Экспериментальная часть

2 Экспериментальная часть

В экспериментальной части курсовой работы поставлена задача изготовления пиротехнического состава на основе неорганических солей для проведения демонстрационного эксперимента в виде так называемого пиротехнического «фонтана».

Пиротехнические «фонтаны» представляют собой элементы фейерверков, выбрасывающие поток блестящих огненных искр. Изделия для получения «фонтанов» выполнены в виде неподвижных толстостенных картонных гильз с узким жерлом, заполненных быстрогорящими, динамическими составами (рис. 2.1) [7]. Обычно, их внутренний диаметр составляет от 10 до 50 мм при длине, не превышающей 16 калибров, а для крупных изделий − 10-12 калибров. Большие «фонтаны» дают более длинную и пышную огненную ленту, поэтому в старых источниках можно встретить описание даже 6-8 пудовых «фонтанов», гильзы которых для надёжности обматывали снаружи толстой бечевой.

Рисунок 2.1 Гильза для изготовления пиротехнического «фонтана»:

1 – гильза; 2 – слой просеянной глины; 3 – медленногорящая смесь;

4 – основной пиротехнический состав; 5 – слой дымного пороха;

Чаще всего для неподвижных «фонтанов», применяемых в сложных композициях (например, водопадов, каскадов или деревьев), используются гильзы калибром 17-20 мм и длиной 20-25 см, с диаметром «шейки» 4-5 мм (1/4 калибра).

Плотно насаженную гильзу (1) вначале запрессовывают набойником с полым каналом просеянной глиной (2) на высоту 0,5 калибра. Это делается во избежание прогорания жерла.

Для исключения разрыва шейки гильзы в начале воспламенения, особенно при использовании сильных составов, поверх глины на 1 калибр набивают медленногорящую смесь (3) типа мелкоискристых составов простого огня (табл. 2.1) [7]. Ещё лучше использовать насыпку из пороховой мякоти с измельчённым древесным углем 3:1 (состав 1452), который к тому же облегчает зажигание [7].

Составы для «фонтанов» бывают искристые и пламенные (табл. 2.1-2.5)

Таблица 2.1 Составы «фонтанов» простого искристого огня

Номер состава	Процентное соотношение компонентов состава, %
	KNO3	S	Уголь древесный мелкий	Уголь древесный крупный	Sb	Древесные опилки	Фарфор
1452	56	9	35
1453	50	9	41
1454	57	7	36
1455	66	5	29
1456	63	10	27
1457	61	12	27
1458	63	12	25
1459	67	25	8
1460	55	14		31
1461	22	22	56
1462	62	17	21
1463	63	18				19
1464	57	14	29
1465	60	15		25
1466	83	9	8
1467	49	27	18		6
1468	64	30	4		2
1469	55	9	9	27
1470	40	7	33	20
1471	55	9	9				27
1472	63	12	6	6			19

Таблица 2.2 Составы «фонтанов» бриллиантового огня

Номер состава	Процентное соотношение компонентов состава, %
	KNO3	S	Уголь древесный мелкий	Уголь древесный крупный	Железные опилки	KClO4	Сажа
1473	48	4	24		24
1474	56	20	4		20
1475	52	16	11		21
1476	45	7	8		40
1477	47	11	21		21
1478	49	8	8		35
1479	70	15	5		10
1480	42	7	7		44
1481	38	6	6		50
1482	17	11			72
1483	70	4	6		20
1484	54	15		19	12
1485	8	6	14		33	33	6
1486	58	12	13		18
1487	65	8	11		16
1488	61	13	8		18
1489	75		17		8
1490	62		15		23

Таблица 2.3 Составы «фонтанов» двойного красного огня

Номер состава	Процентное соотношение компонентов состава, %
	KNO3	KClO4	Sr(NO3)2	SrC2O4	S	Sb2S3	уголь древесный мелкий	сажа
1501	43	13	14		16	3	7	4
1502		65		11	22		2
1503	11	45		22	22
1504	67				16			17
1505	70				25		5

Таблица 2.4 Составы «фонтанов» двойного желтого огня

Номер состава	Процентное соотношение компонентов состава, %
	KNO3	KClO4	Na(NO3)2	NaC2O4	S	Sb2S3	уголь древесный мелкий
1507	17		54		12	14	3
1508		65		11	22		2
1509	69			4	15	8	4

Таблица 2.5 Составы «фонтанов» двойного голубого огня

Номер состава	Процентное соотношение компонентов состава, %
	KNO3	KClO4	S	Уголь древесный мелкий	Древесные опилки	Zn (опилки)	Малахит	Горная синь	Лак-тоза
1512		67	22					11
1513		38				57			5
1514	39			16		45
1515	42		29	4		25
1516	53			7		40
1517		63	26				11
1518		53	34					13
1519	50			6	6	38
1520	33			33		34

Запрессовывают фонтанные гильзы пиротехническими смесями в специальных формах. Чтобы основной состав (4), содержащий крупинки угля или металлические опилки, не расслаивался, засыпают и забивают смесь малыми порциями: не более 1 калибра запрессованной смеси. А чтобы «фонтан» заканчивался выстрелом, поверх рабочего состава всыпают 1 калибр зернённого дымного пороха (5). В конце вставляют бумажную пробку на клею толщиной в 1 калибр или забивают глину (2) и обклеивают бумажным кружком.

Готовое изделие осторожно снимают со стержня, чтобы не растрясти глину и вставляют в канал шейки сложенный стопин до упора, а затем фиксируют его подмазкой или просто ниткой.

Простые мелкоискристые смеси, дающие при горении розовый шлейф, готовят, разбавляя пороховую мякоть древесным углем (составы 1452-1458).

Состав 1452 и более сильная смесь 1457 обладают заметным реактивным действием и даже иногда применяются для малоподвижных «фонтанов». Подобная пиротехническая композиция (состав 1464) используется в фонтанных гильзах для «гранатной игры».

Напротив, пороховые составы с повышенным содержанием серы используются в «фонтанах» с голубоватой пламенной лентой (состав 1459). Ещё ярче, чище и медленнее сгорают аналогичные фонтанные смеси, включающие измельчённую сурьму (составы 1467 и 1468).

Более красочно выглядят искрообильные «фонтаны», содержащие крупинки (1-3 мм) древесного угля (составы 1460, 1465, 1469 и 1470). В зависимости от природы угля и степени его дробления пламя этих составов отличается. Так, уголь из мягкой древесины даёт блестящие, быстро затухающие искорки; тогда как из твёрдых пород производит долго горящие, но более тёмные искры.

Фонтанные смеси с невысоким содержанием железа 8-12% получили название «полубриллиантовых» (составы 1479, 1484 и 1489). Для лучшего эффекта в эти композиции дополнительно вводится крупный древесный уголь, в результате чего в огненном шлейфе появляются искры разной окраски (состав 1484). Иногда подобные составы называют «с двойным лучом». Полубриллиантовая смесь 1479 широко применяется для «фонтанов» средней силы и даёт светлое, искристое пламя.

К сожалению, бриллиантовые составы без ущерба качеству обычно хранятся не более недели из-за окисления железа нитратами. После этого «фонтаны! на их основе приобретают малопривлекательный, тёмный, искристый шлейф.

Бриллиантовые составы практически не содержат бертолетову соль (в лучшем случае её комбинируют с селитрой), так как чисто хлоратные смеси дают меньшую температуру сгорания, и опилки углеродистого железа не успевают достаточно раскалиться.

В технологии цветных «фонтанов» широко используются составы двойного и пламенного огня (табл. 2.3-2.5).

Состав 1501 производит яркое, красно-розовое пламя средней силы и может применяться для малоподвижных фигур. Фонтанная смесь 1502 сгорает красным огнём с оранжевым оттенком.

Состав 1504 в «фонтанах» сгорает красноватым пламенем с активным звездопадом и напоминает бриллиантовую смесь, в отличие от которой хранится неограниченно долго. Подобный состав 1505 содержит больше серы, но он слабее и даёт красновато-белое пламя.

Фонтанные смеси двойного жёлтого огня представлены составами 1507-1509 средней силы. Они имеют яркую окраску как за счёт содержания сульфида сурьмы (III) (составы 1507, 1509), так и образующихся галогенидов (состав 1508), делающих жёлтое пламя чистым и блестящим.

Композиция с нитратом натрия (состав 1507) образует наиболее насыщенную жёлтую окраску огня, но она гигроскопична и долго не хранится. Легковоспламеняющийся состав 1508 с бертолетовой солью весьма взрывоопасен в производстве и требует весьма аккуратного смешивания компонентов.

Наиболее широко применяются фонтанные составы двойного огня голубых тонов. Довольно яркие, светло-голубые, спокойные «фонтаны» дают составы 1512, 1517 и 1518, содержащие горную синь. Их сила возрастает в приведенном порядке с повышением содержания серы, не очень влияя на окраску.

Эффектно смотрятся искристые «фонтаны» голубого огня с цинковыми опилками. Этот металл сгорает весьма энергично, поэтому чтобы составы не превращались в чисто пламенные, содержание цинка в них должно быть повышенным (более 20%), а сами опилки достаточно крупными (2-4 мм).

Введение древесных опилок в цинковый состав 1519 делает его броское, искристое, голубовато-красное пламя ещё более обильным, позволяя применять эту смесь даже для подвижных «фонтанов», тем более, что она неплохо сохраняется в течение нескольких месяцев.

К сожалению, цинковые смеси в основном плохо хранятся, трудно воспламеняются, в связи с чем требуют промежуточной подсыпки и выделяют густой желтовато-белый дым.

В качестве наиболее приемлемого пиротехнического состава для постановки демонстрационного эксперимента (пиротехнического «фонтана») был выбран состав № 1501 (табл. 2.3), включающий нитрат калия и перхлорат калия в качестве окислителей, нитрат стронция в качестве цветнопламенного окислителя, серу, сульфид сурьмы, древесный уголь и сажу в качестве горючих веществ.

3 Техника безопасности

Все работы с пиротехническими составами и изделиями очень опасны, так как легко может возникнуть взрыв, вспышка или пожар. Поэтому необходимо строго соблюдать правила техники безопасности, которые обеспечивают безаварийность работ.

Для изготовления состава и снаряжения им пиротехнического изделия проводятся следующие операции:

1.  подготовка компонентов (измельчение, сушка);

2.  приготовление состава (смешение компонентов);

3.  уплотнение и формование состава (прессованием или иным способом);

4.  снаряжение им изделия.

Для нормального действия состава необходимо, чтобы компоненты его были тонко измельчены и равномерно смешаны. В хорошо изготовленном составе частицы компонентов обычно уже неразличимы простым глазом.

Уплотнением состава достигается замедление горения, уменьшение объема занимаемого им в изделии, и сообщение составу большой механической прочности. В большинстве изделии составы используются в уплотненном (спрессованном) виде.

Подготовка компонентов чаще всего неопасна, так как взятые в отдельности компоненты составов в большинстве случаев нечувствительны к механическим воздействиям (удару, трению) и не обладают взрывчатыми свойствами.

Однако этого нельзя сказать о горючих, рассеянных в воздухе в виде пыли. В некоторых случаях удар или трение могут вызвать воспламенение горючих. Исключением являются также окислители − перхлорат аммония, нитрат аммония и хлораты металлов, которые даже в чистом виде без горючих примесей при наличии мощного начального импульса могут дать взрыв.

Смеси окислителей с горючими, т. е. пиросоставы, чувствительны к механическим импульсам и при ударе или трении может возникнуть взрыв. Поэтому приготовление и прессование составов, как правило, являются опасными операциями.

Опасными операциями изготовления пиротехнических составов являются также сушка, прессование, набивка составов. При всех этих операциях составы подвергаются тепловым или механическим воздействиям, что может вызвать их вспышку.

Для предупреждения воспламенения состава необходимо строго придерживаться следующих основных правил:

-  не допускать загрязнения компонентов;

-  инструменты, соприкасающиеся с компонентами и готовым составом, должны изготовляться из материалов, не дающих искрения, − алюминия, бронзы, резины;

-  не допускать скопления пыли компонентов;

-  избегать ударов, толчков, трения и прочих механических воздействий на смеси и готовые составы;

-  точно придерживаться указанной технологическим процессом рецептуры состава;

-  носить предусмотренную спецодежду;

-  не допускать накопления на рабочем месте составов и компонентов сверх установленных норм.

Необходимо принять все меры, чтобы устранить причины, повышающие чувствительность пиротехнических составов и вызывающие взрыв или вспышку.

Первым условием нормальной работы является тщательное изучение свойств тех веществ, с которыми приходится работать. Основываясь на этих свойствах, необходимо выработать правила для работы с каждым веществом.

При ручном смешивании составов, чувствительных к механическим воздействиям, посуда со смешиваемыми компонентами устанавливается за прочным металлическим щитом, имеющим смотровые стекла и прорезы для рук, а работающий помещается по другую сторону щита.

Порция смешиваемых компонентов ни в коем случае не должна превышать установленной нормы.

На рабочем месте для смешения составов не должны находиться лишние предметы; стены, потолок и пол должны быть гладкими, без щелей и легко поддаваться обмыванию (лучше всего пол покрывать линолеумом).

Пыль от составов, оседающую на поверхности всех предметов, находящихся на рабочем столе, необходимо систематически вытирать тряпками, смоченными водой или спиртом. Полное соблюдение чистоты в рабочих помещениях способствует безопасности работы.

Во время работы возле стола не должны находиться посторонние лица. Подход к нему разрешается лишь лицам, непосредственно выполняющим там работу. Двери в помещениях должны быть открытыми, чтобы в случае вспышки рабочий мог немедленно выйти в коридор и захлопнуть дверь за собой для локализации пожара.

Необходимо носить обувь с мягкими или резиновыми подошвами, чтобы подошвы не производили сильного трения о пол. Особую опасность вызывает обувь, подбитая железными гвоздями, которые могут дать искру от трения по каменному полу и воспламенить осевшую на нем пыль или просыпанный состав.

При эксплуатации пиротехнических изделий следует придерживаться следующих правил техники изделий:

-  не допускается запускать изделия с рук или наклоняться над ними;

-  не допускается направлять изделия на людей;

-  не допускается подвергать изделия механическим воздействиям;

-  не допускается запускать и хранить пиротехнические изделия вблизи от нагревательных и электроприборов и открытого огня;

-  не допускается подходить к отказавшему изделию в течение 5 минут.

При изготовлении пироехнической смеси следует придерживаться соответствующих правил работы с реактивами, так как практически все используемые в пиротехнике вещества являются в той или иной степени токсичными для организма человека.

При попадании серы, нитрата калия, нитрата стронция, перхлората калия, перманганата калия в глаза может возникнуть механическое раздражение, переходящее в раздражение слизистой оболочки; первая помощь – промыть проточной водой.

При попадании на увлажненную кожу перманганата калия возможен химический ожог; первая помощь – промыть водой 5 минут, затем примочить 3% раствором перекиси водорода и ополоснуть водой.

При попадании внутрь вышеперечисленных веществ возможны случаи от легкого отравления до летального исхода в зависимости от характера вещества и его количества, принятого внутрь. Первая помощь – промыть желудок чистой водой и вызвать врача.

Выводы

В курсовой работе рассмотрены важнейшие неорганические соли и их применение в пиротехнической индустрии, технике и науке, теоретические обоснования зависимости цвета и мощности выбранного состава. На основании проведенного анализа источников литературы и выполнения экспериментальной части работы можно сделать следующие выводы:

-  пиротехнический эффект зависит от точной навески компонентов и степени дисперсности частиц составов: чем меньше размер частиц, тем ярче и красочнее протекает реакция пиротехнического горения;

-  важнейшим преимуществом пиротехнического «фонтана» является его безопасная демонстрация в помещениях, в том числе химических лабораториях;

-  придание «фонтану» специфичности в окраске его огня можно достигнуть комбинированием компонентов (цветнопламенных добавок);

-  наиболее рациональное применение «фонтана» в конце или в начале любого красочного представления;

-  эффективность и красочность «фонтана», а также такие параметры, как время свечения и размер искр определяются свойствами используемых компонентов;

-  оптимальный выбор «фонтана» зависит от химической природы веществ и условий их получения.

Данная курсовая работа является обобщенным материалом, определяющим основные области применения пиротехнических изделий, их классификацию, способы изготовления, а также меры предосторожности при работе с ними. Актуальность работы состоит в широком применении пиротехнических изделий в повседневной жизни: соблюдение требований техники безопасности при их изготовлении является гарантией избежания несчастных случаев при их использовании.

Список литературы

1.  Фрейман А. А. Краткий курс пиротехники. М., Оборонгиз, 1940. – 148 с.

2.  Андреев К. К. Термическое разложение и горение ВВ. М., «Наука», 1966, 2-е изд. – 256 с.

3.  Демидов П. Г. Горение и свойства горючих веществ. М., Изд-во МКХ РСФСР, 1961. – 378 с.

4.  Гетерогенное горение. Сб. статей. Перев. с англ. Под ред. В. А. Ильинского и И. Н. Садовского. М., «Мир», 1967. – 472 с.

5.  Шидловский А. А. Основы пиротехники. М., «Машиностроение», 1973, 4-е изд. – 280 с.

6.  Шумахер И. Перхлораты, их свойства, производство и применение. М., Химиздат, 1963. – 184 с

7.  Чувурин A.B. Занимательная пиротехника: Фейерверк своими руками; В 2 ч. Ч.2 – X.: Основа, 2003. – 364 с.

 

Приложение А

Химические формулы.

Пиротехнические составы, используют огромное количество различных химических веществ. Здесь даны формулы большинства используемых химических веществ, а также краткое описание их использования в пиротехнике.

Некоторые химические вещества имеют переменный состав, следовательно, трудно определить их точную химическую формулу. Если химическая формула не известна, альтернативное название будет в квадратных скобках.

ü  Аммония хлорид [NH₄Cl].

ü  Аммония дихромат [(NH₄)Cr₂O₇].

ü  Аммония перхлорат [NH₄ClO₄],

ü  Сурьмы сульфид [Sb₂S₃].

ü  Бария карбонат [BaCO₃].

ü  Бария хлорат [Ba(ClO₃)₂].

ü  Бария хлорид [BaCl₂]

ü  Бария нитрат [Ba(NO₃)₂].

ü  Бентонит [NaAlSiO₄].

ü  Бария сульфат [BaSO₄].

ü  Борная кислота [H₃ВО₃].

ü  Кальция карбонат [CaCO₃].

ü  Цезия алюмосульфат [CsAl(SO₄)₂].

ü  Цезия хлорид [CsCl].

ü  Меди карбонат [CuCO₃·Сu(ОН)].

ü  Меди оксихлорид [3СuО·СuС1₂·4Н₂0] - [Cu₄H₈O₇CI₂].

ü  Меди сульфат [CuSO₄].

ü  Калия карбонат [K₂CO₃].

ü  Калия хлорат [KClO₃].

ü  Калия хлорид [KCl].

ü  Калия бихромат [К₂Cr₂О₇].

ü  Калия феррицианид [К₃Fe(CN)₆].

ü  Калия нитрат [KNO₃].

ü  Калия перхлорат [KClO₄].

ü  Калия перманганат [KMnO₄].

ü  Натрия бикарбонат [NaHCO₃].

ü  Натрия хлорат [NaClO₃].

ü  Натрия оксалат [Na₂C₂O₄].

ü  Натрия силикат (жидкое стекло). [NaSiO₃·NaOH]

ü  Натрия гексафторалюминат (криолит) [3NaF·AlF ] - (Na₃[AlF₄]).

ü  Стронция карбонат [SrCO₃].

ü  Стронция нитрат [Sr(NO₃)₂].

ü  Стронция сульфат [SrSO₄].

ü  Бария фторид [BaF₂].

ü  Стронция оксалат [SrC₂O₄].

ü  Ферросилиций [Fe/Si].

ü  Аммония хлорид, [NH₄Cl]. Усиливает цвет (66% содержание хлора).

ü  Аммония перхлорат, [NH₄ClO₄]. Окислитель, усиливает цвет (30% содержание хлора).

ü  Сурьмы сульфид, [Sb₂S₃]. Неорганическое горючее, генератор цвета (белый), усиливает эффект блеска.

ü  Мышьяка дисульфид (Реальгар), [As₄S₄]. Неорганическое горючее, дымообразующее горючее, генератор цвета (белый).

ü  Мышьяка трисульфид (Аурипигмент), [As₂S₃]. Неорганическое горючее, дымообразующее горючее, генератор цвета (белый)

ü  Бария карбонат, [BaCO₃]. Генератор цвета (зелёный), нейтрализатор кислот.

ü  *Бария хлорат, [Ba(ClO₃)₂]. Окислитель, генератор цвета (зелёный).

ü  Бария хлорид, [ВаСl₂] Генератор цвета (зелёный), усиливает цвет (22% содержание хлора).

ü  Бария хромат, [BaCrO₄]. Окислитель, генератор цвета (зелёный).

ü  Бария фторид, [BaF₂]. Генератор цвета (зелёный).

ü  Бария нитрат, [Ba(NO₃)₂]. Окислитель, генератор цвета (зелёный).

ü  Бария оксалат, [BaC₂О₄·Н₂О]. Генератор цвета (зелёный).

ü  Чёрный порох, [KNО₃/C/S]. Взрывчатое в-во для подъёма в воздух зарядов, разрыва зарядов, компонент некоторых составов для звёзд.

ü  Бура, [Na₂B₄O₇]. Модификатор скорости горения. Генератор цвета (жёлтого).

ü  Борная кислота, [H₃ВО₃], нейтрализатор оснований.

ü  Кальция карбонат, [CaCO₃]. Генератор цвета (оранжевый).

ü  Кальция силицид, [CaSi]. Неорганическое горючее, ускоряет воспламенение (производит шлакообразование), источник искр (жёлто-белые).

ü  Кальция сульфат, [CaSO₄]. Окислитель, генератор цвета (оранжевый).

ü  Меди (II) ацетоарсенит, [CuO·3As₂O₃·Cu(C₂H₃O₃)₂]. Генератор цвета (голубой).

ü  Меди (II) карбонат, [CuCO₃·Cu(OH)₂]. Генератор цвета (голубой).

ü  Меди (I) хлорид, [CuCl]. Генератор (носитель) цвета (голубого), усиливает цвет (36% содержание хлора).

ü  Медь (II) оксихлорид, [переменный состав (не обязательно): [3CuO·CuCl₂·3Н₂0], [Сu₂(0Н)₂Cl], CuCl₂·3Cu(OH)₃], [3CuO·CuCl₂·4H₂O]. Генератор цвета (голубой), усиливает цвет (18% содержание хлора).

ü  Диатомит, [SiO₂ К₂О, Al₂O₃, Fe₂O_3, CaO]. Абсорбент, модификатор скорости горения.

ü  Каолин, [H₂Al₂Si₂О₈]. Неорганическое дымообразующее горючее.

ü  Калия нитрат, [KNO₃]. Окислитель.

ü  Калия перхлорат, [KClO₄]. Окислитель.

ü  Калия сульфат, [К₂SO₄]. Окислитель.

ü  Песок, [SiO₂]. Модификатор скорости горения.

ü  Натрия алюмофторид, [3NaF·AlF₃]. Генератор цвета (жёлтого).

ü  Натрия бикарбонат, [NaHCO₃]. Усиливает эффект блеска, нейтрализатор кислот, генератор цвета (жёлтого).

ü  Натрия алюмосиликат, [3NaAlSiO₄]. Генератор цвета (жёлтого). Натрия нитрат, [NaNO₃]. Окислитель, генератор цвета (жёлтого).

ü  Натрия оксалат, [Na₂С₂О₄]. Генератор цвета (жёлтого), усиливает эффект блеска.

ü  Натрия сульфат, [Na₂SO₄]. Окислитель, генератор цвета (жёлтого).

ü  Стронция карбонат, [SrCO₃]. Нейтрализатор кислот, генератор цвета (красного).

ü  Стронция хромат, [SrCrO₄]. Окислитель, катализатор ракетных топлив, генератор цвета (красного).

ü  Стронция нитрат, [Sr(NO₃)₂]. Окислитель, генератор цвета (красного).

ü  Стронция оксалат, [SrC₂О₄·Н₂О]. Генератор цвета (красного).

ü  Стронция сульфат, [SrSO₄]. Окислитель, генератор цвета (красного).

* - соединения, которые являются опасными в использовании.