Pyrotechnické složení: klasifikace, komponenty, použití

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Pyrotechnická směs je látka nebo směs složek navržená tak, aby vyvolala efekt ve formě tepla, světla, zvuku, plynu, kouře nebo jejich kombinace v důsledku samoudržujících se exotermických chemických reakcí, které proběhnou bez detonace. Takový proces nezávisí na kyslíku z vnějších zdrojů.

Klasifikace pyrotechnických slož

Lze je rozdělit podle akce:

• Ohnivý.
• Smoke.
• Dynamické.

První dvě skupiny lze rozdělit na menší typy.

Ohnivý: osvětlující, signální noc, stopovač a nějaké zápalné.

Skupina kouře obsahuje kompozice pro denní signalizaci a maskování (mlha).

Hlavní typy pyrotechniky

Výše uvedený efekt (světlo, zvuk atd.) lze vytvořit pomocí těchto komponent:

• Práškový záblesk – hoří velmi rychle, vytváří exploze nebo jasné záblesky světla.
• Střelný prach – hoří pomaleji než prášek, uvolňuje velké množství plynů.
• Pevná pohonná hmota – produkuje velké množství horkých par používaných jako zdroje kinetické energie pro rakety a projektily.
• Pyrotechnické iniciátory – produkují velké množství tepla, plamenů nebo horkých jisker používaných k zapálení jiných kompozic.
• Ejekční náboje – rychle hoří, produkují velké množství plynu v krátkém čase, používají se k uvolnění užitečného zatížení z kontejnerů.
• Výbušné nálože – rychle hoří, v krátké době produkují velké množství plynu, používají se k rozdrcení nádoby a vysypání jejího obsahu.
• Složení kouře – hoří pomalu, vytváří mlhu (prostou nebo barevnou).
• Zpoždění vlaků – hoří konstantní tichou rychlostí, používá se ke zdržení v požární rezervě.
• Pyrotechnické zdroje tepla - vydávají velké množství tepla a prakticky se nešíří plyny, pomalé hoření, často termitové.
• Prskavky – vytvářejí bílé nebo barevné jiskry.
• Blikání – hoří pomalu, vytváří velké množství světla, používá se pro osvětlení nebo signalizaci.
• Barevné kompozice ohňostrojů – vytvářejí lehké, bílé nebo vícebarevné jiskry.

Aplikace

Některé technologie pyrotechnických směsí a produktů se používají v průmyslu a letectví k výrobě velkých objemů plynu (například v airbagech) a také v různýchupevnění a v jiných podobných situacích. Používají se také ve vojenském průmyslu, kde je vyžadováno velké množství hluku, světla nebo infračerveného záření. Například klamné rakety, světlice a omračující granáty. Nová třída složení reaktivního materiálu je v současné době zkoumána armádou.

Mnoho pyrotechnických sloučenin (zejména těch, které obsahují hliník a chloristany) je často velmi citlivých na tření, nárazy a statickou elektřinu. Již 0,1 až 10 milijoulů jiskry může způsobit určité účinky.

Střelný prach

Toto je slavný černý prášek. Jedná se o nejstarší známou chemickou trhavinu, skládající se ze směsi síry (S), dřevěného uhlí (C) a dusičnanu draselného (ledek, KNO 3). První dvě složky fungují jako palivo a třetí je okysličovadlo. Kvůli svým zápalným vlastnostem a množství tepla a plynu, které produkuje, je střelný prach široce používán při výrobě hnacích náplní ve střelných zbraních a dělostřelectvu. Kromě toho se používá při výrobě raket, ohňostrojů a výbušných zařízení v lomech, těžbě a stavbě silnic.

Ukazatele

Střelný prach byl vynalezen v Číně v 7. století a do konce 13. století se rozšířil po většině Eurasie. Původně vyvinutý taoisty pro léčebné účely byl prášek používán pro válčení kolem roku 1000 našeho letopočtu.

Střelný prach je klasifikován dojako malá výbušnina díky relativně nízké rychlosti rozkladu a nízké brizanci.

Výbušná síla

Vznícení střelného prachu nahromaděného za projektilem vytváří dostatečný tlak na to, aby ústí hlavně vystřelilo vysokou rychlostí, ale není dostatečně silné, aby prorazilo hlaveň zbraně. Střelný prach je tedy dobré palivo, ale pro svou malou výbušnou sílu je méně vhodný pro ničení kamene nebo opevnění. Přenesením dostatečného množství energie (z hořící látky do hmoty dělové koule a poté z ní na cíl pomocí nárazové munice) může bombardér nakonec přemoci opevněnou obranu nepřítele.

Střelný prach byl široce používán k plnění granátů a byl používán v těžebních a stavebních projektech až do druhé poloviny 19. století, kdy byly testovány první výbušniny. Prášek se již nepoužívá v moderních zbraních a průmyslových aplikacích kvůli jeho relativně nízké účinnosti (ve srovnání s novějšími alternativami, jako je dynamit a dusičnan amonný nebo topný olej). Dnes jsou střelné zbraně se střelným prachem většinou omezeny na lov, střelbu na terč.

Pyrotechnický zdroj tepla

Pyrotechnické směsi jsou zařízení na bázi hořlavých látek s vhodným zapalovačem. Jejich úlohou je produkovat kontrolované množství tepla. Pyrotechnické zdroje jsou obvykle založeny na termitových (nebo složení zpomalujících) okysličovačích paliva s nízkou rychlostí hoření,vysoký tepelný výkon při požadované teplotě a malá nebo žádná tvorba plynu.

Mohou být aktivovány několika způsoby. Elektrické zápalky a nárazové čepice jsou nejběžnější.

Pyrotechnické zdroje tepla se často používají k aktivaci baterií, kde slouží k roztavení elektrolytu. Existují dva hlavní typy designu. Jeden používá tavnou pásku (obsahující chromát barnatý a práškový kov zirkonia v keramickém papíru). Tepelně pyrotechnické granulační směsi probíhají podél jeho okraje, aby iniciovaly spalování. Pás se obvykle spouští elektrickým zapalovačem nebo zástrčkou pomocí proudu.

Druhé provedení využívá středový otvor v baterii, do kterého vysokoenergetický elektrický zapalovač uvolňuje směs hořlavých plynů a žárovek. Provedení se středovým otvorem dokáže výrazně zkrátit dobu aktivace (desítky milisekund). Pro srovnání si všimneme, že u zařízení s okrajovým proužkem je tento indikátor stovky milisekund.

Aktivaci baterie lze také provést pomocí nárazového primeru podobného brokovnici. Je žádoucí, aby zdroj expozice byl bez plynu. Obvykle se standardní složení pyrotechnických směsí skládá z železného prášku a chloristanu draselného. V hmotnostních poměrech jsou to 88/12, 86/14 a 84/16. Čím vyšší je hladina chloristanu, tím větší je tepelný výkon (nominálně 200, 259 a 297 kalorií/gram). Velikost a tloušťka tablet chloristanu železa má malý vliv na rychlost hoření, ale máovlivňuje hustotu, složení, velikost částic a lze jej použít k nastavení požadovaného profilu uvolňování tepla.

Dalším použitým složením je zirkonium s chromanem barnatým. Další směs obsahuje 46,67 % titanu, 23,33 % amorfního boru a asi 30 % chromanu barnatého. K dispozici jsou také 45 % wolframu, 40,5 % chroman barnatý, 14,5 % chloristanu draselného a 1 % vinylalkohol a acetát pojiva.

Reakce za vytvoření intermetalických složek pyrotechnických směsí, jako je zirkonium s borem, lze použít, když je požadován bezplynový provoz, nehygroskopické chování a nezávislost na okolním tlaku.

Zdroj tepla

Může být přímou součástí pyrotechnického složení, např. v chemických generátorech kyslíku se taková složka používá s velkým přebytkem okysličovadla. Teplo uvolněné při spalování se využívá k tepelnému rozkladu. S ohledem na spalování za studena se kompozice používají k produkci barevného kouře nebo k rozprašování aerosolu, jako jsou pesticidy nebo CS plyn, poskytující teplo sublimace požadované sloučeniny.

Fázovou retardační složku kompozice, která spolu se spalinami tvoří směs s jednou odlišnou teplotou fázového přechodu, lze použít ke stabilizaci výšky plamene.

Materiály

Pyrotechnické směsi jsou obvykle homogenizované směsi malýchčástice paliva a okysličovadla. První mohou být zrna nebo vločky. Obecně platí, že čím větší je povrch částic, tím vyšší je rychlost reakce a spalování. Pro některé účely se k přeměně prášku na pevný materiál používají pojiva.

Fuel

Typické typy jsou založeny na kovových nebo metaloidních prášcích. Složení může indikovat několik různých typů paliva. Některé mohou také sloužit jako pořadače.

Metals

Obvyklá paliva zahrnují:

• Hliník je nejběžnějším palivem v mnoha třídách směsí a také regulátorem nestability spalování. Vysokoteplotní plamen s pevnými částicemi, které narušují vzhled barviv, reaguje s dusičnany (kromě amonia) za vzniku oxidů dusíku, čpavku a tepla (reakce pomalá při pokojové teplotě, ale prudká nad 80°C, může se samovznítit).
• Magnalium je slitina hliníku a hořčíku, která je stabilnější a levnější než jeden kov. Méně reaktivní než hořčík, ale hořlavější než hliník.
• Železo – vytváří zlaté jiskry, běžně používaný prvek.
• Ocel je slitina železa a uhlíku, která vytváří rozvětvené žlutooranžové jiskry.
• Zirkonium – produkuje horké částice užitečné pro hořlavé směsi, jako je standardní iniciátor NASA, a pro potlačení nestability spalování.
• Titan – produkuje horkou pyrotechniku a sloučeniny, zvyšuje secitlivost na nárazy a tření. Někdy se používá slitina Ti4Al6V, která produkuje o něco jasnější bílé jiskry. Spolu s chloristanem draselným se používá v některých pyrotechnických zapalovačích. Hrubý prášek vytváří krásné rozvětvené modrobílé jiskry.
• Frotitanium je slitina železa a titanu, která vytváří jasné jiskry používané v pyrotechnických hvězdách, raketách, kometách a fontánách.
• Frosilikon je železo-křemíková látka používaná v některých směsích, někdy nahrazuje silicid vápníku.
• Mangan – používá se k ovládání rychlosti hoření, například u kompozic se zpožděním.
• Zinek – používá se v některých kouřových kompozicích spolu se sírou, která se používá jako amatérské palivo pro rakety, stejně jako v pyrotechnických hvězdách. Citlivý na vlhkost. Může se samovolně vznítit. Zřídka se používá jako hlavní palivo (s výjimkou složení kouře), lze jej použít jako doplňkovou složku.
• Měď – používá se jako modré barvivo s jinými druhy.
• Mosaz je slitina zinku a mědi používaná v některých ohňostrojích.
• Tungsten – používá se k ovládání a zpomalení rychlosti hoření kompozic.

Za zmínku stojí, že je nebezpečné vyrábět pyrotechnické kompozice vlastníma rukama.