4. Изготовление пиротехнических составов

XIX столетие стало началом новой эпохи в развитии военной промышленности. Чёрный порох, который можно было бы назвать краеугольным камнем действующих армий, постепенно начал уступать место новым взрывчатым веществам. Так произошло из-за бурного развития химической промышленности, в следствии чего взрывчатыми веществами теперь считались, по большей части, синтетические органические нитросоединения.

Учёные обнаружили, что при воздействии азотной кислоты на вещества из органической химии, получались продукты, обладающие очень сильными взрывными свойствами. Всё дело в высокой прочности тройной связи между атомами в молекуле N₂, образующейся при сгорании вещества.При образовании свободного азота высвобождается огромное количество энергии и тепла.

Второй особенностью реакции взрыва азотистых веществ стала их высокая скорость. Из-за ее большой величины выделяющиеся газы и тепло не успевают рассеяться, вследствие чего создают, вызывают высокую разрушительную силу. Например, при взрыве чёрного пороха давление в 6 тысяч бар развивается за тысячную долю секунды, а при взрыве нитроглицерина за миллионную долю секунды газыдостигают давления в 270000 бар[8, С. 51.].

Учёные разных стран создавали всё новые виды взрывчатки, а военные, желающие заполучить более мощное средство для уничтожения противника, активно поддерживали их. Например, накануне Русско-Японской войны, учёными страны восходящего солнца была создана новая взрывчатка «шимоза». Это название наводило ужас на всю армию Российской Империи. Дело в том, что ее составе использовалась тринитрофеноло-алюминиевая смесь, последний компонент которой в разы увеличивал температуру взрыва любой из взрывчаток. Таким образом, снаряды орудий японского флота наносили более высокий урон и крушили корабли с Андреевским флагом, превращая их в груды обугленного металла. Чтобы осознать мощь их действия стоит помнить, что снаряды обладали осколочно-фугасным действием и не являлись бронебойными.

Вещества, входящие в пиротехнический состав (смесь) можно разбить на следующие категории:

• Окислители. Это вещества, которые могут отдавать кислород при повышенной температуре. В закрытых камерах, где применяется взрывчатый состав, выделяемый газ имеет высокую концентрацию, вследствие чего легко сжигает топливо, выделяя большое количество энергии. К окислителям относятся хлораты, перхлораты, нитраты, сульфаты, перманганаты, хроматы, перекиси и оксиды металлов.
• Горючие. Это топливо, которое является восстановителем в химической реакции горения. Именно оно при своём сгорании в атмосфере концентрированного кислорода выделяет большое количество энергии, провоцируя взрыв. В качестве горючего часто применяют уголь, серу, некоторые металлы, например Al и Mg. Горючее, в зависисмости от степени выделяющегося при его сгорании тепла, делят на низкокалорийное, среднекалорийное и высококалорийное.
• Цементаторы (склеиватели). Чаще всего, это органические полимерные материалы, обеспечивающие механическую прочность прессованных изделий.
• Вещества, сообщающие окраску пламени. Различные добавки, которые при сгорании меняют цвет пламени. Добавляются в пиротехнику в зависимости от её назначения.
• Дымообразователи (в том числе и цветных дымов). Вещества, которые так же добавляют лишь при необходимости. К ним могут относиться NH₄Cl, C₂Cl₆ и другие вещества.
• Специальные вещества. В эту категорию входят флегматизаторы, уменьшающие чувствительность смеси к различным воздействиям; стабилизаторы, увеличивающие химическую стойкость смеси; вещества, увеличивающие или замедляющие процесс горения и прочее.

5. Возможные экзотермические реакции

Любая химическая реакция протекает с разрывом связей между атомами и образованием других новых связей. Очевидно, тепло будет выделяться в том случае, когда разрываемые связи будут слабыми, а вновь образуемые - более прочными. Это показывают примеры выше.

Наиболее прочные связи образуются при соединении атомов элементов,

противоположных по своим свойствам, т. е. типичных металлов с типичными неметаллами, например, фтором или кислородом. При взаимодействии их образуются ионные соединения. При соединении между собой неметаллов (элементов VA— VIIA групп периодической системы) имеем полярные соединения и большей частью энергетически малопрочные связи.

Фтор и кислород являются при обычных условиях газами, что исключает возможность их применения в пиротехнических изделиях. В качестве окислителей можно было бы использовать соединения, в которых кислород или фтор были бы слабо связаны с другими неметаллами. Однако большинство таких соединений являются или газами или низкокипящими жидкостями, как, например, ClF₃, OF₂, NF₃, N₂F₄, SF₆, Сl₂O₇, CIO₂, NO₂, N₂O₄ и другие вещества[9, С. 8.].

Это обстоятельство, а также токсичность и слишком большая химическая активность этих веществ в большинстве случаев препятствуют их практическому применению.

Этого в значительной степени можно избежать, если оксиды неметаллов (ангидриды)соединить с оксидами металлов, например:

Cl₂O₇+K₂O=2KClO₄;

N₂O₅+K₂O=2KNO₃ и прочие.

При этом образуются соли, по своим свойствам вполне пригодные для использования.Они менее активны с химической точки зрения, порошки их при обычной температуре могут быть смешиваемы с горючими,и смеси эти являются достаточно химически стойкими. Так обычно применяемые в пиротехнике окислители: перхлораты и нитраты щелочных (или щелочноземельных) металлов, например, КСlO₄, КNО₃, Ва(NО₃)₂ и другие. Они удобны для использования, но, конечно, значительно менее выгодны энергетически, чем элементарный кислород.

Горение пиротехнического состава – это окислительно-восстановительная реакция, в которой окисление горючих веществ идет одновременно с восстановлением окислителей.

По степени гомогенности начальной системы различают несколько видов горения:

• Горение твердого или жидкого топлива за счет кислорода воздуха - это гетерогенное горение.
• Горение взрывчатых газовых (или жидких) смесей или индивидуальных взрывчатых веществ — это горение гомогенное.

Пиротехнические составы — механические смеси твердых, тонко измельченных компонентов — по своему состоянию находятся посередине между конденсированным топливом и индивидуальными веществами (или гомогенными смесями).Степенью гомогенности определяются многие свойства пиротехнических составов.

Горение пиротехнических составов осуществляется теплопередачей из зоны реакции, к слоям, в которых идет подготовка к этому процессу. На том же принципе основано и воспламенение пиротехнических составов. Для возникновения горения, необходимо создать местное повышение температуры в составе; это достигается обычно непосредственным воздействием на состав горячих пороховых газов или применением специальных воспламенительных компонентов.

Когда взрывчатая смесь приводится в действие огневым импульсом и горние его происходит в открытом пространстве, то скорость горения его невелика (обычно несколько мм/с).

Если же горение происходит в замкнутом пространстве или если в качестве инициатора используется капсюль-детонатор, то существует вероятность возникновения взрыва.

Для нормального действия состава необходимо его подготовить.

Начать стоит с измельчения компонентов, чтобы они его были смешаны равномерно. В хорошо изготовленном составе, за исключением термита частицы компонентов обычно уже неразличимы простым глазом [10, С. 20.].

Далее идёт уплотнение смеси веществ, при этом достигается замедление горения, уменьшение объема, занимаемого им в изделии, и сообщение составу большой механической прочности. В большинстве изделии вещества используются в спрессованном виде.

Подготовка компонентов чаще всего неопасна. Взятые в отдельности вещества в большинстве случаев нечувствительны к механическим воздействиям (например, удару или трению) и не обладают взрывчатыми свойствами.

Однако,слово «безопасность» - этоне о горючих веществах, рассеянных в воздухе в виде пыли. Известны случаи взрывов алюминиевых частиц. В некоторых случаях удар или трение могут вызвать воспламенение подобных веществ. Так, например, наблюдалось горение и взрыв красного фосфора при протирании его через металлические сита.

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 веществами, то есть пиро составы, чувствительных к механическим импульсам и при ударе или трении может возникнуть взрыв. Поэтому приготовление и прессование составов, как правило, являются опасными операциями.