PRINCIPII DE ELABORARE A COMPOZITIILOR PIROTEHNICE
Articolele pirotehnice au la baza functionarii lor combustia incarcaturilor pirotehnice, acestea fiind la randul lor constituite dintr-unul sau mai multe straturi de compozitii pirotehnice. Avand in vedere rolul fundamental al compozitiilor pirotehnice in generarea efectelor pirotehnice, in acest capitol se vor analiza diferitele aspecte referitoare la conceptia, proprietatile si incarcarea amestecurilor pirotehnice.
O combustie poate sa fie caracterizata in general printr-un ansamblu de conditii, ca cele prezentate in continuare.
F Este necesara existenta a cel putin doua corpuri care reactioneaza si se combina apoi pentru obtinerea altor corpuri, cu eliberarea unei cantitati de caldura.
F Exista o zona de reactie care separa produsii initiali de produsii finali ai reactiei.
F Zona de reactie se deplaseaza cu o viteza care poate sa fie cuprinsa intre cativa mm/s la mai multi m/s, prin intermediul unui proces de transfer termic (suntem in cazul unei deflagratii); ceea ce face diferenta de o detonatie, este ca in cazul acesteia din urma, viteza de deplasare a undei este mult mai mare si depaseste viteza de deplasare a undei sonore in materialul initial. In realitate unda de detonatie este o unda de soc auto-intretinuta de chiar reactia de combustie a explozivului.
F Reactia de combustie este o reactie care se bazeaza pe schimbul de electroni intre corpurile ce se afla in reactie; astfel de reactii se mai numesc si reactii de oxido-reductie sau oxido-reducere. Unul dintre corpurile ce reactioneaza este oxidantul, care oxideaza carburantul, iar celalalt este carburantul, care reduce oxidantul.
|
|
Figura 1 Schema simplificata a unei reactii de combustie
Se pleaca deci de la cel putin doi reactanti, A si B, pentru a se ajunge, de exemplu, la doi noi produsi, C si D, eliberandu-se caldura:
Reactia poate fi mult mai complexa; de exemplu, atunci cand se aprinde un foc cu lemne, acestea nu reactioneaza direct cu oxigenul din aer. In realitate, caldura descompune progresiv lemnul in diversi produsi lichizi, solizi si gazosi care la randul lor reactioneaza cu aerul. Astfel, reactia dintre A si B ar putea debuta prin descompunerea unuia dintre reactanti, ca urmare a actiunii caldurii:
reactia
putandu-se scrie sub forma:
Chiar daca exista una sau mai multe etape intermediare, important este ca plecand de la niste produsi initiali (reactanti), se ajunge la produsii finali ai reactiei.
De exemplu, combustia propanului cu oxigenul se poate scrie:
C3H8 + 5 O2 3 CO2 4 H2O 2200 kJ/kg (scriere molara)
10-3 C3H8 +160 10-3 O2 10-3 CO2 10-3 H2O 2200 kJ /kg (scriere masica)
Reactia poate sa fie si mai complexa. De exemplu, combustia unei compozitii de amorsare, cu proportiile indicate mai jos,
Ba(NO3)2 - 32% MBa(NO3)2 = 261 g/mol n1 = 226 mol
Mg - 16% MMg = 24.305 g/mol n2 = 6.583 mol
BaO2 - 45% MBaO2 = 169 g/mol n3 = 2.662 mol
C13H12O2 - 7% MC13H12O2 = 200 g/mol n4 = 0.350 mol
poate sa fie exprimata sub forma masica sau molara astfel:
sub forma masica
0,320 Ba(NO3)2 + 0,450 BaO2 + 0,160 Mg + 0,070 C13H12O2
0,596 BaO + 0,034 N2 + 0,265 MgO + 0,038 H2O + 0,024 CO + 0,044 C+3736 kJ/kg
sub forma molara
226 Ba(NO3)2 + 2.662 BaO2 + 6.583 Mg + 0.35 C13H12O2
3.888 BaO + 226 N2 + 6.583 MgO + 2.1 H2O + 0.859 CO + 3,691 C+3736 kJ/kg
Cea de-a doua reactie este mult mai complexa decat cea "simpla" a propanului evocata mai sus si se va putea desfasura in multiple etape, chiar in cazul unui amestec binar - constituit din doar doi componenti.
Mai intai, sub influenta unui stimul exterior de aprindere, are loc topirea constituentilor amestecului, apoi descompunerea oxidantului (care poate sa fie endotermica sau exotermica) cu eliberarea oxigenului, care va reactiona cu carburantul.
De exemplu, reactiile de descompunere ale azotatului de bariu si cele ale peroxidului de bariu sunt:
226 Ba(NO3)2 226 BaO + 226 N2 + 3.065 O2
2.662 BaO2 2.662 BaO + 331 O2
Oxigenul eliberat va fi imediat utilizat pentru oxidarea magneziului si iditolului (liantului):
6.583 Mg + 3.291 O2 6.583 MgO
0.35 C13H12O2 + 2.436O2 2.1 H2O+0.109CO +4.440 C +2.22 O2 2.1 H2O+ 4.55CO
Pe scurt, scrierea reactiei de combustie nu mai este deloc simpla si mai mult, face sa intervina diferite etape ce se desfasoara in faza solida, lichida sau gazoasa.
S-a vorbit pana acum de o reactie chimica, fara sa se aminteasca nimic despre modul cum aceasta "demareaza". Initierea combustiei poate sa fie "spontana", adica odata ce reactantii sunt pusi in contact sau ca urmare a actiunii unui stimul exterior, care poate sa fie de natura termica, mecanica, electrica etc.
In realitate, trebuie sa se furnizeze din exterior o anumita cantitate de energie pentru ca o mica parte din amestecul initial de reactanti sa poata atinge un anumit nivel energetic, de la care reactia sa poata avea loc. Apoi, imediat reactia de combustie se propaga in tot restul amestecului si se intretine fie pana in momentul in care unul dintre reactanti se consuma, fie pana cand dispar conditiile ce permiteau intretinerea reactiei.
Imediat se poate vorbi despre viteza de reactie, numita uneori si viteza de combustie, adica viteza cu care se elibereaza energia sau cu care se consuma materialele reactante in unitatea de timp. Deoarece majoritatea compozitiilor pirotehnice sunt utilizate pentru continutul lor energetic, este important debitul cu care se elibereaza aceasta energie in mediul inconjurator.
Viteza de reactie, depinde de mai multi factori, dintre care temperatura sistemului (viteza de reactie, conform legii lui Arrhenius, variaza exponential functie de temperatura), presiunea, modul de confinare etc.
In exemplele uzuale de combustie intalnite in natura, rolul de oxidant este preluat de oxigenul din aer. Dar aceste combustii nu sunt decat niste cazuri particulare! La limita agentul oxidant poate sa nu contina molecule de oxigen: este cazul compusilor clorurati, in care clorul preia rolul oxigenului. De exemplu in unele compozitiile pirotehnice fumigene de culoare neagra sau gri, se utilizeaza ca oxidanti hexaclorbenzenul C6Cl6 (HCB) si hexacloretanul C2Cl6 (HCE).
Asa cum se cunoaste, majoritatea aplicatiilor compozitiilor pirotehnice utilizate la incarcarea articolelor pirotehnice se bazeaza pe radiatiile emise in timpul procesului de combustie. Dar ce este lumina?
Printre toate undele electromagnetice care ne inconjoara, de la undele gamma, la undele hertziene, utilizate in radio sau televiziune, ochiul este capabil sa receptioneze numai o mica parte din tot spectrul electromagnetic. Aceasta portiune se numeste "lumina", putand oarecum sa fie completata cu adjectivul vizibila.
Undele, fenomene vibratorii periodice
care se propaga in spatiu, pot sa fie caracterizate de
catre o valoare a acestei periodicitati: perioada T - care este
o durata exprimata in secunde sau inversul acestei marimi care
este frecventa - masurata in Hz. Se utilizeaza adesea
si notiunea de lungime de unda, care corespunde la traseul
parcurs de catre o unda in timpul unei perioade, cunoscandu-se
relatia: 
, c fiind viteza undei electromagnetice, adica 3 108 m/s
(300 000 km/s). Lungimea de unda este o distanta exprimata
in multiplii sau submultiplii de metrii. De exemplu, lungimea de unda a
radiatiilor luminoase, vizibile de catre ochiul uman, este
cuprinsa aproximativ intre 380 si 780 nm, asa cum se
observa si in figura urmatoare.
|
|
Figura 2 Spectrul radiatiei vizibile
In dreapta spectrului, privind din punct de vedere al lungimii de unda, se afla radiatiile cu lungime de unda crescatoare si frecvente descrescatoare: radiatiile infrarosii (IR), microundele si apoi undele hertziene. De exemplu: undele de radiodifuziune au frecvente de mai multi kHz. In stanga spectrului se afla radiatiile cu frecvente mari si lungimi de unda descrescatoare. Acestea sunt in ordine: ultravioletele, razele X, razele gama etc.
O radiatie poate sa fie caracterizata dintr-o singura lungime de unda (vorbim de o linie spectrala), ca in cazul radiatiilor emise de laseri, sau de un amestec de mai multe radiatii, conform unei distributii discrete (numar finit de lungimi de unda) sau continue (o infinitate de lungimi de unda) pe care ochiul uman le percepe ca o lumina mai mult sau mai putin pura, ca de exemplu lumina alba. De exemplu, in figura urmatoare este reprezentat spectru emis de catre o molecula, convenabil excitata, de CuCl, care emite in special in domeniul albastrului.
|
|
Figura 3 Spectrul de radiatii al moleculei de CuCl
Emisia de lumina, produsa pe timpul combustiei amestecurilor pirotehnice poate sa fie de doua tipuri distincte: emisia atomica sau moleculara.
In introducerea privind notiunile de chimie-fizica, s-a remarcat faptul ca atomii sunt constituiti din nuclee, in jurul carora graviteaza electronii, repartizati dupa niveluri energetice bine cuantificate. Daca atomul este excitat prin aport de energie din exterior, (caldura, lumina, descarcare electrica etc.), atunci, este posibil ca unul sau mai multi electroni sa urce pe un nivel superior de energie.
Totusi, aceasta stare energetica este instabila si electronul nu va intarzia pe aceasta pozitie, revenind din locul de unde plecase, eliberand in urma acestei tranzitii energie sub forma unei radiatii. Astfel, daca electronul pleaca de la un nivel de energie Ep (exprimata de obicei in J) pentru a atinge un nivel de energie En, atunci cand va reveni pe pozitia initiala, el va ceda diferenta En - Ep sub forma unei radiatii luminoase de frecventa n, care se determina din relatia: En -Ep = h n, in care h este constanta lui Planck (h=6,63 10-34 J s).
|
|
Figura 4 Schema de principiu a emisiei de radiatii
In functie de complexitatea atomului, tranzitiile posibile pot fi numeroase, asa incat emisia luminoasa a atomului ce-si regaseste pozitia energetica stabila, poate sa fie constituita dintr-un numar mare de lungimi de unda asociate, in vizibil, dar si in alt domeniu al spectrului (IR, UV etc.).
Acest comportament a fost dovedit inca de la sfarsitul secolului 19, cand prin excitarea adecvata, electrica sau termica, a diferitelor corpuri chimice, s-a ajuns la notiunea de cuantificare a energiei, stabilindu-se cu aceasta ocazie si spectrele de emisie a diferitelor corpuri.
Cu ajutorul acelorasi spectre, care sunt veritabile semnaturi ale materiei, este posibil sa se verifice prezenta anumitor corpuri in regiuni indepartate din spatiu, prin studiul radiatiilor pe care le trimit catre pamant.
O molecula, adica un ansamblu de atomi, poate de asemenea sa emita radiatie electromagnetica, conform principiului enuntat mai sus. Se poate usor intui ca spectrele de emisie sunt mult mai complexe, caracterizate in special de prezenta benzilor spectrale si nu de cea a liniilor spectrale. Un exemplu des intalnit in pirotehnie este radiatia emisa de BaCl, prezentata in figura urmatoare.
|
|
Figura 5 Radiatia moleculara emisa de BaCl
Desi explicatiile par adesea prea complicate, imaginea fenomenelor ce se petrec este usor de reprodus in realitate. De exemplu daca se presara sare de bucatarie pe flacara unui aragaz, molecula de NaCl se vaporizeaza in flacara, se excita termic si duce la o emisie de lumina de culoare galben - portocaliu, datorita radiatiei atomice a sodiului.
Excitatia se poate realiza si prin intermediul unui bombardament cu electroni; este ceea ce se intampla cu celulele luminofore continute in ecranele aparatelor TV. Excitatia poate sa fie si de origine radiativa, atunci cand este utilizat fenomenul de fluorescenta, de exemplu pentru vizualizarea cernelurilor vizibile numai sub o lampa ce emite in UV sau in cazul localurilor unde se folosesc radiatiile UV apropiat, care fac atat de luminoase tesaturile de bumbac, prin excitarea celulozei.
In cazul aplicatiilor pirotehnice, pentru obtinerea de radiatii colorate (folosite cu generozitate in bombele aeriene, fantani, candele romane etc.) se utilizeaza radiatia atomica sau moleculara, excitatia termica obtinandu-se ca urmare a caldurii de combustie eliberate in zona de reactie, adica in flacara. Molecule de Sr, Ba, Na, Cu, produc radiatii rosii, verzi, galbene, albastre etc.
S-a vazut ca anumiti atomi sau molecule excitate termic, pot sa emita (pe parcursul reintoarcerii la pozitiile stabile energetic) radiatii luminoase. Pe acest principiu se bazeaza formarea radiatiilor colorate. Trebuie mai intai sa se genereze o flacara cat mai transparenta posibil (pentru a nu denatura culoarea dorita) si suficient de calda (adica la temperaturi ridicate), asa incat emisia sa fie cat mai intensa. Totusi, trebuie avut in vedere ca peste anumite temperaturi moleculele emitente se pot descompune sau recombina si astfel sa se degradeze radiatia luminoasa.
In practica, cel mai adesea, radiatiile colorate se obtin prin excitarea moleculelor compusilor bariului, cuprului si strontiului.
Se poate astfel afirma ca flacara este produsa prin combustia unui amestec de oxidant - carburant, care trebuie ales asa incat sa se genereze particule ale caror emisii sa fie in domeniul dorit al spectrului. De exemplu Na nu poate fi utilizat decat in situatiile cand se doreste emisia de radiatii galbene.
Emitatorii de radiatii colorate sunt generati odata cu descompunerea unor saruri metalice adecvate, care uneori au rolul de oxidant (de exemplu Ba(NO3)2), iar alteori sunt adaugate pur si simplu la amestecul oxidant-carburant (de exemplu carbonatul de bariu).
Se va vedea, in paragraful dedicat compozitiilor pirotehnice pentru focuri colorate, ca in afara Na la care se utilizeaza emisia atomica, la toate celelalte focuri colorate se utilizeaza radiatia moleculara. Cei mai buni emitori de radiatii colorate sunt moleculele clorurate: BaCl, CuCl, SrCl, aceasta deoarece au spectre centrate pe obtinerea unor culori suficient de pure, iar pe de alta parte pentru ca sunt relativ volatile.
In afara emisiilor atomice sau moleculare, radiatia poate proveni si din incandescenta. Fenomenul de incandescenta este foarte familiar: cazul lampilor electrice clasice cu filament sau atunci cand este incalzit la flacara, otelul devine rosu.
Toate corpurile, care au o temperatura mai mare de 00 K, adica temperatura zero absolut, emit o radiatie. Acest lucru se datoreaza miscarii de agitatie termica, care se amplifica odata cu cresterea temperaturii. Chiar corpurile umane emit radiatii. Totusi, aceste radiatii sunt invizibile pentru ochiul uman, dar sunt sesizate de noile aparate de detectie (cum sunt cele din compunerea sistemelor de avertizare sau de vedere) numite si aparate de vedere pe timp de noapte sau de termoviziune.
Mecanismul emisiei prin incandescenta nu este atat de complex precum pare si este legat de teoria "corpului negru", elaborata de catre Max Planck.
Aceasta emisie de radiatie nu este constituita din unde cu lungimi de unda precise, ci este caracterizata de un spectru continuu, pe care ochiul uman il va percepe ca o gama de culori, in functie de temperatura corpului emitor: de la rosu inchis la alb.
In cazul artificiilor ce produc scantei colorate, radiatia de incandescenta este emisa de produsele de reactie, solide sau lichide, aparute ca urmare a combustiei, ori ca urmare a prezentei carburantilor (Al, C) partial consumati si adusi la temperaturi ridicate. De asemenea, flacarile albe foarte luminoase, utilizate in scopul iluminarii unor obiective pe timp de noapte, sunt datorate prezentei oxizilor de metale, incalziti la temperaturi foarte ridicate, ca de exemplu: Al2O3, MgO.
3 Principii de realizare a focurilor colorate
Realizarea diverselor efectele pirotehnice in timpul unui spectacol pirotehnic este de neimaginat fara utilizarea flacarilor/focurilor colorate: rosu, verde, albastru, galben, alb etc. Emisia de radiatii colorate este manifestarea produsilor reactiilor de combustie ale amestecurilor pirotehnice pentru focuri colorate.
In general, exista o idee formata asupra semnificatiei notiunii de flacara, dar este destul de greu sa se gaseasca expresia potrivita pentru a o definii. De cele mai multe ori notiunea de flacara este asociata cu emisiunea de lumina, deci ea da nastere unei radiatii electromagnetice luminoase. Asa cum s-a aratat la punctul 2, din spectrul radiatiilor electromagnetice, radiatiile luminoase reprezinta un domeniu relativ ingust cuprins aproximativ intre 400 si 750 nm (0,4 - 0,75 mm). Ele au proprietatea de a impresiona retina ochiului uman producand o senzatie vizuala. Sub limita conventionala de 400 nm pana la 10 nm se defineste domeniul radiatiilor ultraviolete iar de la 750 nm pana la 106 nm domeniul radiatiilor infrarosii.
Spectrul vizibil, obtinut prin dispersia luminii naturale printr-o prisma, are urmatoarele limite aproximative:
- violet 400 <l< 440 nm;
- albastru 440 <l< 500 nm;
- verde 500 <l< 570 nm;
- galben 570 <l< 610 nm;
- rosu 610 <l< 750 nm.
A. Radiatia atomica si moleculara. Caracterul radiatiei flacarilor pirotehnice.
In 1732 Georffry si in 1752 Malvill descriu observatiile lor in urma carora au constatat ca introducerea unor saruri in flacara lumanarii sau in flacara de alcool determina obtinerea unei coloratii specifice.
Spectrele emise in flacara sunt caracterizate prin linii spectrale sau grupe de linii. Pentru obtinerea unei flacari colorate pe baza de radiatie atomica se folosesc elemente cu linii spectrale de mare stralucire. Cunoasterea liniilor spectrale care apar in sursa de excitare, identificarea lor dupa lungimea de unda si determinarea cantitativa a intensitatii acestora reprezinta un element esential in proiectarea artificiilor.
Compozitia pirotehnica pentru a obtine o flacara de culoare ideala ar fi un amestec a carui flacara sa radieze in intregime, intr-o anumita regiune a spectrului. In acest caz, radiatia flacarii ar putea fi numita monocromatica, si puritatea culorii flacarii ar fi de 100 %. In realitate flacara artificiilor colorate are o radiatie ce cuprinde mai multe zone din spectru.
Raportul dintre intensitatea radiatiei monocromatice a flacarii si intensitatea intregii radiatii vizibile se numeste puritatea culorii flacarii si se exprima in procente. Astfel, de exemplu, puritatea flacarilor pentru amestecul rosu poate fi exprimata prin ecuatia:
In unele cazuri pentru a determina puritatea culorii flacarii, este mai usor de a folosii expresia:
unde: Il - intensitatea radiatiei monocromatice;
Ialb-intensitatea luminii albe, cu care a fost diluata radiatia monocromatica.
Flacara care are o puritate mica a culorii, nu are o coloratie bine definita deoarece, de obicei, lumina alba se poate obtine prin amestecul de 1/3 flux luminos rosu, 1/3 flux verde, 1/3 flux albastru.
Substantele care se gasesc in stare gazoasa si care printr-o anumita metoda au ajuns in stare de excitatie, dau un spectru discontinuu de radiatie, cu linii sau benzi de radiatie. Prin urmare pentru a obtine focuri colorate, trebuie sa predomine radiatia data de faza gazoasa. Spectrul liniar de radiatie este dat numai de vaporii si gazele monoatomice; iata de ce acest spectru se numeste atomic. Liniile spectrale se aseaza in grupe caracteristice- numite serii, dupa anumite legi.
Spectrul din benzi este alcatuit din o serie de linii cu anumite latimi sau benzi si este datorat emisiei moleculare.
B. Principiile de obtinere a flacarilor rosii
Obtinerea flacarii rosii se realizeaza in practica, prin introducerea in amestecul pirotehnic a compusilor cu strontiu.
Oxidul de strontiu da o banda lata neclara in domeniul rosu-portocaliu al spectrului, cu un maxim de radiatie in jurul lungimii de unda 605 nm. Flacara care se obtine la radiatia oxidului de strontiu practic nu are culoarea rosie, ci doar trandafirie, deoarece din cauza temperaturii ridicate de vaporizare a oxidului de strontiu (peste 25000C) este foarte greu a obtine in flacara o concentratie mare de vapori.
Clorura de strontiu disociaza la temperaturi ridicate formand monoclorura de strontiu: 2 SrCl2 2 SrCl Cl2
Monoclorura de strontiu (SrCl) se poate obtine prin incalzirea clorurii de strontiu pana la temperatura de 1000 0C. Spectrul monoclorurii de strontiu prezinta urmatoarele benzi caracteristici: l = 636, 648, 661, 674, 688 nm, ele fiind ordonate in sensul cresterii intensitatii de radiatie.
Florura de strontiu se descompune la cald, formand monoflorura de strontiu:
2SrF2 2 SrF F2
Monofluorura de strontiu radiaza in partea vizibila a spectrului doua sisteme de benzi: in regiunea rosu-portocaliu a spectrului de la 628 nm pana la 678 nm, iar in regiunea verde-galben de la 562 nm la 586 nm. Prezenta unei benzii in regiunea verde-galben a spectrului exclude posibilitatea intrebuintarii fluorurii de strontiu in amestecurile pirotehnice pentru focul rosu.
Trebuie sa aratam ca elaborarea amestecurilor pirotehnice pentru focul rosu se realizeaza, practic, numai pe baza radiatiei oxidului de strontiu sau a monoclorurii de strontiu; radiatia acesteia din urma este mai intensa, incadrandu-se mai bine in domeniul rosu al spectrului.
Intrebuintarea cloratului de strontiu, care in urma descompunerii ar putea elibera monoclorura de strontiu, nu este convenabila din cauza higroscopicitatii lui si din cauza sensibilitatii mari la impulsuri mecanice a amestecurilor ce-l contin.
Ca saruri care coloreaza flacara se intrebuinteaza de obicei: carbonatul, oxalatul, azotatul, sau, mult mai rar, sulfatul de strontiu. Puritatea culorii flacarii amestecurilor ce contin azotat de strontiu peste 50% este cuprinsa intre 80% si 90%.
Trebuie sa observam ca este avantajos a realiza amestecurile pentru focul rosu cu un bilant negativ de oxigen, deoarece, prezenta in flacara a unei atmosfere reducatoare, care impiedica oxidarea monoclorurii de strontiu la oxid de strontiu, contribuie la marirea puritatii culorii flacarii. In modul acesta se explica tendinta de a introduce compusi cu clor in toate amestecurile pentru focul rosu. De cele mai multe ori clorul se introduce sub forma de derivati organici clorurati (de exemplu, policlorura de vinil, hexacloretan, hexaclorbenzen, etc.). Prezenta unui exces de clor liber in flacara deplaseaza echilibrul urmatoarei reactii spre stanga:
2 SrCl2 O2 2 SrO Cl2
contribuind in felul acesta la imbunatatirea puritatii flacarii.
|
|
Figura 6 Radiatia moleculara emisa de SrCl
C. Principiile de obtinere ale flacarilor verzi
Flacara verde se obtine pe baza radiatiei compusilor cu bariu asa cum reiese din analiza spectrelor acestora. Radiatia bariului atomic nu poate fi folosita pentru obtinerea focului verde, deoarece, acesta da o serie de linii in diferite regiuni ale spectrului (de exemplu, radiaza intre 455 si 597 nm, 606 si 706,0 nm); liniile cele mai intense si mai stabile ale bariului sunt 553,54 nm (verde deschis) si 455,50 nm (albastru).
Oxidul de bariu foarte greu fuzibil si foarte putin volatil, radiaza in domeniul verde-galben al spectrului, dar intensitatea liniilor spectrale nu este satisfacatoare pentru a fi folosita in amestecurile pirotehnice.
Clorura de bariu disociaza in flacara, formand monoclorura de bariu si punand in libertate clor: 2 BaCl2 2 BaCl Cl2
Spectrul de emisie al monoclorurii de bariu este format dintr-un numar mare de benzi in regiunea verde a spectrului.
|
|
Figura 7 Radiatia moleculara emisa de BaCl
In flacara oxidanta pot avea loc reactii de descompunere a clorurii de bariu, cu formare de oxid de bariu:
2 BaCl2 2 BaCl Cl2
2 BaCl O2 2 BaO Cl2
Prezenta acestei reactii duce totdeauna la o micsorare a puritatii flacarii verzi. Acest lucru impune introducerea compusilor cu clor pentru realizarea atmosferei reducatoare ce impiedica oxidarea monoclorurii de bariu la oxid de bariu.
Intrebuintarea percloratului de bariu, care prin descompunere ar da monoclorura de bariu nu este posibila din cauza higroscopicitatii excesive a acestuia.
Fluorura de bariu disociaza la cald cu formare de fluor si monofluorura de bariu: 2 BaF2 2 BaF F2
Monofluorura de bariu are o serie de benzi de radiatie in regiunea verde (de la 494 nm pana la 505 nm ), dar si in regiunea rosie a spectrului. Acest lucru exclude posibilitatea de a intrebuinta fluorura de bariu in amestecurile pentru focul verde.
Trebuie sa tragem concluzia ca obtinerea unei flacari verzi de buna calitate, pure, poate fi realizata in practica numai pe baza radiatiei monoclorurii de bariu.
D. Principiile de obtinere ale flacarilor galbene
Radiatia atomica a vaporilor de litiu si sodiu se foloseste adesea in practica pentru obtinerea culorii galbene.
Sarurile de sodiu folosite in acest scop trebuie sa se descompuna cu usurinta la temperaturi ridicate, sa aiba un continut cat mai mare de sodiu si sa fie nehigroscopice. Intensitatea liniilor sodiului in flacara este proportionala cu cantitatea de sodiu
Azotatul de sodiu NaNO3, cu toate ca este higroscopic, se utilizeaza pentru obtinerea amestecurilor pirotehnice pentru focul galben. Alaturi de acesta, in compozitii se mai introduc adesea alte saruri utilizate pentru imbunatatirea culorii flacarii: oxalatul si fluorura de sodiu, criolitul si fluosilicatul de sodiu.
|
|
Figura 8 Radiatia atomica emisa de Na
4 Notiuni generale despre fabricatia si incarcarea compozitiilor pirotehnice
Artificiile sau produsele pirotehnice utilizate pentru focurile de artificii sunt ansambluri mecano-pirotehnice destinate sa produca diverse efecte pirotehnice. Aceste efecte sunt rezultatul succesiunii combustiei amestecurilor pirotehnice incarcate dupa anumite reguli, care garanteaza obtinerea performantelor dorite, in conditii de siguranta pentru pirotehnisti, dar si pentru publicul spectator sau mediul inconjurator.
Elementele fundamentale ale unei functionari corespunzatoare a artificiilor sunt incarcaturile pirotehnice sau amestecurile pirotehnice dispuse in interiorul produselor pirotehnice. Cu toate ca rareori pirotehnistilor le este dat sa fabrice sau sa experimenteze compozitii pirotehnice, cu exceptia celor implicati in procesul de productie, de testare si dezvoltare, in cadrul laboratoarelor specializate, cunoasterea proprietatilor compozitiilor pirotehnice garanteaza intrebuintarea cu succes a artificiilor in timpul spectacolelor pirotehnice, permite conceperea unor ansambluri complexe de artificii, la care sa se imbine armonios efectele fiecarui obiect pirotehnic in parte, in functie de tipul efectului si durata sa de manifestare.
Figura 9 Incarcarea bateriilor de bombite
In consecinta, in acest paragraf se vor prezenta notiunile de baza, pe care trebuie sa le cunoasca toti cei care utilizeaza dispozitive pirotehnice. Acest demers este necesar si din perspectiva managementului riscurilor activitatilor cu dispozitive sau obiecte pirotehnice pentru distractie.
Cunoasterea proprietatilor fizice, chimice, de sensibilitatea sau stabilitate ale amestecurilor sta la baza evaluarii calitative si cantitative a riscurilor prin evaluarea amplitudinii efectului pirotehnic ce poate sa apara la functionarea dorita sau accidentala si permite luarea masurilor de protectie necesare pentru diminuarea riscurilor.
Compozitiile pirotehnice sunt amestecuri mecanice de doi sau mai multi componenti, care pusi intr-un contact intim, sub actiunea unui stimul exterior, sunt capabili de a reactiona chimic, eliberand o cantitate de energie, folosita apoi pentru obtinerea efectului 'pirotehnic'.
Exista o multitudine de compozitii pirotehnice, iar incercarea de a clasifica si indica tipul si natura componentilor acestora este intotdeauna subiectiva. In general, se poate afirma ca intr-o compozitie pirotehnica se pot intalni urmatorii componenti:
oxidanti;
carburanti;
lianti;
alte adaosuri.
A. Componentii amestecurilor pirotehnice
In continuare se vor prezenta principalele componente prezente intr-o compozitie pirotehnica, multe dintre compusii chimici si rolul lor fiind mentionati in cadrul anexelor cu retetele diferitelor compozitii pirotehnice incarcate in produsele pirotehnice pentru focurile de artificii.
Oxidantii au rolul de a furniza oxigenul necesar reactiei de oxido-reducere. In unele compozitii, in locul compusilor bogati in oxigen sunt folosite substante bogate in clor sau fluor, numite generic comburanti.
De cele mai multe ori in amestecurile pirotehnice, drept oxidanti se folosesc compusii 'oxigenati'; de exemplu: KNO3, KClO3, Sr(NO)3. In unele cazuri este posibil sa se inlocuiasca oxigenul cu clorul sau fluorul, prin utilizarea comburantilor, ca de exemplu: CCl4, C2Cl6, C6Cl6, NaFl.
Alegerea unui oxidant sau a mai multor oxidantilor pentru a obtine o compozitie pirotehnica cu efectul dorit este foarte importanta. Adesea, proprietatile de sensibilitate, stabilitate sau de compatibilitate ale compozitiei depind de oxidant. Proprietatile explozive trebuie de asemenea sa se incadreze in limitele acceptate.
Nu trebuie uitat si faptul ca un amestec pirotehnic este conceput pentru a genera in mediul inconjurator efectul dorit si de cele mai multe ori acesta este dependent de natura produsilor de reactie. De exemplu pentru obtinerea in flacara a unei radiatii colorate in rosu trebuie sa se obtina printre produsii de combustie SrO sau SrCl.
Este deci necesar sa se introduca un oxidant sau un adaos care contine Sr, deci se poate utiliza Sr(NO)3 sau SrCO3. Pentru o compozitie de foc colorat trebuie de asemenea sa se tina seama de intensitatea de radiatie a produsilor de descompunere ai oxidantului, in diferitele benzi ale spectrului vizibil.
Nu se pot utiliza pentru compozitiile de semnalizare cu foc colorat oxidantii care ar modifica semnificativ culoarea flacarii. De exemplu, nu pot fi utilizate sarurile de sodiu in compozitii de semnalizare cu culoarea verde, rosu sau albastru.
In amestecurile pirotehnice se intrebuinteaza in principal ca oxidanti urmatoarele substante:
- saruri;
a. azotati: Ba(NO3)2, Sr(NO3)2, KNO3, NaNO3;
b. clorati: KClO3, Ba(ClO3)2;
c. perclorati: KClO4 , NH4ClO4 ;
- peroxizi: BaO2 , PbO2;
- oxizi;
a. oxizi de fier: Fe3O4, Fe2O3;
b. oxizi de mangan: MnO2;
c. oxizi de plumb: Pb3O4.
In afara de oxidantii principali enumerati mai sus, trebuie sa se mentioneze posibilitatea de a folosi in amestecurile pirotehnice si a altor oxidanti cum sunt: Na2SO4, CaSO4, BaSO4, BaCrO4, PbCrO4, K2Cr2O7, NaClO4, NH4NO3, PbO2, SrO2, SiO2, CuO etc.
Carburantul, numit adesea combustibil, este elementul indispensabil unei compozitii pirotehnice. Carburantul are rolul de a furniza elementele reducatoare, capabile a fi oxidate in cadrul reactiei de combustie. Caldura eliberata in cadrul proceselor fizico-chimice ale combustiei sau arderii acestuia, dar si natura produselor de reactie rezultate, determina in mare masura efectul 'pirotehnic'.
La alegerea substantei carburante pentru prepararea amestecurilor pirotehnice trebuie sa se tina seama de toate conditiile ce se impun pentru acest component, unul din factorii hotaratori fiind realizarea efectului pirotehnic optim.
In cazul amestecurilor pirotehnice de iluminat sau cu focuri colorate, efectul pirotehnic se realizeaza la o temperatura ridicata de combustie. Asadar, trebuie sa se intrebuinteze substante carburante care degaja prin ardere o cantitate mare de caldura.
Pentru amestecurile fumigene, temperatura ridicata de combustie este nedorita; adeseori, pentru prepararea acestor amestecuri, fie ca se alege o substanta combustibila cu putere calorifica ponderata, fie ca se realizeaza arderea incompleta a substantei carburante.
In anumite cazuri, obtinerea unui efect pirotehnic presupune obtinerea sau lipsa unor produsi de reactie specifici; de exemplu, pentru compozitiile pirotehnice generatoare de gaze, este cautata doar obtinerea unei cantitati mari de gaze, deci volume specifice ridicate (600 - 800 l/kg). Pentru compozitiile pirotehnice utilizate in releele intarzietoare se cauta exact opusul, adica obtinerea unor cantitati mici de gaze: compozitiile se numesc "fara gaze".
La stabilirea carburantului un rol deosebit il are si usurinta cu care se poate realiza oxidarea. Pulberea de aluminiu suficient de fina, arde destul de energic, atat in prezenta agentilor oxidanti, cat si a oxigenului din aer.
Magneziul, fiind o substanta care se oxideaza usor chiar fara a fi macinat fin, poate sa arda complet utilizand oxigenul din aer. Capacitatea de a reactiona cu oxigenul din aer este, in cazul componentelor pirotehnice, o proprietate foarte pretioasa.
Substantele carburante utilizate pentru prepararea compozitiilor pirotehnice pot fi impartite in urmatoarele categorii:
A. Substante carburante neorganice
a) metale: magneziu (Mg), aluminiu (Al), zinc (Zn) etc.;
b) aliaje metalice: aluminiu-magneziu (AM), silico-aluminiu, ferosiliciu etc.;
c) metaloizi: sulf (S), carbon (C), ultimul sub forma de carbune sau grafit;
d) sulfuri: trisulfura de fosfor (P4S3), sulfura de antimoniu (Sb2S3), pirita (FeS2), rar se foloseste trisulfura de arsen (As2S3) sau realgarul (As2S2);
B. Substante carburante organice
a) hidrati de carbon: amidon, lactoza, zaharoza, celuloza (rumegus de lemn);
b) substante organice din alte clase.
O compozitie pirotehnica este un amestec de mai multi componenti. Pentru a obtine la sfarsitul procesului de fabricatie o compozitie omogena, pentru a proteja componentii de actiunea mediului exterior sau de alte agresiuni, precum si pentru punerea in opera a incarcaturilor pirotehnice se utilizeaza liantii.
Utilizarea unei compozitii pirotehnice nu este posibila decat in situatia cand ea este introdusa intr-un sistem, un ansamblu de mai multe elemente mecanice si pirotehnice. In dispozitivele mecano-pirotehnice, compozitia pirotehnica trebuie sa aiba o anumita forma, o anumita modalitate de incarcare.
Adesea se introduc substante care fac legatura intre componentii amestecurilor pirotehnice. Acestea sunt cleiurile, rasinile sintetice, naturale, polimerii sau alte substante organice.
In anumite cazuri particulare, liantii pot avea ca efect doar mentinerea unei rezistente sau forme geometrice pentru granulele incarcate intr-un dispozitiv pirotehnic; in alte situatii, liantii pot avea rolul de carburant sau chiar de intensificator al unui efect pirotehnic specific.
La prepararea amestecurilor pirotehnice se utilizeaza cel mai frecvent urmatorii lianti:
rasini sintetice: iditol, bachelita, nestrapol, rasini epoxidice;
rasini naturale si produse de prelucrare a acestora: selac, colofoniu, rezinati;
uleiuri sicativate: ulei de in fiert;
clei: guma arabica, dextrina.
In unele cazuri se pot folosi si nitroceluloza sau cauciucurile.
Avantajele utilizarii rasinilor sintetice sunt urmatoarele:
insolubilitatea in apa;
solubilitatea in solventi organici;
capacitatea de a lipi sub forma de solutie;
capacitatea de formare a peliculei la uscarea solutiei de rasina;
rezistenta totala la putrezire (care le deosebeste de adezivii de origine animala).
Adaosuri
Pentru obtinerea diferitelor efecte 'pirotehnice', functie de destinatia compozitiei, asigurarea unei sensibilitati corespunzatoare si a stabilitatii fizico-chimice a produsului sau din ratiuni tehnologice, se introduc in amestecurile pirotehnice diferite adaosuri.
O clasificare sumara a acestora poate fi prezentata sub forma urmatoare:
sensibilizatori si flegmatizatori;
moderatori si catalizatori ai reactiei de combustie;
stabilizatori;
adaosuri pentru colorarea flacarilor;
adaosuri fumigene;
adaosuri tehnologice.
B. Clasificarea compozitiilor pirotehnice
Compozitiile pirotehnice sunt elementele care genereaza efectele pirotehnice ale artificiilor sau produselor utilizate pentru focurile de artificii. Fiecare tip de compozitie introdusa intr-un produs pirotehnic are o anumita destinatie. Din acest punct de vedere, compozitiile pirotehnice se clasifica in urmatoarele clase:
de iluminare: cu lumina alba sau colorata;
o sunt utilizate in lancii, faclii, torte sau in facliile bombelor de iluminare, cu rolul de a genera o cantitate mare de lumina si a ilumina diverse obiective de la sol sau de pe suprafata apei;
de semnalizare cu focuri colorate;
o sunt utilizate in lancii, faclii, in piese tinute in mana/fixate pe diverse obiective cu rolul de a ilumina anumite obiective;
o stau la baza comprimatelor din incarcatura pirotehnica a bombelor, candelelor romane, rachetelor etc, ce au rolul de a desena diferite forme, cu traseele colorate furnizate de miscarea comprimatelor aprinse;
generatoare de gaze, cu rolul de propulsie in aer a bombelor, rachetelor sau elementelor componente ale acestora;
o sunt utilizate in incarcaturile de azvarlire sau de aprindere si dispersie ale bombelor;
o generatoarele de gaze sunt constituite aproape in toate cazurile de pulbere neagra (amestec pirotehnic format din azotat de potasiu, sulf si carbune);
o in incarcaturile de azvarlire pulberea se prezinta sub forma granulara, iar in incarcaturile de explozie ale bombelor se gaseste sub forma de pudra fina (pulverin) depus in straturi subtiri pe seminte;
generatoare de scantei;
o sunt compozitii care genereaza o mare cantitate de gaze si produsi solizi care emit radiatii la iesirea din zona de reactie;
o generatoarele de gaze pot fi pulverinul sau compozitii cu un continut mare de nitroceluloza (genereaza numai gaze);
o scanteile sunt realizate prin combustia partiala a carburantului metalic (pulberi de magneziu, aluminiu, titan etc.) sau nemetalic (de exemplu carbonul din carbunele de lemn sau din fonta);
generatoare de zgomot;
o sunt compozitii care sufera reactii de deflagratie (combustie la presiuni ridicate) cu viteze ridicate si astfel permit obtinerea unor presiuni ridicate in interiorul alveolei in care sunt incarcate (piese din carton sau hartie) cu generarea de zgomote puternice;
o compozitiile folosite sunt fie pe baza de pulbere neagra, fie pe baza de carburanti metalici si oxidanti puternic reactivi (percloratul de potasiu);
o daca piesele in care sunt incarcate prezinta orificii de scurgere, atunci zgomotul specific este un suierat, iar piesele se numesc fluiere, serpisori;
fumigene cu fum alb sau colorat;
o sunt amestecuri pirotehnice cu o proportie ridicata de colorant, care sublimeaza sub actiunea caldurii de reactie si ulterior condenseaza in aer sub forma de fum colorat;
de aprindere;
o majoritatea compozitiilor pirotehnice sunt relativ insensibile la stimuli exteriori simpli si au nevoie de aceste tipuri de compozitie pentru a se aprinde;
o caracteristica specifica a acestor compozitii este sensibilitatea selectiva pentru un anumit stimul exterior (flacara, frecare sau impact);
o cea mai folosita compozitie de aprindere este cea care are compozitia pulberii negre; ea se depune in forma de straturi subtiri pe suprafata stelutelor sau comprimatelor pirotehnice din bombe, rachete, candele;
de intarziere;
o sunt utilizate pentru a furniza anumite intarzieri specifice intre evenimentele ce constituie efectul pirotehnic;
o sunt introduse in fitiluri de intarziere (de exemplu Bickford) sau in straturi succesive in diferite lanturi pirotehnice;
pentru alte utilizari.
O compozitie pirotehnica este caracterizata din punct de vedere chimic prin "reteta" ei sau proportiile de participare ale componentilor in amestecul pirotehnic. Pentru exemplificare, in anexele acestei lucrari, sunt prezentate compozitiile chimice folosite de diversi pirotehnisti in aplicatiile lor pentru focurile de artificii.
Compozitiile pirotehnice mai pot fi clasificate si in functie de caracterul proceselor ce au loc la combustia lor si de natura produsilor de reactie:
compozitii care produc flacara:
cu flacara alba (pentru iluminare, semnalizare, scantei);
cu flacara colorata (pentru semnalizare, trasoare);
compozitii cu cantitate mica de gaze:
relee intarzietoare;
compozitii fumigene:
pentru fumul alb, cenusiu,
fumigene colorate (pentru semnalizare pe timp de zi, salvare);
In functie de forma sub care se prezinta compozitiile pirotehnice, acestea pot fi:
compozitii pulverulente;
o sunt compozitii sub forma unor particule fine, fara prezenta unui liant;
o sunt folosite pentru a produce zgomote si se utilizeaza in pocnitori, petarde, bombe de salut sau incarcaturi de explozie ale bombelor;
compozitii granulare;
o sunt compozitiile care inglobeaza liant cu rolul de a pastra omogeneitatea amestecului pirotehnic;
o in procesul de fabricatie sufera procesul de granulare si sortare granulometrica;
o permit obtinerea de durate de combustie variabile in functie de marimea granulelor;
o pulberile negre sunt incarcatura de azvarlire a bombelor;
comprimate;
o comprimatele pot fi obtinute prin presare direct in tuburi, in matrite sau prin inglobarea de straturi succesive in masini speciale;
o compozitiile pulverulente sau granulare sunt supuse unui proces de comprimare si compactare pentru a obtine forme de cilindrii sau sfere;
o comprimatele permit obtinerea de durate de combustie relativ mari de secunde sau chiar minute, datorita grosimii de combustie de ordinul mm sau zecilor de mm;
o comprimatele sunt utilizate in stelutele bombelor si candelelor, in lancii, fantani, vulcani, cascade, motoarele rachetelor etc.
o Comprimatele obtinute in stare umeda se bazeaza pe folosirea compozitiilor pulverulente la care se adauga succesiv liantii sub forma de solutii; este preferata obtinerea comprimatelor in stare umeda deoarece sensibilitatea amestecurilor scade si fabricatie este mai sigura.
C. Conditii generale impuse sistemelor si amestecurilor pirotehnice
In general, in scopul depozitarii, transportului, manipularii si utilizarii in siguranta a artificiilor, a compozitiilor pirotehnice cu care sunt incarcate, acestora li se impun diverse conditii: de performanta, de stabilitate fizica, chimica si balistica, de sensibilitate la diferiti stimuli, de toxicitate sau de protectie a mediului etc.
Principalele conditii tehnice impuse compozitiilor si sistemelor pirotehnice sunt:
efect pirotehnic maxim pentru unitatea de masa de compozitie;
combustia sa se desfasoare uniform si cu o viteza bine determinata pentru toate conditiile de mediu in care functioneaza sistemul;
buna stabilitate fizico-chimica in timp;
sensibilitate corespunzatoare si reactivitate scazuta la actiunea stimulilor si agresiunilor mecanice, termice si electrice;
proprietati explozive reduse si un risc de functionare accidentala minim;
lipsa produsilor de reactie toxici pentru organismul uman si mediul inconjurator;
fabricatie simpla, eficienta si economica.
Proiectarea si realizarea unei compozitii sau sistem pirotehnic, care sa indeplineasca aceste conditii, nu este o misiune intotdeauna foarte simpla. De cele mai multe ori, la cerintele impuse mai sus se adauga alte cerinte, care pot fi cu greu traduse sau cuantificate intr-un limbaj tehnic. Este sarcina pirotehnistilor sa reuseasca sa formuleze si sa implementeze cerintele specifice, precum si sa gaseasca mijloacele practice de asigurare a respectarii conditiilor impuse.
In pofida dificultatilor, unele doar intuitive, prin buna cunoastere a proprietatilor materiilor prime, a proceselor de fabricatie, a procedeelor de testare si evaluare, se pot obtine rezultatele dorite.
D. Generalitati despre fabricatia si incarcarea compozitiilor pirotehnice
Compozitiile pirotehnice sunt amestecuri "omogene" de mai multi componenti. Este relativ usor sa se amestece mai multe substante solide. Cu toate acestea, pentru a asigura omogeneitatea amestecului sau pentru a asigura reactiei chimice de combustie conditiile ideale de desfasurare, este nevoie sa se respecte si sa se parcurga mai multe etape succesive, pe timpul carora elementele componente ale amestecului pirotehnic sufera transformari sau modificari.
Gradul de omogenitate sau uniformitatea amestecului influenteaza compozitia chimica a amestecului pirotehnic, cu multe implicatii asupra caracteristicilor de performanta, stabilitate si sensibilitate ale produsului pirotehnic.
Astfel, pentru prepararea unui amestec pirotehnic si incarcarea cu aceasta compozitie a unui produs sau sistem pirotehnic, sunt necesare urmatoarele operatii, denumite generic:
pregatirea componentilor;
prepararea amestecului pirotehnic (amestecarea, granularea, uscarea etc);
finisarea amestecului (uscarea, sortarea granulometrica etc);
incarcarea amestecului pirotehnic (prin presare sau prin depunerea in stare umeda).
Procesul de fabricare si incarcare a unei compozitii pirotehnice trebuie sa fie cat mai simplu si sa permita productia de serie.
Figura 10 Schema globala a procesului de fabricatie a unei compozitii pirotehnice
Pentru a obtine un amestec pirotehnic uniform si omogen, este necesar sa se utilizeze componenti uscati cu granulometrii corespunzatoare.
Pregatirea componentilor presupune mai multe operatii:
F uscarea;
F macinarea;
F cernerea;
F tratament special.
a) Uscarea
Cei mai multi dintre componenti sunt higroscopici (in general oxidantii). Acest lucru inseamna ca existenta apei in interiorul substantei chimice nu este acceptabila sau cel putin continutul acesteia trebuie limitat la o valoare limita. In plus, se cunoaste ca anumite substante isi modifica structura cristalina si deci marimea cristalelor in functie de temperatura si in timp. Asadar componentii trebuiesc uscati inainte de a fi introdusi in amestec.
Uscarea componentilor se poate face in etuve incalzite, pe stelaje, in tavi de aluminiu, in straturi de maximum 5 cm grosime. Temperatura de uscare este de 60 ÷ 80°C, timp de 2 la 3 ore, cu amestecare periodica. Aceasta operatie se mai poate executa in etuve sau rafturi incalzite cu aburi de joasa presiune. Verificarea continutului de umiditate se face in cazul in care continutul de umiditate este satisfacator (conform normativelor de calitate) iar substantele pot sa nu se mai usuce.
b) Macinarea componentilor
Compozitia granulometrica a componentilor este foarte importanta din perspectiva atingerii omogenitatii optime pentru amestecul pirotehnic. De asemenea, se cunoaste faptul ca marimea granulelor sau particulelor de componenti este in directa legatura cu modul cum se desfasoara reactia de combustie si implicit viteza de combustie. In consecinta, inainte de a fi introdusi in amestec, unii componenti sunt macinati si apoi cernuti.
c) Cernerea
Se efectueaza manual sau cu ajutorul mijloacelor mecanice prin sitare. Se aseaza pe sita 3 la 5 kg substanta si se cern timp de 25 ÷ 30 minute. Dupa cernere se face analiza granulometrica a componentilor sau trecerea prin site.
d) Tratamentul special
Tratamentul special al anumitor componenti este necesar pentru a modifica o proprietate caracteristica sau un defect al substantei. De exemplu, la policlorura de vinil se adauga grafit sau siliciu pentru a-i conferi conductivitatea electrica necesara pentru impiedicarea aderentei PVC la peretii vasului in care se amesteca. Anumite pulberi metalice, utilizate cu rol de carburant in compozitiile pirotehnice, sunt tratate cu substante speciale pentru a impiedica reactia acestora cu oxidantii, in prezenta apei existente in liantul introdus in amestec; acest tratament permite utilizarea pulberilor metalice in multe din compozitiile pirotehnice destinate artificiilor sau bombelor de festivitati.
Inainte de inceperea operatiilor de pregatire, trebuie sa se studieze cu atentie proprietatile fizice, chimice, termice, toxicologice sau de alta natura ale componentilor, deoarece in timpul pregatirii apar solicitari (termice sau mecanice) care pot induce descompunerea, oxidarea sau chiar explozia componentilor. Informatiile necesare se regasesc fie in fisele de securitate ale materialelor, fie in lucrari consacrate descrierii proprietatilor acestui tip de materiale. Atentie: fiecare component al unui amestec pirotehnic, precum si amestecul ca atare trebuie sa fie insotiti de fise de securitate.
Dupa pregatirea componentilor, trebuie pregatit amestecul. O compozitie pirotehnica are in compunere : oxidant, carburant, liant si adaosuri. In consecinta, chiar in timpul operatiilor de pregatire a amestecului, datorita solicitarilor termice si mecanice inerente, este posibil ca in anumite situatii sa se produca initierea accidentala a descompunerii, combustiei, deflagratiei sau chiar o tranzitie la detonatie. Asadar, operatiile de pregatire a amestecurilor pirotehnice se pot dovedi foarte periculoase si este necesara luarea de severe masuri de precautie.
Amestecul pirotehnic trebuie sa fie omogen si compozitia chimica va trebui sa se incadreze in limitele precizate in documentatia sau specificatie compozitiei. Ca o regula generala, operatiile de preparare a unui amestec pirotehnic sunt:
F amestecarea uscata a componentilor;
F amestecarea lichida;
F uscarea partiala sau zvantarea;
F granularea;
F uscarea finala;
F finisarea.
Pentru obtinerea unui amestec pirotehnic corespunzator, este necesar ca elementele componente ale acestuia sa fie bine macinate si amestecate uniform; intr-un amestec bine preparat, particulele diferitilor componenti nu se pot distinge cu ochiul liber.
Prin comprimarea sau compactarea amestecului pirotehnic se obtine incetinirea procesului de ardere, micsorarea volumului ocupat de amestec in produsul pirotehnic si realizarea unor rezistente mecanice mari. In majoritatea produselor pirotehnice amestecurile pirotehnice se gasesc in stare presata. Fac exceptie amestecurile folosite pentru petarde sau bombe salut, care se gasesc sub forma pulverulenta.
Pregatirea componentilor este o operatie in general nepericuloasa, deoarece carburantii si oxidantii intrebuintati pentru prepararea amestecurilor pirotehnice, luati fiecare in parte, sunt de obicei insensibili la solicitarile mecanice (soc, frecare) si nu au proprietati explozive.
In unele cazuri, socul sau frecarea pot produce o incalzire locala a componentelor, ceea ce poate duce la initierea unor reactii chimice de descompunere, explozive sau nu.
In schimb, amestecurile de substante carburante si de oxidanti sunt sensibile la impulsuri mecanice sau de alta natura (termica, electrostatica etc), putand sa se aprinda.
In unele cazuri, socul sau frecarea pot constitui cauzele aparitiei initierii explozive (combustia sau deflagratia) a amestecurilor pirotehnice. De aceea, operatiile de preparare si comprimare a amestecurilor pirotehnice, operatiuni unde compozitiile pirotehnice sunt supuse in mod inevitabil actiunilor mecanice, sunt de regula operatii cu un grad ridicat de risc, deci trebuiesc luate toate masurile de securitate in munca necesare.
5 Compozitii pirotehnice folosite in artificii
A. Compozitii pirotehnice utilizate la generarea efectelor luminoase
Amestecurile pirotehnice pentru focurile de artificii, generatoare de lumina alba sau colorata, sunt destinate pentru producerea de radiatii luminoase, atat noaptea cat si ziua. Cel mai uzual sistem de semnalizare luminoasa cu ajutorul sistemelor pirotehnice este semnalizarea tricolora, cu utilizarea focurilor rosu, galben si verde.
Intrebuintarea semnalizarii cu mai multe culori (rosu, galben, verde, albastru si alb) nu este rationala deoarece la distanta distingerea culorilor nu mai este sigura.
Amestecurile pirotehnice pentru focuri colorate trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii specifice:
flacara trebuie sa aiba o culoare caracteristica care sa excluda confundarea cu un semnal luminos de alta culoare (puritatea culorii de minimum 70 - 75 %);
cantitatea de energie luminoasa specifica ce se degaja la ardere sa fie de mii cd·s/g;
intensitatea luminoasa sa fie de cateva mii de candele, astfel incat sa asigure observarea semnalului luminos;
combustia amestecului sa se realizeze cu o viteza corespunzatoare.
Principiile de intocmire a amestecurilor pentru focurile colorate constau in linii mari in urmatoarele principii.
Cantitatea de energie care se degaja prin arderea amestecului trebuie sa fie suficienta pentru excitarea sau ionizarea atomilor si moleculelor care se gasesc in flacara. Practic, o radiatie colorata suficient de puternica, se obtine numai din amestecurile care degaja la ardere cel putin 800 kcal/kg.
La utilizarea radiatiei moleculare, temperatura flacarii nu trebuie sa depaseasca limitele la care se observa disocierea moleculelor. De exemplu, temperatura flacarii amestecurilor pentru focul verde nu trebui sa depaseasca limita de 2300 °C;
Componentii amestecurilor trebuie sa dea in flacara, la arderea amestecului, doar o cantitate mica de produsi solizi. Introducerea unei cantitati mari de pulbere metalica (magneziu sau aluminiu peste 15 - 20%), mareste mult stralucirea flacarii, dar, in acelasi timp, micsoreaza puritatea culorii;
Componentii amestecului trebuie sa fie alesi in asa fel, incat, radiatia nedorita a produsilor gazosi rezultati din reactie sa fie minima;
Elementele sau compusii obtinuti prin arderea amestecului si care coloreaza flacara, trebuie sa fie cat mai volatili, trecand in stare de vapori incepand de la temperatura de 1000 - 1200 0C. De obicei, amestecurile pentru focurile colorate contin urmatorii componenti:
un oxidant;
un carburant;
liant;
substante care imbunatatesc coloratia flacarii.
In anexa A 4 sunt prezentate cu titlul de exemplu compozitiile chimice ale amestecurilor pirotehnice utilizate pentru generarea flacarilor colorate (rosu, verde, galben, albastru) sau albe.
Obtinerea flacarii rosii se realizeaza in practica, prin introducerea compusilor cu strontiu in amestec.
Este important de mentionat ca amestecurile pentru focul rosu se realizeaza, practic, numai pe baza radiatiei oxidului de strontiu sau a monoclorurii de strontiu; radiatia acestuia din urma este mai intensa, incadrandu-se mai bine in domeniul rosu al spectrului. Intrebuintarea cloratului de strontiu, care in urma descompunerii ar putea elibera monoclorura de strontiu, nu este convenabila din cauza higroscopicitatii lui si din cauza sensibilitatii mari la impulsuri mecanice.
Ca saruri care coloreaza flacara se intrebuinteaza, de obicei, carbonatul, oxalatul, azotatul, sau, mult mai rar, sulfatul de strontiu. Puritatea culorii flacarii amestecurilor ce contin azotat de strontiu peste 50% este cuprinsa intre 80% si 90%.
Trebuie sa observam ca este avantajos de a realiza amestecurile pentru focul rosu cu un bilant negativ oxigen, deoarece, prezenta in flacara a unei atmosfere reducatoare, care impiedica oxidarea monoclorurii de strontiu la oxid de strontiu, contribuie la marirea puritatii culorii flacarii. In modul acesta se explica tendinta de a introduce clorul in toate amestecurile pentru focul rosu. De cele mai multe ori clorul se introduce sub forma de derivati organici clorurati (de exemplu, policlorura de vinil, hexacloretan, hexaclorbenzen, etc.). Prezenta unui exces de clor liber in flacara deplaseaza echilibrul urmatoarei reactii spre stanga:
2 SrCl2 O2 2 SrO Cl2
contribuind in felul acesta la imbunatatirea puritatii flacarii.
Flacara verde se obtine pe baza radiatiei compusilor cu bariu asa cum reiese din analiza spectrelor acestora. Radiatia bariului atomic nu poate fi folosita pentru obtinerea focului verde, deoarece, acesta da o serie de linii in diferite regiuni ale spectrului (de exemplu, radiaza intre 455 si 597 nm, 606 si 706,0 nm); liniile cele mai intense si mai stabile ale bariului sunt 553,54 nm (verde deschis) si 455,50 nm (albastru).
Oxidul de bariu foarte greu fuzibil si foarte putin volatil, radiaza in domeniul verde-galben al spectrului, dar intensitatea liniilor spectrale nu este satisfacatoare pentru a fi folosita in amestecurile pirotehnice.
Clorura de bariu disociaza in flacara, formand monoclorura de bariu si punand in libertate clor: 2 BaCl2 2 BaCl Cl2
Spectrul de emisie al monoclorurii de bariu este format dintr-un numar mare de benzi in regiunea verde a spectrului. In flacara oxidanta pot avea loc reactii de descompunere a clorurii de bariu, cu formare de oxid de bariu.
Prezenta acestei reactii duce totdeauna la o micsorare a puritatii flacarii verzi. Acest lucru impune introducerea compusilor cu clor pentru realizarea atmosferei reducatoare ce impiedica oxidarea monoclorurii de bariu la oxid de bariu.
Flacara de culoare galbena este cel mai adesea realizata pe baza emisiei atomice a sodiului. Aceasta emisie este mai intensa la o lungime de unda de 589 nanometri la temperatura ridicata de reactie. Pentru obtinerea printre produsii de reactie a sodiului se utilizeaza cu rol de oxidanti sau adaosuri de colorare, diferite substante ce contin acest atom.
Sarurile de sodiu folosite in acest scop trebuie sa se descompuna cu usurinta la temperaturi ridicate, sa aiba un continut cat mai mare de sodiu si sa fie nehigroscopice. Intensitatea liniilor sodiului in flacara este proportionala cu proportia cu cantitatea de sodiu introdusa in flacara.
B. Compozitii pirotehnice utilizate la generarea zgomotelor
Compozitii suieratoare
Compozitiile pirotehnice utilizate in cadrul dispozitivelor pirotehnice cu actiune suieratoare sunt amestecuri mecanice de oxidanti puternici (ca de exemplu cloratul de potasiu, azotatul de potasiu), carburanti care sunt deosebit de activi (picratul de potasiu) si adaosuri moderatoare sau flegmatizatoare.
Carburantii utilizati pot fi considerati materiale explozive deoarece acestea pot sa sufere o reactie de combustie fara sa se mai adauge alte materiale.
NOTA:
Compozitiile pirotehnice suieratoare presupun existenta unei viteze de combustie ridicate. Din aceste motive, ele pot fi considerate explozive si extrem de periculoase. In timpul pregatirii acestor compozitii, trebuie sa se ia precautii suplimentare datorita sensibilitatii la actiuni mecanice, dar si din cauza efectului exploziv.
Picratul de potasiu este extrem de sensibil la stimuli mecanici si termici, el fiind in sine un material exploziv. Utilizarea lui nu este recomandata decat de catre specialisti.
Amestecurile de clorat de potasiu si acid galic sunt extrem de sensibile la actiuni mecanice si se pot initia in procesul de incarcare. Utilizarea acestor amestecuri nu este recomandata.
Compozitiile suieratoare pe baza de clorat de potasiu sunt foarte sensibile la actiuni mecanice. Utilizarea lor de catre nespecialisti este interzisa.
Compozitii pentru pocnitori, petarde sau corpi explozivi terestrii sau aerieni
Pulberile negre sunt compozitii pirotehnice des pentru generarea zgomotelor, in dispozitive pirotehnice de tipul petardelor, la propulsie, aprinderea stelutelor sau alte destinatii. Compozitia chimica a acestora este puternic influentata de aplicatia pe care o serveste. Cel mai important component al pulberii negre este carbunele de lemn. Este foarte important ca acesta sa fie foarte reactiv si sa contina multe substante volatile, deci sa aiba un continut bogat de H si O. Aceasta calitate duce la marirea vitezei de combustie a pulberii negre.
Simpla amestecare dintre carbune, azotat de potasiu si sulf nu da rezultate bune pentru pirotehnist. Este recomandat sa se impregneze carbunele de lemn cu azotatul de potasiu prin procedee de amestecare mecanice, timp de mai multe ore, sau prin precipitare, atunci cand azotatul de potasiu se dizolva in apa calda si apoi se adauga carbunele. Tabelele ce se vor prezenta in continuare contin diferite retete pentru pulberile negre. Daca este indicat un anumit tip de carbune, atunci se va mentiona acest lucru inaintea procentelor masice de participatie ale acestuia.
Trebuie retinut faptul ca daca materialul "carbune" nu este suficient de reactiv, atunci pulberea neagra va avea o viteza de deflagratie scazuta si acest lucru va afecta efectul pirotehnic dorit. Un exemplu de carbune putin reactiv este acela utilizat pentru gratare, care contine clei.
Exemple de compozitii pirotehnice generatoare de zgomot sunt prezentate in anexa A 1, A2 si A 3.
C. Compozitii pirotehnice utilizate la generarea scanteilor
Compozitiile pirotehnice utilizate la generarea scanteilor sunt incarcate in diferite artificii pentru a desena diferite forme geometrice pentru piesele fixe, mobile amplasate pe sol sau pentru bombele cu functionare aeriana. Acestea din urma pot avea dispozitive pirotehnice care sa traseze traiectoria bombei - numite cozi sau pot fi prevazute cu stelute care deseneaza traiectoria comprimatelor pirotehnice pentru obtinerea a diverse forme, de flori, paianjeni, etc.
Artificiile de brad sunt prevazute cu compozitii depuse pe betisoare sau tije metalice, cu viteza de combustie lenta, concepute pentru a fi tinute in mana si a genera scantei si flacari colorate, cu sau fara efecte sonore.
Compozitiile pirotehnice utilizate la incarcarea fantanilor, cascadelor sau vulcanilor sunt compozitii generatoare de scantei. Culoarea scanteilor poate sa fie alb stralucitoare sau galben aurie. Pentru generarea scanteilor se folosesc ca si carburanti pulberi metalice ( Al, Mg, PAM, Ti) si pulberi de carbune de lemn, putin activ.
Compozitiile pirotehnice pentru generarea scanteilor se bazeaza pe introducerea in amestecul pirotehnic a unei proportii insemnate de carburant metalic sau nemetalic, cu granulatie relativ mare, care in urma reactiei de combustie a amestecului este aprins in zona de reactie si consumat partial. Ulterior, ca urmare destinderii produsilor gazosi, particulele de carburant partial ars, sunt proiectate in aer de unde continua combustia si emit radiatii luminoase, cu straluciri diferite in functie de natura particulelor de carburant.
Cu cat dimensiunile initiale ale particulelor de carburant sunt mai mari, cu atat durata de viata a scanteilor este mai mare.
Anumiti carburanti metalici au proprietati specifice. De exemplu, pulberile metalice de titan au proprietatea de a emite lumina stralucitoare de culoare alba. Pulberea de fonta permite spargerea in mai multe scantei datorita prezentei particulelor de carbon in granule.
Exemple de compozitii pirotehnice generatoare de scantei sunt prezentate in anexa A 5.
|
Politica de confidentialitate |
 .com |
Copyright ©
2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. |
Personaje din literatura |
| Baltagul – caracterizarea personajelor |
| Caracterizare Alexandru Lapusneanul |
| Caracterizarea lui Gavilescu |
| Caracterizarea personajelor negative din basmul |
Tehnica si mecanica |
| Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. |
| Actionare macara |
| Reprezentarea si cotarea filetelor |
Geografie |
| Turismul pe terra |
| Vulcanii Și mediul |
| Padurile pe terra si industrializarea lemnului |
| Termeni si conditii |
| Contact |
| Creeaza si tu |
