0 4 的规 定，根据危险等级和产品类型的不同有相应的药量 控制。在制造时应严格遵守相关要求。 2 所选的 氧化剂要按合适的比例搭配，以节约成本、保证制造 安全和使用效果为目标。 3 粒径的控制。烟火剂 的粒径 比表面积 大小对产品的爆炸性能有很大 的影响，粒径越小，爆炸性能越强。 4 氧化剂、可 燃物及其它配料按比例搭配时，应充分考虑各种药 剂间的相互作用，尽力使各种药剂发挥优点，抑制其 缺点。 5 确定烟火剂中氧化剂的比例时，应运用 。氧平衡”原则，既要考虑氧化剂放氧量，又要考虑 空气中的有效氧含量，使选用的氧化剂能达到最佳 使用效果。 4 安全指标要求与测试 烟火药剂选择配制完成后，应对其相关性能进 行测试，达到相应标准后才能使用，这是对烟花爆竹 实现安全性进行最后的把关。需测试的主要技术经 济指标如下【_ 7 1 1 撞击感度≤5 0 ％，按照S N ／T 0 3 0 6 ．4 - 2 0 0 6 中5 的规定执行。 2 摩擦感度≤ 6 0 ％，按S N ／T0 3 0 6 ．4 - 2 0 0 6 中6 的规定执行。 3 声级值≤1 4 0d B ，按Q B ／T1 9 4 2 的规定进行。 4 吸湿性≤2 ．0 ％，采用Q B ／T1 9 4 1 ．5 的测试方法进 行。 5 烧成率≥8 5 ％，按数量将单位样品逐个燃 放，统计出烧成数与未烧成数。 6 爆响率≥9 7 ％， 按G B l 0 6 3 l 2 0 0 4 的规定进行。 5 结论 1 以硝酸盐、高氯酸盐和金属氧化物的复合 物为烟花爆竹氧化剂，将有着巨大的发展前景。 2 烟火剂的配制应充分考虑节约成本、保障 安全和使用效果，应从搭配比例、药量、粒径等方面 加以控制。 3 应按国家、行业的相关标准来检测、检验烟 火剂的安全性能。 参考文献 [ 1 ] 娄建武，卢云．氯酸钾炸药爆炸性能研究[ J ] ．爆破 器材，2 0 0 8 ，3 7 1 1 5 1 7 ． [ 2 ] 郭祥熙，王百姓，樊彩霞，等．关于烟花爆竹爆音剂中 代替氯酸钾用复合氧化剂的研究与应用[ J ] ．花炮科 技与市场，2 0 0 7 ， 2 3 2 3 4 ． [ 3 3 雍和平．鞭炮安全氧化剂[ P ] ．中国专利 2 0 0 4 1 0 0 1 6 8 9 9 ．2 ，2 0 0 5 4 3 1 4 3 5 ． f 4 ] 陈义文．鞭炮氧化剂[ P ] ．中国专利0 3 1 1 8 2 7 0 ．4 ， 2 0 0 3 ．1 1 - 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