Основы пиротехники (стр. 43 )

Отношение интенсивности монохроматического излучения пламени Я/, к интенсивности всего видимого излучения Еобщ называется чистотой цвета пламени (р) и обычно выражается в процентах.

Так, например, чистота цвета пламени составов красного огня может быть выражена уравнением

E=Ea * 100 / Eобщ = E (0,62/0,76 мкм) * 100 / E(0,40 / 0,76мкм)

При расчетах Е и Еобщ можно выражать как в единицах светового потока — люменах, так и в пропорциональной люмену величине, т. е. в свечах.

В некоторых случаях для определения чистоты цвета удобнее пользоваться выражением

p=Ea *100/Ea+Eбел

где Ебел — интенсивность белого цвета, которым разбавляется монохроматическое излучение.

Отметим, что обычный белый цвет может быть получен смешением 1/3 красного, 1/3 зеленого и 1/3 синего световых потоков.

.Вещества, находящиеся в газообразном состоянии в пламени, дают прерыаный спектр излучения — линейчатый или полосатый.

Следовательно, в пламени сигнальных составов, в противоположность осветительным пламенам, должно преобладать излучение газовой фазы.

Линейчатый спектр излучения дают только одноатомные пары и газы, почему он и получил название атомарного. Линии в таком спектре располагаются закономерными характерными группами, называемыми сериями.

Для получения цветного пламени на основе атомарного излучения используют элементы, имеющие яркие спектральные линии только в какой-либо одной части спектра. В первую очередь к таким. элементам относятся натрий, а также литий, таллий и индий.

Натрий имеет яркую желтую линию 0,589 мкм, литий — красную 0,671 мкм и оранжевую 0,610 мкм, таллий—зеленую 0,535 мкм и индий — синюю 0,451 мкм. Соли этих металлов при высоких температурах (1000° С и выше) легко диссоциируют, в результате чего в 'пламени появляется линейчатый спектр паров металла.

Атомарное излучение паров. натрия широко используется в составах желтого огня.

Излучение лития, таллия и индия в сигнальных огнях не используют вследствие дефицитности соединений этих металлов.

Полосатый спектр состоит из полосы или ряда полос, приходящихся на различные участки спектра. Однако при помощи спектроскопа, дающего большую дисперсию, можно заметить, что полосы состоят из большого числа весьма близко расположенных друг к другу линий.

Полосатый спектр получается при излучении молекул веществ, находящихся в газообразном состоянии, и поэтому его называют молекулярным спектром.

§ 3.РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТОВ СОСТАВОВ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОМПОНЕНТАМ

1. Количество энергии, выделяющееся при торении состава, должно быть достаточным для возбуждения или ионизации находящихся в пламени атомов или молекул.

Достаточно мощное цветное излучение получается при сжигании составов, теплота горения которых не меньше 0,8 ккал/г (3,4кДж/г).

2. При использовании молекулярного излучения температура пламени не должна превышать некоторого предела, при котором уже наблюдается диссоциация молекул излучателей.

Так, например, температура зеленых пламен не должна превышать 2000° С.

3. В пламени должно быть лишь небольшое количество твердых продуктов реакции.

Введение в составы большого количества (15—20%) порошков металлов (магния или алюминия), дающих при сгорании труднолетучие оксиды, сильно увеличивает яркость пламени, но вместе с тем ухудшает его цветность.

4. Компоненты состава должны быть подобраны таким образом, чтобы нежелательное излучение газообразных продуктов реакции в других частях спектра было по возможности минимальным. Это достигается соответствующим подбором окислителя, а также и других компонентов состава.

5. Получающиеся при горении составов вещества, сообщающие окраску пламени, должны быть легколетучими и уже при 1000—1200° С полностью переходить в парообразное состояние. Поэтому для получения цветного пламени часто используют излучение хлоридов щелочноземельных металлов.

Составы сигнальных огней обычно содержат следующие компоненты:

1) окислители;

2) органические горючие — связующие;

3) соли, окрашивающие пламя. Кроме того, в составах довольно часто присутствуют:

4) вещества, улучшающие окраску пламени,—хлорорганические соединения;

5) неорганические горючие — порошки магния или алюминия.

Окислители должны быть солями того металла, соединения которого обеспечивают требуемую окраску пламени: в составах желтых огней — это соли натрия, в красных — соли стронция и т. д. Если же это по какой-либо причине (например, гигроскопичность соли) не представляется возможным и используемый окислитель является солью другого металла, то продукты разложения его должны слабо излучать в пламени. В качестве таких окислителей часто используют соли калия.

Органические связующие не должны портить окраску пламени состава.

Идеальными связующими явились бы такие вещества, которые при сгорании давали бы почти бесцветные пламена, подобные тем, какие дают при горении на воздухе сера, водород или окись углерода.

Известно, что если органические вещества содержат не менее 50% кислорода, то. пламя при их горении - будет почти бесцветным.

Желтая окраска пламени, получающаяся при сгорании на воздухе высокоуглеродистых органических веществ, объясняется наличием в пламени несгоревших частиц углерода.

Большинство составов сигнальных огней имеет отрицательный кислородный баланс, что отнюдь не благоприятствует полному сгоранию связующего.

Поэтому органические вещества, употребляемые для изготовления сигнальных составов, должны содержать по возможности максимальное количество кислорода; особенно актуальным это требование является для составов зеленого огня.

Элементарный состав многих органических веществ-свя-зующих приведен в табл. 4.2; из рассмотрения ее следует, что одним из лучших связующих, с этой точки зрения, является идитол и наихудшими — канифоль и резинаты.

Крахмал и сахар не являются связующими, но ввиду большого содержаяия в них'кислорода частичная замена ими связующих является вполне возможной и. иногда даже 'выгодной.

В некоторых литературных источниках указывается, что в составы цветных огней полезно вводить некоторое количество уротропина — C6H12N4. Он содержит 51,4% углерода; 8,6% водорода; 40,0% азота, имеет отрицательную теплоту образования, торит на воздухе почти бесцветным пламенам. Цементирующими свойствами уротропин не обладает.

Поливинилхлорид — вещество, наиболее часто применявшееся во время второй мировой войны в составах сигнальных огней, имеет формулу (СН2=СНС1)n Это — белый порошок с температурой размягчения около 80° С, плотность его 1,4 г/см3, содержание хлора 56%. Поливинилхлорид растворим в дихлорэтане и других хлорзамещенных алифатических углеводородах, пластифицируется трикрезилфосфатом или дибутилфталатом. При нагревании примерно до 160° С начинается разложение поливи-нилхлорида с выделением хлористого водорода.

§ 4. СОСТАВЫ ЖЕЛТОГО ОГНЯ

Для получения желтого пламени в пиротехнике используется только атомарное излучение натрия.

Входящие в составы натриевые соли должны легко диссоци-ировать при высоких температурах, иметь возможно большее содержание натрия и по возможности быть негигросколичными.

Интенсивность свечения линии натрия. в пламени пропорциональна введенному в пламя. количеству натрия.

Кроме желтой D-линии натрия (0,589 мкм), при высоких температурах могут появляться и другие линии натрия, но интенсивность их мала и практического значения они не имеют.

Наибольшее количество солей натрия можно ввести в состав в том случае, если в качестве окислителя используется нитрат натрия. Эта соль, несмотря на ее гигроскопичность, применялась в составах желтого огня во время второй мировой войны.

Из других окислителей в составах желтых огней используются почти исключительно соли калия; в пламени в этом случае возникает атомарное излучение калия, но его линии имеют малую интенсивность и поэтому наличие в составе соединений калия почти не отражается на чистоте цвета пламени, равной 80— 85%. В качестве окислителей используются нитрат калия (КNОз), а также перхлорат калия. В качестве солей, окрашивающих пламя в желтый цвет, в этом случае чаще других применяются оксалат или фторид натрия, а также другие соли натрия (табл. 14.1). Вследствие незначительной растворимости в воде эти соли малогигроскопичны.

Старые рецепты составов желтого огня содержат часто в качестве окислителя хлорат калия и в качестве горючего — орга-

Таблица 14.1

	Содер	Плот	Растворимость
Вещество, формула	жание натрия,	ность соли,	соли (в г) в 100 г раствора	Примечание
	вес, %	г/см3	при 20°С
Оксалат натрия Na2C2O4	34	2,3	3,7	Разложение с образова
				нием Nа2СО3 и СО начи
				нается при 200° С
Фторпд натрия NaF	55	2,7	4,1	tn л == 9У^ С
				<кип=1695°С
Криолит Na3AIF6	33	2,9	Трудно	tn л =820° С
			растворим
Кремнефтористый нат	24	2,7	0,65	Диссоциирует при
рий Na2SiF6				ICW С почти полностью
				на 2NaF+SiF4

ническое связующее. Так, например, известен состав: 60% КСlOз, 25% Na2C2O3, 15% идитола. Продуктами его горения являются КС1, Na2CO3, Н2О, С02 и СО. Состав этот выделяет при сгорании мало тепла — меньше 1,0 ккал/г (4,2 кДж/г),— и пламя его имеет небольшую силу света.

Составы, имеющие большую яркость пламени, содержат магний, а в качестве окислителя — нитраты калия или натрия.