§ 3. Осветительные составы

Составы, образующие при горении сильный свет, применяются для освещения местности. Для фотосъемок служат специальные фотоосветительные составы (фотовспышки).

Химическая энергия реакции горения, происходящей в освети­тельных составах, частично переходит в световую. При этом обра­зуется интенсивное белое пламя.

Для осветительного пламени с большой силой света необходимы следующие условия:

1) химическая реакция горения должна протекать с большой скоростью;

2) при горении должно выделяться много тепла, т. е. реакция должна быть высоко экзотермичной;

3) температура, развиваемая реакцией, должна быть высокой (доходить до 2500—3000°);

4) в результате реакции должны образовываться и газообразные и твердые (или жидкие) продукты, которые определяют появление интенсивного белого пламенного свечения.

При горении осветительного состава происходит термическое излучение раскаленных твердых и газообразных частиц. Твердые частицы излучают сплошной (непрерывный) спектр, а газообраз­ные — прерывчатый; при этом раскаленная газовая фаза пламени поглощает часть излучаемой световой энергии, образуя обращенный спектр. Таким образом, при горении пиротехнических осветительных составов получается сложный спектр. Его можно рассматривать как сплошной спектр с некоторым количеством темных линий и по­лос поглощения (обращения), а также ярких линий и полос излуче­ния газовой фазы пламени. В результате человеческий глаз воспри­нимает этот спектр как белый свет, оттенок которого зависит от относительного преобладания линий и полос спектра той или иной длины волны.

Наибольшая чувствительность человеческого глаза к желтым лучам объясняется тем, что глаз больше всего приспособлен к свету солнца. Солнце излучает желтых лучей больше всех других. Тем­пература солнца доходит приблизительно до 6000°; такой темпера­туры осветительные составы не дают, и поэтому от чисто термиче­ского излучения при горении составов преобладания желтых или близких к ним по длине волны зеленых лучей не может быть. Однако осветительные составы, основанные на использовании физиологи­ческого действия света, должны давать пламя желтого или желто-зеленого оттенка. Для этой цели в осветительные составы вводятся п л а м е н н ы е д о б а в к и, т. е. вещества, которые при темпе­ратуре горения состава излучают световые лучи в желтой и зеленой частях спектра. Соединения натрия дают желтое, а соединения ба­рия — желто-зеленое пламя.

Таким образом, в осветительный состав должны входить следую­щие компоненты: окислитель, горючее, пламенная добавка и цементатор. Однако основные компоненты часто выбирают с таким расчетом, чтобы они сами играли роль пламенных добавок, напри­мер, в качестве окислителя употребляют соль бария.

Роль каждого из этих компонентов в составе различна. При вы­боре их следует учитывать характер тех продуктов, которые полу­чаются в результате реакции горения. Среди них обязательно должны быть газообразные продукты, без которых не может появиться пламя. Однако большое преобладание газообразных продуктов пони­зит температуру реакции и снизит световой эффект. Поэтому около половины всех продуктов реакции горения должны составлять твер­дые вещества. Для получения интенсивного белого цвета необходимо, чтобы среди этих твердых продуктов реакции были тугоплавкие вещества, способные излучать свет при температуре горения составов.

Для получения высокой степени экзотермичности реакции го­рения состава, которая способствует увеличению светоотдачи, при­меняют горючие с большой калорийностью. От окислителей для той же цели требуется затрата возможно меньшего количества тепла на их разложение; следовательно, желательны окислители с мини­мальной положительной теплотой образования.

Наиболее пригодными горючими для осветительных составов оказываются металлы — магний и алюминий. Они обладают срав­нительно высокой калорийностью.

Магний при окислении в MgO выделяет 146 кал/мол, алюминий при окислении в АI₂O₃ выделяет 385 кал/мол. Вследствие большего теплового эффекта, даваемого алюминием при окислении, составы с ним дают силу света, большую, чем составы с магнием. Однако присутствие алюминия вызывает искрение состава при горении.

Искрение может быть ф о р с о в ы м и ш л а к о в ы м. Форсовое искрение вызывается неполным сгоранием частиц алю­миния в составе; несгорающие частицы выносятся газами за пределы пламени и догорают в окружающем воздухе. Форсовый свет пони­жает силу света состава. Шлаковое искрение появляется вследствие разбрасывания раскаленных частиц твердых продуктов горения (шлаков), образующих искры.

Для уменьшения искрения применяют сильно измельченный алю­миний; он способствует более полному протеканию реакции горения. Кроме того, можно уменьшить скорость реакции и газовую фазу про­цесса, однако, уменьшая искрение, это вместе с тем снижает силу света.

В составах с магнием реакция горения протекает очень бурно, с большой скоростью вследствие большой реакционной способно­сти магния. Кроме того, магний кипит при температуре около 1100°, а следовательно, часть процесса окисления происходит в присут­ствии парообразного магния. Низкая температура испарения маг­ния приводит к тому, что некоторая часть магния в составах не используется по назначению: магний успевает испариться до сгора­ния. Для осветительных составов иногда используют смеси магния и алюминия или их сплавы.

В качестве окислителя для осветительных составов большей частью применяют азотнокислый барий. При горении составов с азотнокислым барием образуется окись бария, при температуре горения состава она излучает яркие линии и полосы в желто-зеленой части спектра. Таким образом, давая кислород для реакции горения, нитрат бария одновременно служит и пламенной добавкой.

Цементатор вводится в состав для придания механической проч­ности при прессовании и для уменьшения скорости реакции. Цементаторами в большинстве случаев служат органические смолы пли масла (олифа). Они сгорают за счет кислорода окислителя, образуя газообразные продукты. Увеличение при этом количества газо­образных продуктов реакции понижает температуру реакции и уменьшает ее скорость. Поэтому цементаторы и флегматизаторы сни­жают силу света, даваемую составом. Меньше других снижает све­товой эффект состава шеллак.

Как было сказано, наиболее часто употребляются осветительные составы, основанием которых служит двойная смесь: бариевая се­литра + металл (магний или алюминий).

Приведем рецепт состава, основанного на взаимодействии азотно­кислого бария и магния (в проц.):

Азотнокислого бария ………………………………………74

Магния…………………………………………………………20

Шеллака ………………………………………………………..6

Шеллак служит цементатором.

Аналогичный рецепт осветительного состава применяется для снаряжения английских осветительных снарядов (в проц.):

Азотнокислого бария ………………………….………. 66

Магния (в порошке)………………………………………30

Шеллака …………………………………………………...4

Рецепт состава с алюминием (в проц.):

Азотнокислого бария ………..…….…………………………68

Алюминия (в пудре) ……………….…………………………14

Алюминия (в порошке)……………………………………….14

Шеллака …………………………………………………………4

Часто применяется смесь металлов, например, в следующем со­ставе (в проц.):

Азотнокислого бария …………………………...……………75

Алюминия ……………………………………………………...18

Магния …………………………………………………………4

Олифы ………………………………………………………….. 3

В некоторые составы для улучшения реакции горения п для об­легчения воспламенения вводится пороховая мякоть, как, напри­мер, в составы, применяемые в снарядах системы Погребнякова¹ (в проц.):

Азотнокислого бария …………………………………………80

Алюминия ………………………………………………………15

Пороховой мякоти ……………………………………………...5

Олифы (сверх 100°) …………..…………………………..……6 ч.

Применение металлов вызывает некоторые недостатки в соста­вах. Энергичное взаимодействие металлов с водой может вызывать самовоспламенение составов при хранении; сильное распыление металлов создает неудобства в производственном процессе; кроме того, магний и алюминий сравнительно дороги.

Все эти недостатки вызвали необходимость заменить магний п алюминий в составах другими веществами.

Одна из немецких фирм (Geka-Werke) выработала рецепты осве­тительных составов без металлов; в этих составах в качестве горю­чего используются твердые смолы, например (в весовых частях):

1. Азотнокислого бария ....………………………... 60

Азотнокислого стронция .…………………………….... 10

Перекиси марганца ....………………………………….... 1

Твердой смолы ………………………………….............. 20

2. Азотнокислого бария ..….…………………...... 60

Азотнокислого стронция ………..………………........ 15

Перекиси бария …………………………………............ 30

Смолы..…………………………………………................ 20

Германский патент (№ 826761) предлагает в качестве осветительного состава следующую смесь:

Перекиси бария .………………..…………………………......... 34 ч.,

Ферросилиция (или кристаллического кремния) .......... 3 ч.

Во время империалистической войны 1914—1918 гг. в австрий­ской армии был предложен следующий рецепт осветительного со­става (в проц.):

Азотнокислого бария …………………………………….72,6

Алюминия ………………………………………………….21,8

Магния …………………………………………………………4

Парафина ……….…………..……………..............…… 1,6

В некоторых германских патентах (например № 314668) реко­мендуется употреблять пек в качестве горючего и связующего вещества (с применением органического растворителя, который высушивается после смешения состава).

По предложениям других патентов к обычным компонентам осве­тительных составов прибавляются добавки фтористых солей, напри­мер криолита 3NaF • AIF₃. Приводим один из предлагаемых соста­вов (в весовых частях):

Хлората калия ....…………………………….......... 180

Селитры ..………………………………………………15

Сплава алюминия и магния (1 • 1)………………170

Шеллака ..….…………………………………............. 40

Декстрина .………………………………….............. 12

Фтористых солей …………………………............ 40

Осветительные составы, применяемые для снаряжения пиротехни­ческих изделий, обычно спрессовываются под давлением 1000 кг/см"* и более. Величина давления, выбираемого для прессования состава, зависит от свойств состава и требований, предъявляемых к нему (скорость горения).

Чаще всего составу придают форму цилиндра, который назы­вается «звездкой».