Pyrotechnische samenstelling: classificatie, componenten, toepassing

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Een pyrotechnische samenstelling is een stof of mengsel van componenten die is ontworpen om een effect te produceren in de vorm van warmte, licht, geluid, gas, rook of een combinatie daarvan, als gevolg van zichzelf in stand houdende exotherme chemische reacties die plaatsvinden zonder ontploffing. Een dergelijk proces is niet afhankelijk van zuurstof uit externe bronnen.

Classificatie van pyrotechnische composities

Ze kunnen worden gedeeld door actie:

• Vurig.
• Rook.
• Dynamisch.

De eerste twee groepen kunnen worden onderverdeeld in kleinere typen.

Vurig: verlichtend, signaalnacht, lichtspoor en wat brandgevaarlijk.

De rookgroep bevat composities voor dagsignalering en maskering (mist).

Belangrijkste soorten vuurwerk

Het bovenstaande effect (licht, geluid, enz.) kan worden gecreëerd met behulp van deze componenten:

• Powderflits - brandt zeer snel, produceert explosies of heldere lichtflitsen.
• Gunpowder - brandt langzamer dan poeder, stoot een grote hoeveelheid gassen uit.
• Vaste stuwstof - produceert veel hete dampen die worden gebruikt als bronnen van kinetische energie voor raketten en projectielen.
• Pyrotechnische initiatoren - produceren grote hoeveelheden hitte, vlammen of hete vonken die worden gebruikt om andere composities te ontsteken.
• Ejection Charges - brand snel, produceer veel gas in korte tijd, gebruikt om ladingen uit containers te lossen.
• Explosieve ladingen - branden snel, produceren een grote hoeveelheid gas in korte tijd, gebruikt om de container te pletten en de inhoud te dumpen.
• Rookcomposities - brand langzaam, produceer mist (effen of gekleurd).
• Vertraging treinen - flitsen met een constante rustige snelheid, gebruikt om vertragingen in de vuurreserve te introduceren.
• Pyrotechnische warmtebronnen - geven een grote hoeveelheid warmte af en verspreiden praktisch geen gassen, langzaam brandend, vaak thermietachtig.
• Sparklers - produceren witte of gekleurde vonken.
• Knippert - brand langzaam, creëer een grote hoeveelheid licht, gebruikt voor verlichting of signalering.
• Kleurrijke vuurwerkcomposities - produceer lichte, witte of veelkleurige vonken.

Toepassing

Sommige technologieën van pyrotechnische samenstellingen en producten worden gebruikt in de industrie en de luchtvaart om grote hoeveelheden gas te genereren (bijvoorbeeld in airbags), evenals in verschillendebevestigingen en in andere soortgelijke situaties. Ze worden ook gebruikt in de militaire industrie waar grote hoeveelheden geluid, licht of infraroodstraling nodig zijn. Bijvoorbeeld lokraketten, fakkels en verdovingsgranaten. Een nieuwe klasse van reactieve materiaalsamenstellingen wordt momenteel onderzocht door het leger.

Veel pyrotechnische verbindingen (vooral die met aluminium en perchloraten) zijn vaak erg gevoelig voor wrijving, schokken en statische elektriciteit. Zelfs zo weinig als 0,1 tot 10 millijoule vonk kan bepaalde effecten veroorzaken.

Kruit

Dit is het beroemde zwarte poeder. Het is het vroegst bekende chemische explosief, bestaande uit een mengsel van zwavel (S), houtskool (C) en kaliumnitraat (salpeter, KNO 3). De eerste twee componenten fungeren als brandstof en de derde is een oxidatiemiddel. Vanwege de brandgevaarlijke eigenschappen en de hoeveelheid warmte en gas die het produceert, wordt buskruit veel gebruikt bij de vervaardiging van voortstuwingsladingen in vuurwapens en artillerie. Bovendien wordt het gebruikt bij de vervaardiging van raketten, vuurwerk en explosieven in steengroeven, mijnbouw en wegenbouw.

Indicatoren

Buskruit werd in de 7e eeuw in China uitgevonden en verspreidde zich tegen het einde van de 13e eeuw over het grootste deel van Eurazië. Oorspronkelijk ontwikkeld door de taoïsten voor medicinale doeleinden, werd het poeder rond 1000 na Christus gebruikt voor oorlogsvoering.

Gunpowder is ingedeeld inals een klein explosief vanwege de relatief lage ontledingssnelheid en lage brisance.

Explosieve kracht

Ontsteking van buskruit dat zich achter het projectiel bevindt, creëert voldoende druk om de snuit met hoge snelheid te laten vuren, maar niet krachtig genoeg om de loop van een geweer te doen barsten. Buskruit is dus een goede brandstof, maar door zijn geringe explosieve kracht is het minder geschikt voor het vernietigen van stenen of forten. Door voldoende energie over te brengen (van de brandende substantie naar de massa van de kanonskogel, en vervolgens van het naar het doel via slagmunitie), kan de bommenwerper uiteindelijk de versterkte verdediging van de vijand overweldigen.

Kruit werd veel gebruikt om granaten te vullen en werd gebruikt in mijnbouw- en civieltechnische projecten tot de tweede helft van de 19e eeuw, toen de eerste explosieven werden getest. Het poeder wordt niet meer gebruikt in moderne wapens en industriële toepassingen vanwege de relatief lage effectiviteit (vergeleken met nieuwere alternatieven zoals dynamiet en ammoniumnitraat of stookolie). Tegenwoordig zijn buskruitvuurwapens meestal beperkt tot jagen, doelschieten.

Pyrotechnische warmtebron

Pyrotechnische composities zijn een apparaat op basis van brandbare stoffen met een geschikte ontsteker. Hun rol is om een gecontroleerde hoeveelheid warmte te produceren. Pyrotechnische bronnen zijn meestal gebaseerd op thermietachtige (of samenstelling vertragende) brandstofoxidatiemiddelen met een lage verbrandingssnelheid,hoge warmteafgifte bij de gewenste temperatuur en weinig of geen gasvorming.

Ze kunnen op verschillende manieren worden geactiveerd. Elektrische lucifers en slagdoppen zijn de meest voorkomende.

Pyrotechnische warmtebronnen worden vaak gebruikt om batterijen te activeren, waar ze dienen om de elektrolyt te smelten. Er zijn twee hoofdtypen ontwerpen. Men gebruikt een smeltstrook (met bariumchromaat en verpoederd zirkoniummetaal in keramisch papier). Thermische pyrotechnische granulatiesamenstellingen lopen langs de rand om de verbranding te starten. De strip wordt meestal gestart met een elektrische ontsteker of stekker die stroom gebruikt.

Het tweede ontwerp maakt gebruik van een centraal gat in het batterijpakket waarin een hoogenergetische elektrische ontsteker een mengsel van brandbare gassen en gloeilampen vrijgeeft. Het ontwerp met een centraal gat kan de activeringstijd (tientallen milliseconden) aanzienlijk verkorten. Ter vergelijking merken we op dat bij apparaten met een randstrook deze indicator honderden milliseconden is.

Het inschakelen van een batterij kan ook met een shotgun-achtige slagprimer. Het is wenselijk dat de blootstellingsbron zonder gas is. Typisch bestaat de standaardsamenstelling van pyrotechnische mengsels uit ijzerpoeder en kaliumperchloraat. In gewichtsverhoudingen zijn dit 88/12, 86/14 en 84/16. Hoe hoger het perchloraatgeh alte, hoe groter de warmteafgifte (nominaal 200, 259 en 297 calorieën/gram). De grootte en dikte van ijzerperchloraattabletten hebben weinig effect op de brandsnelheid, maar weleffecten op dichtheid, samenstelling, deeltjesgrootte en kan worden gebruikt om het gewenste warmteafgifteprofiel aan te passen.

Een andere gebruikte samenstelling is zirkonium met bariumchromaat. Een ander mengsel bevat 46,67% titanium, 23,33% amorf boor en ongeveer 30% bariumchromaat. Ook verkrijgbaar zijn 45% wolfraam, 40,5% bariumchromaat, 14,5% kaliumperchloraat en 1% vinylalcohol en bindmiddelacetaat.

Reacties om intermetallische componenten van pyrotechnische samenstellingen te vormen, zoals zirkonium met boor, kunnen worden gebruikt wanneer gasloze werking, niet-hygroscopisch gedrag en onafhankelijkheid van omgevingsdruk gewenst zijn.

Warmtebron

Het kan een direct onderdeel zijn van de pyrotechnische samenstelling, bijvoorbeeld in chemische zuurstofgeneratoren wordt een dergelijk onderdeel gebruikt met een grote overmaat aan oxidatiemiddel. De warmte die vrijkomt bij de verbranding wordt gebruikt voor thermische ontleding. Met betrekking tot koude verbranding worden samenstellingen gebruikt om gekleurde rook te produceren of om een aerosol zoals pesticiden of CS-gas te verstuiven, waardoor de sublimatiewarmte van de gewenste verbinding wordt verschaft.

De fasevertragingscomponent van de samenstelling, die samen met de verbrandingsproducten een mengsel vormt met één duidelijke faseovergangstemperatuur, kan worden gebruikt om de vlamhoogte te stabiliseren.

Materialen

Pyrotechnische composities zijn meestal gehomogeniseerde mengsels van kleinebrandstofdeeltjes en oxidatiemiddelen. De eerste kunnen korrels of vlokken zijn. Over het algemeen geldt: hoe groter het oppervlak van de deeltjes, hoe hoger de reactiesnelheid en verbranding. Voor sommige doeleinden worden bindmiddelen gebruikt om het poeder in een vast materiaal te veranderen.

Brandstof

Typische soorten zijn gebaseerd op metallische of metalloïde poeders. De samenstelling kan verschillende soorten brandstof aangeven. Sommige kunnen ook als bindmiddel dienen.

Metalen

Veel voorkomende brandstoffen zijn:

• Aluminium is de meest voorkomende brandstof in veel klassen van mengsels, evenals een regulator van verbrandingsinstabiliteit. Vlam op hoge temperatuur met vaste deeltjes die het uiterlijk van kleurstoffen verstoren, reageert met nitraten (behalve ammonium) om stikstofoxiden, ammoniak en warmte te vormen (reactie traag bij kamertemperatuur, maar heftig boven 80 ° C, kan zelfontbranden).
• Magnalium is een aluminium-magnesiumlegering die stabieler en goedkoper is dan een enkel metaal. Minder reactief dan magnesium, maar ontvlambaarder dan aluminium.
• IJzer - maakt gouden vonken, een veelgebruikt element.
• Staal is een legering van ijzer en koolstof die vertakkende geeloranje vonken produceert.
• Zirkonium - Produceert hete deeltjes die nuttig zijn voor ontvlambare mengsels, zoals de standaardinitiator van NASA, en voor het onderdrukken van verbrandingsinstabiliteit.
• Titanium - produceert hete pyrotechniek en verbindingen, neemt toegevoeligheid voor schokken en wrijving. Soms wordt een Ti4Al6V-legering gebruikt die iets helderdere witte vonken produceert. Samen met kaliumperchloraat wordt het gebruikt in sommige pyrotechnische ontstekers. Het grove poeder produceert prachtige vertakkende blauwwitte vonken.
• Ferrotitanium is een ijzer-titanium legering die heldere vonken creëert die worden gebruikt in pyrotechnische sterren, raketten, kometen en fonteinen.
• Ferrosilicium is een ijzer-siliciumsubstantie die in sommige mengsels wordt gebruikt, soms ter vervanging van calciumsilicide.
• Mangaan - wordt gebruikt om de brandsnelheid te regelen, bijvoorbeeld in composities met een vertraging.
• Zink - gebruikt in sommige rooksamenstellingen samen met zwavel, dat wordt gebruikt als amateurbrandstof voor raketten, evenals in pyrotechnische sterren. Gevoelig voor vocht. Kan spontaan ontbranden. Zelden gebruikt als hoofdbrandstof (met uitzondering van rooksamenstellingen), kan het als extra component worden gebruikt.
• Koper - gebruikt als blauwe kleurstof met andere soorten.
• Messing is een legering van zink en koper die in sommige vuurwerkformules wordt gebruikt.
• Tungsten - gebruikt om de brandsnelheid van composities te regelen en te vertragen.

Het is vermeldenswaard dat het gevaarlijk is om met je eigen handen pyrotechnische composities te maken.