楊 林, 劉 寧
(國家煙花爆竹產(chǎn)品監(jiān)督檢驗中心,湖南 瀏陽,410300)
笛音藥一般是由氧化劑(高氯酸鉀)和笛音劑(某些苯的衍生物)相混合的二元煙火藥,裝填在煙花筒體內(nèi),燃放時能產(chǎn)生音頻達3 000~5 000Hz的悅耳笛音。一般認為,笛音藥燃燒是一種不連續(xù)的脈沖燃燒[1]。燃燒時瞬間產(chǎn)生大量氣體,瞬間又因熱交換,氣體冷凝而體積收縮,從而形成一伸一縮的振動,即形成聲源。當?shù)岩羲幯b填在煙花筒體中燃燒時,這一振動又引起筒體內(nèi)氣體柱振動,產(chǎn)生共鳴,從而形成如同笛音的聲響。因此,根據(jù)生產(chǎn)實際,笛音藥燃燒產(chǎn)生笛音必需具備好的筒體、藥物裝填嚴實、有共鳴腔等條件,同時笛音藥不同的組分及配比將直接影響到笛音效果。
20世紀70年代人們就使用水楊酸、苦味酸作為產(chǎn)生笛音效果的藥物,由于水楊酸吸濕性大,苦味酸感度高、危險性大,已被國家標準禁止應用到煙花爆竹產(chǎn)品中。后來人們采用對(鄰)苯二甲酸氫鉀進行取代,但對這類物質(zhì)用作笛音劑在煙花生產(chǎn)實際應用中的研究還未見報道。本實驗通過測量笛音聲級值,研究了笛音藥不同組分和配比,以及加入可燃物對產(chǎn)生笛音的影響,并對用作笛音劑的物質(zhì)結(jié)構及發(fā)聲原理進行了初步探討。
除非另有說明,所用試劑均采用工業(yè)品一級,以期和生產(chǎn)實際一致。高氯酸鉀;對苯二甲酸氫鉀;鄰苯二甲酸氫鉀;對苯二甲酸;苯甲酸;水楊酸;苦味酸;酚醛樹脂;對苯二甲酸鉀(自制);鈦粉(98%)。
聲級計(TES-1350A);銅管(φ6.0 mm×50.0 mm)。
將混合均勻的笛音藥裝入銅管中,并壓實。藥物裝填長度為 20mm,裝填后密度達 1.2~1.4g/cm3。從藥物表面引出煙花引火線,通過引火線引燃藥物,按QB/T 1942-1994[2]規(guī)定方法測量笛音聲級值。
以對苯二甲酸氫鉀作笛音劑,和高氯酸鉀按不同比例配制笛音藥,裝入銅管中,按上述測定方法,分別測量聲級值,結(jié)果見表1。
表1 對苯二甲酸氫鉀含量對笛音效果的影響Tab.1 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen on whistling
實驗表明,由對苯二甲酸氫鉀和高氯酸鉀配制的笛音藥,隨著高氯酸鉀含量增加,燃燒中釋放的氧氣量增加,使燃燒反應速率增加,瞬間生成的氣體增多,故聲級值增加,同時燃燒反應放出的熱量也隨之增加,導致銅管被燒熔。因此,煙花笛音劑對苯二甲酸氫鉀含量在28%~32%時較好。
測量不同粒度的笛音藥(對苯二甲酸氫鉀30%、高氯酸鉀70%)燃燒時產(chǎn)生的聲級值,結(jié)果見表2。
表2 粒度對笛音效果的影響Tab.2 Effect of particle size on whistling
實驗表明,笛音藥的粒度越小,產(chǎn)生的笛音效果越好、越穩(wěn)定。取0.063~0.075mm較為適宜。
對苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對苯二甲酸混合,然后與一定質(zhì)量的高氯酸鉀配制成笛音藥,其聲級值見表3。
表3 對苯二甲酸代替相等量對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響Tab.3 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by terephthalic acid on whistling
實驗表明,加入1%~6%對苯二甲酸代替相等量的對苯二甲酸氫鉀,配制的笛音藥的聲級值逐步變小。這可能是對苯二甲酸燃燒不產(chǎn)生或影響笛音效果的產(chǎn)生,故當對苯二甲酸氫鉀中混入對苯二甲酸雜質(zhì)時將降低笛音效果。
對苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對苯二甲酸鉀混合,然后與相同質(zhì)量的高氯酸鉀配制成笛音藥,其燃燒的聲級值見表4。
表4 對苯二甲酸鉀代替相等量的對苯二甲酸氫鉀對笛音效果的影響Tab.4 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen replaced by potassium terephthalate on whistling
實驗表明,加入 5%~20%對苯二甲酸鉀代替相等量的對苯二甲酸氫鉀,配制的笛音藥的聲級值逐步增大,即對苯二甲酸鉀對笛音效果有增強作用,但其吸濕性增加,有待進一步改進。
將質(zhì)量比 30%的對苯二甲酸氫鉀、鄰苯二甲酸氫鉀、水楊酸和苦味酸分別與70%的高氯酸鉀配制成笛音藥,測量聲級值,結(jié)果見表5。
表5 不同成分配制的笛音藥效果對比Tab.5 Effect of ingredients of the whistling pyrotechnic composition on whistling
實驗表明,對苯二甲酸氫鉀、鄰苯二甲酸氫鉀、水楊酸和苦味酸分別與高氯酸鉀配制的笛音藥能產(chǎn)生基本相同的笛音效果,但用苯甲酸作笛音劑卻不能產(chǎn)生笛音。從分子結(jié)構上分析,羧酸基、羥基、硝基與苯環(huán)同一平面,參與苯環(huán)的π電子軌道,產(chǎn)生共振效應。其中羧酸基是吸電子基團,當羧酸基和電負性小的鉀生成鹽后轉(zhuǎn)變成強的推電子基團,由于推電子基團存在,增加了苯環(huán)上電子云密度,活化了苯環(huán)上的氫,使過渡態(tài)中開始形成的苯正離子穩(wěn)定,加快了正碳離子的形成,使反應速率加快,所以對(鄰)苯二甲酸氫鉀能產(chǎn)生清脆的笛音。同理,盡管硝基是吸電子基團,但有強的推電子基團羥基存在,水楊酸和苦味酸也能產(chǎn)生笛音。
煙火藥中經(jīng)常需要加入可燃物,如酚醛樹脂起黏合作用,鈦產(chǎn)生銀白光色。
2.6.1 酚醛樹脂含量對笛音效果的影響
將質(zhì)量30 g對苯二甲酸氫鉀和70 g高氯酸鉀混合,然后再與不同質(zhì)量酚醛樹脂配制成笛音藥,燃燒中笛音的聲級值見表6。
表6 酚醛樹脂含量對笛音效果的影響Tab.6 Effect of the content of the phenolic resin on whistling
實驗表明,酚醛樹脂加入量大于3g時,笛音效果明顯降低。這可能是酚醛樹脂連續(xù)燃燒放出氣體,破壞了形成聲源所需的氣體脈沖振動過程。因此,連續(xù)燃燒且釋放氣體的物質(zhì)不宜過多加入笛音藥中。
2.6.2 鈦粉含量對笛音效果的影響
將質(zhì)量30 g對苯二甲酸氫鉀和70 g高氯酸鉀混合,然后再與不同質(zhì)量鈦粉配制成笛音藥,其燃燒的聲級值見表7。
表7 鈦粉含量對笛音效果的影響Tab.7 Effect of the content of the titanium powder on whistling
實驗表明,鈦粉加入量逐漸增加到 10g時,對笛音效果影響較小。這可能是鈦粉燃燒生成固體顆粒,沒有破壞形成聲源所需的氣體脈沖振動過程,同時獲得銀白色的光色效果。
從通過實驗中可以初步得出:
(1)以質(zhì)量比30%對苯二甲酸氫鉀和70%高氯酸鉀配制的笛音劑燃燒能產(chǎn)生好的笛音效果,并且粒度越小效果越好。
(2)含有苯環(huán)結(jié)構且苯環(huán)上有推電子取代基的物質(zhì),與氧化劑混合后能發(fā)生脈沖燃燒,間斷性放出大量氣體產(chǎn)生振動,發(fā)出笛音。
(3)笛音藥中加入連續(xù)燃燒且產(chǎn)生大量氣體的可燃物會削弱笛音效果,但不產(chǎn)生氣體的可燃物燃燒對笛音效果不產(chǎn)生影響,可增添光色或其它效果。
以上僅是對笛音效果藥的初步探索,為尋求新的優(yōu)質(zhì)笛音劑或改善生產(chǎn)工藝提供一些支持,但仍有許多工作有待人們?nèi)ラ_展。
[1]蘭???笛音劑與化學結(jié)構的聯(lián)系[J].花炮科技與市場,1994,1(1):20-21.
[2]QB/T 1942-1994 爆竹 聲級值的測定[S],1994.