楊 林, 劉 寧

（國家煙花爆竹產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)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(shí)能產(chǎn)生音頻達(dá)3 000～5 000Hz的悅耳笛音。一般認(rèn)為，笛音藥燃燒是一種不連續(xù)的脈沖燃燒[1]。燃燒時(shí)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(dòng)，即形成聲源。當(dāng)?shù)岩羲幯b填在煙花筒體中燃燒時(shí)，這一振動(dòng)又引起筒體內(nèi)氣體柱振動(dòng)，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(shí)際，笛音藥燃燒產(chǎn)生笛音必需具備好的筒體、藥物裝填嚴(yán)實(shí)、有共鳴腔等條件，同時(shí)笛音藥不同的組分及配比將直接影響到笛音效果。

20世紀(jì)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(xiǎn)性大，已被國家標(biāo)準(zhǔn)禁止應(yīng)用到煙花爆竹產(chǎn)品中。后來人們采用對(duì)（鄰）苯二甲酸氫鉀進(jìn)行取代，但對(duì)這類物質(zhì)用作笛音劑在煙花生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的研究還未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量笛音聲級(jí)值，研究了笛音藥不同組分和配比，以及加入可燃物對(duì)產(chǎn)生笛音的影響，并對(duì)用作笛音劑的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及發(fā)聲原理進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

除非另有說明，所用試劑均采用工業(yè)品一級(jí)，以期和生產(chǎn)實(shí)際一致。高氯酸鉀；對(duì)苯二甲酸氫鉀；鄰苯二甲酸氫鉀；對(duì)苯二甲酸；苯甲酸；水楊酸；苦味酸；酚醛樹脂；對(duì)苯二甲酸鉀（自制）；鈦粉（98%）。

1.2 設(shè)備

聲級(jí)計(jì)（TES-1350A）；銅管（φ6.0 mm×50.0 mm）。

1.3 測(cè)定方法

將混合均勻的笛音藥裝入銅管中，并壓實(shí)。藥物裝填長(zhǎng)度為 20mm，裝填后密度達(dá) 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(cè)量笛音聲級(jí)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)苯二甲酸氫鉀含量對(duì)笛音效果的影響

以對(duì)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(cè)定方法，分別測(cè)量聲級(jí)值，結(jié)果見表1。

表1 對(duì)苯二甲酸氫鉀含量對(duì)笛音效果的影響Tab.1 Effect of the content of terephthalic acid potassium hydrogen on whistling

實(shí)驗(yàn)表明，由對(duì)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(yīng)速率增加，瞬間生成的氣體增多，故聲級(jí)值增加，同時(shí)燃燒反應(yīng)放出的熱量也隨之增加，導(dǎo)致銅管被燒熔。因此，煙花笛音劑對(duì)苯二甲酸氫鉀含量在28%～32%時(shí)較好。

2.2 粒度對(duì)笛音效果的影響

測(cè)量不同粒度的笛音藥（對(duì)苯二甲酸氫鉀30%、高氯酸鉀70%）燃燒時(shí)產(chǎn)生的聲級(jí)值，結(jié)果見表2。

表2 粒度對(duì)笛音效果的影響Tab.2 Effect of particle size on whistling

實(shí)驗(yàn)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。

2.3 對(duì)苯二甲酸代替相等量的對(duì)苯二甲酸氫鉀對(duì)笛音效果的影響

對(duì)苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對(duì)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(jí)值見表3。

表3 對(duì)苯二甲酸代替相等量對(duì)苯二甲酸氫鉀對(duì)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(shí)驗(yàn)表明，加入1%～6%對(duì)苯二甲酸代替相等量的對(duì)苯二甲酸氫鉀，配制的笛音藥的聲級(jí)值逐步變小。這可能是對(duì)苯二甲酸燃燒不產(chǎn)生或影響笛音效果的產(chǎn)生，故當(dāng)對(duì)苯二甲酸氫鉀中混入對(duì)苯二甲酸雜質(zhì)時(shí)將降低笛音效果。

2.4 對(duì)苯二甲酸鉀代替相等量的對(duì)苯二甲酸氫鉀對(duì)笛音效果的影響

對(duì)苯二甲酸氫鉀與不同質(zhì)量對(duì)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(jí)值見表4。

表4 對(duì)苯二甲酸鉀代替相等量的對(duì)苯二甲酸氫鉀對(duì)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(shí)驗(yàn)表明，加入 5%～20%對(duì)苯二甲酸鉀代替相等量的對(duì)苯二甲酸氫鉀，配制的笛音藥的聲級(jí)值逐步增大，即對(duì)苯二甲酸鉀對(duì)笛音效果有增強(qiáng)作用，但其吸濕性增加，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2.5 不同成分配制的笛音藥效果對(duì)比

將質(zhì)量比 30%的對(duì)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(cè)量聲級(jí)值，結(jié)果見表5。

表5 不同成分配制的笛音藥效果對(duì)比Tab.5 Effect of ingredients of the whistling pyrotechnic composition on whistling

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)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(gòu)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(yīng)。其中羧酸基是吸電子基團(tuán)，當(dāng)羧酸基和電負(fù)性小的鉀生成鹽后轉(zhuǎn)變成強(qiáng)的推電子基團(tuán)，由于推電子基團(tuán)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(yīng)速率加快，所以對(duì)（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(tuán)，但有強(qiáng)的推電子基團(tuán)羥基存在，水楊酸和苦味酸也能產(chǎn)生笛音。

2.6 可燃物對(duì)笛音效果的影響

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(duì)笛音效果的影響

將質(zhì)量30 g對(duì)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(jí)值見表6。

表6 酚醛樹脂含量對(duì)笛音效果的影響Tab.6 Effect of the content of the phenolic resin on whistling

實(shí)驗(yàn)表明，酚醛樹脂加入量大于3g時(shí)，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(dòng)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(duì)笛音效果的影響

將質(zhì)量30 g對(duì)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(jí)值見表7。

表7 鈦粉含量對(duì)笛音效果的影響Tab.7 Effect of the content of the titanium powder on whistling

實(shí)驗(yàn)表明，鈦粉加入量逐漸增加到 10g時(shí)，對(duì)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(dòng)過程，同時(shí)獲得銀白色的光色效果。

3 結(jié)論

從通過實(shí)驗(yàn)中可以初步得出：

（1）以質(zhì)量比30%對(duì)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(gòu)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(dòng)，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(huì)削弱笛音效果，但不產(chǎn)生氣體的可燃物燃燒對(duì)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(duì)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(xué)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系[J].花炮科技與市場(chǎng),1994,1(1):20-21.

[2]QB/T 1942-1994 爆竹 聲級(jí)值的測(cè)定[S],1994.