发 射 药 浅 谈
姜锡松
黑火药是我国古代的四大发明之一，已有2000余年的历史，到现在其组成和生产工艺得到了不断的改进和发展，但在花炮行业中的用途也非常广泛，动力药、引线药、喷花药、爆炸药、气动效果药等都源于初始的黑火药配方。下面谈及的发射药主要是指粒状黑火药，应用于礼花弹、盆花、地面礼花等升空产品中。
1． 发射药中各组分的作用和性质。
目前发射药的组成还是沿袭古老的经典配方，硝酸钾75％，木炭15％，硫磺10％。发射药生产企业由于原材料的产地不同、生产工艺的差异等对配方有所调整，但相差不是很大，基本保证在±1.5%的范围之内。
1.1硝酸钾
1.1.1作用
硝酸钾是一种氧化剂，在黑火药燃烧时供给充足的氧，用来协助硫磺和木炭燃烧。
1.1.2性质
硝酸钾在高温时是强氧化剂，336℃时熔化，350℃开始分解放出氧气，同时生成亚硝酸钾，亚硝酸钾不稳定，继续受热时生成氧化钾，并放出氮气和氧气。
2KNO3→2KNO2+O2
4KNO2→2K2O+2N2+3O2
1.1.3要求
硝酸钾的质量应符合GB1918工业硝酸钾标准要求。
1.2木炭
1.2.1作用
木炭是一种可燃物质，在发射药爆炸时，木炭与硝酸钾放出的氧迅速发生化学反应，生成大量的气体和放出很高的热量，使发射药具有作功能力。
1.2.2性质
木炭是一种有机化合物，它的分子式有两种表示方式：C16H10O2或C6H2O,主要是通过分子式反映木炭的组成和炭含量的高低，木炭在制作过程中的炭温度愈高，木炭的含碳量愈高，氢氧元素等有机物的含量愈少，木炭的稳定性也愈高，否则，木炭的得率愈低，并存在着易自燃的安全隐患。
炭化温度高的木炭，导电率也更大，在生产过程中不易积聚静电，研磨过程中不易发生事故。含碳量高的木炭制造的发射药燃烧速度快，但发火点相应增高，发射药生产中一般选择中等炭化度的木炭比较适宜。
1.2.3要求
木炭中不得有目力可见的泥土砂子金属等杂质，不得有不脱水完全的木质，不得有超过15mm具有杂质的节子，不得有通过边长10mm筛孔的碎炭，在投入使用前一定要进行吸铁处理，含有铁屑的木炭在三味混合时很容易引发爆炸事故。
1.3硫磺
1.3.1作用
硫磺在发射药中，一方面是它是硝酸钾和木炭的粘合剂，另一方面它也是燃烧剂，它可使着火温度降低，火焰变大，改进发射药的点火性能。
在发射药中，硫磺主要有四个重要作用
a) 增加爆燃时放出的气体量
没有硫磺时，硝酸钾与碳只能生成碳酸钾，有硫磺时，硝酸钾与硫磺可生成硫酸钾和硫化钾，放出二氧化碳。
b)降低发射药的初始分解温度
硝酸钾和碳的混合为(85:15)在320℃开始分解，在350℃时爆炸；硝酸钾和硫磺的混合物(86:14)在310℃开始分解，在450℃时爆炸；硝酸钾、硫磺和木炭的混合物(75:12:13)在290℃开始分解，在311℃时爆炸。
c)增加发射药的撞击感度
以2kg落锤，500mm落高撞击硝酸钾和木炭的混合物不发火，而硝酸钾和硫磺的混合有部分发火；如果硝酸钾，木炭和硫磺的混合物在2kg锤重，850mm落高的条件会产生爆炸性发火。(这是实验数据)
d)抑制发射药产物中一氧化碳的生成
碳和硝酸钾反应生成一氧化碳，有硫磺存在时，则硫与硝酸钾生成的硫酸钾与碳反应生成二氧化碳。当硫磺含量不多时，能生成有毒的一氧化碳，当硫磺的含量不低于10%时，基本可抑制一氧化碳的生成。
2KNO3+S→K2S04+2NO↑
K2SO4+2C→K2S+2CO2↑
1.3.2性质
粉状硫磺在常温下易被空气中的氧缓慢氧化生成二氧化硫，二氧化硫与空气中的水份化合可生成亚硫酸。
S+O2→S02
SO2+H2O→H2SO3
亚硫酸的存在可提高发射药的吸湿性，而且与硝酸钾作用会破坏发射药的组分而影响发射药安定性。这个化学性质对黑火药稳定性很重要。
硫有斜方晶体硫和单斜晶体硫等多种同素异晶体，单斜晶体硫在温度低于95.5℃时，自动转化为斜方晶体硫，斜方晶体硫不溶于水，能很好的溶于二硫化碳及一氧化硫中。这一性质可用来鉴定硫磺晶体的结构。
硫与金属一起研磨时，在较低的温度下，也能变成硫化物。150℃时呈蒸汽状态的硫可与木炭中的氢反应生成硫化氢，并旋接与硝酸钾作用，硫在发射药的最初燃烧阶段是接触剂。
S+H2→H2S
2H2S+4KNO3→2K2SO4+4NO↑+2H2↑
在发射药中，硝酸钾含量一定时，随着硫磺含量的增加，发射药的燃速会减慢；如果减少硝酸钾，增加硫磺含量，则发射药燃烧速会更慢，以上这些性质，对升空火箭的配方很有指导意义。
1.3.3要求
发射药的制造使用精制硫，不能用升华硫，包括整个花炮行业都不能用升华硫，因为升华硫含有亚硫酸，易造成质量和安全隐患。
硫为热和电的不良导体，摩擦时易积聚静电，并产生静电火花，不能单独粉碎硫磺，发射药在二味粉碎过程中，为了消除静电，可加入石墨，增加导电性，降低静电积聚速度。
硫磺的质量应符合GB2449工业硫磺及其试验方法的标准要求。
2．发射药的燃烧性能
发射药的燃烧历程可氛围激发点火，沿着药粒表面火焰传播引燃和在发射药深处的传播燃烧三个阶段。
2.1激发点火
发射药在外界能量作用下局部形成热源使温度升高，达到发火点以上局部发生着火。激发冲量越强，点火就越容易。点火的难易程度与发射药的性质，表面物理状态很有关系，药粒表面若是粗糙，凹凸不平且有棱角时，就容易局部加热达到发火的温度，易被点燃，说明该发射药点火性能优越。
2.2表面火焰传播
发射药被点燃后火焰沿着药粒表面迅速传播，火焰从药粒至另一药粒的传递进行得极其迅速。燃烧分解产生的气体生成物和高热的固体熔渣包围并冲击相邻的药粒，使周边药粒受热并迅速起火，再链式传递下去。传火速度随气体生成物压力的增长愈来愈快，致使整体药粒迅即引燃。
2.3深处燃烧
发射药的深处燃烧传播速度随药粒密度不同而产生不同的燃烧速度。粉状发射药和粒状发射药燃烧情形迥异。药粒密度不大时，在压力很高的条件下，生成的气体极易渗入药粒孔隙中燃烧，迅速增长的压力使药粒破碎成不规则的小块，比表面积迅速增加，燃烧速度变得更快，直至形成爆轰或爆炸。这就是发射药在密闭容器内由燃烧形成爆炸的原因。
药粒密度足够大时，即达到1.80g/cm3以上时，药粒才比较有规则地按平行层方式燃烧，即燃烧稳定，很适合于升空产品的使用，但是随着密度的增大，其燃速降低，发射力变小。目前普遍使用的发射药密度在1.60g/cm3～1.75g/cm3之间。
3.发射药的反应机理
发射药的反应是在硫的熔点以上开始的，约在150℃时，木炭中存在的氢和硫开始反应，在285℃～295℃时生成的硫化氢和硝酸钾反应，生成硫酸钾并放出热量，热量使硝酸钾熔化，这是整个反应中极为重要的一步，熔化的硝酸钾与熔化的硫反应后并进一步与碳起反应。传统认为只有加到285℃以上时，发射药才着火爆炸，而且硝酸钾的熔点越低，反应越容易进行。
3.1爆燃分解反应
发射药的爆炸分解反应过程复杂，随其组成的配比和爆炸分解条件的变化而不同，迄今为止还未得出适合一切情况的反应方程式。根据目前发射药的配方(硝酸钾75%：炭15%：硫10%)，其爆炸分解反应为：
74KNO3+32S+16C6H2O→56CO2+14CO
+3CH4+2H2S+4H2+35N2+9K2CO3
+7K2SO4+2K2S+8K2S2O3+2KCNS
+(NH4)2 CO3+C+3C
发射药燃烧生成物的性质与压力(装填密度)无关，只与黑火药的组成有关。燃烧生成物的数量决定于压力(装填密度)及黑火药的物理性质(药的密度，大小形状，分成均匀度等)。
3.2爆燃分解速度
少量发射药在大气中点燃时，只燃烧而不爆炸；在密闭容器中少量发射药装填密度很小时仍为速燃式分解。装填密度小于0.6g/cm3,在2000～2500大气压力下，发射药的分解速度也只能达到10cm/s～11cm/s。
在密闭容器内情形就不一样，当发射药装填密度超过了1.0g/cm3,其分解速度可达400m/s，若同时有6-8个点火源时，分解速度最大限度可达600m/s～700m/s。
采用很大的装填密度，再采用威力大的激发冲量点火，发射药的分解速度可剧增至2000m/s～3000m/s，达到了爆轰速度。基本上发射药达不到爆轰速度，所以一般称为爆燃。
4. 结束语
发射药生产企业虽然都采用经典的配方(75:15:10)生产，但产品质量却差别很大。发射药的生产固然与配比、工艺有关，但技术人员、管理人员的素质却决定了产品的质量命运。
发射药使用企业使用同等质量的产品，生产出同样的花炮产品效果也千差万别。如何利用发射药的性质，因势力导，也是技术人员的责任。
只有加深对发射药性质的了解，才能做到更好的生产和运用。但愿此文会对发射药的生产者和使用者有一定的帮助作用。
注：参考书目
1. 爆破器材丛书——黑火药
1978年3月出版 晋东编
2. 化工词典（第四版）
著作者：王箴
出版社：化学工业出版社
出版日期：2002-2-1
2． 烟火学原理
作者：希特洛夫斯基著
出版社：国防工业出版社
出版日期：1958年
来源：湖南省工艺美术协会 时间：2009-01-19 22:22:57
