煙花爆竹用爆響劑的發展研究

李娟 劉玲

摘 要：綠色環保是煙花爆竹當前的研究熱門。隨著技術的進步和發展，煙花爆竹用爆響劑經歷了有硫的黑火藥型、氯酸鉀型、高氯酸鉀型和低硫、無硫型四個階段。本文從爆響劑的配制、性能及應用等角度對爆響劑的研究進展進行了綜述，梳理了發展方向和趨勢。

關鍵詞：煙花爆竹;爆響劑;綠色環保

我國是世界上最大的煙花爆竹生產國和出口國，產品遠銷世界近百個國家和地區，約占全球生產量的90%。爆響劑作為煙花爆竹生產的一種重要煙火藥，經歷了幾個階段的發展變化，已漸漸成為煙花爆竹行業人員研究的重要內容。本文對爆響劑的配制、性能和特點等方面的研究進展進行了綜述，初步指出了爆響劑的發展趨勢，以期為煙花爆竹爆響劑的研究與發展提供參考。

1 黑火藥型爆響劑

煙花爆竹最初使用的爆響劑為黑火藥。黑火藥是我國古代的四大發明之一，是人類歷史上出現最早的火藥。它是由硝酸鉀、硫磺和木炭三種原料按一定比例制成的混合物，經典配方為硝酸鉀75%，硫磺10%，木炭15%。黑火藥具有其它火藥所不完全具備的特點[1]，其物理化學安定性好（據有關資料報道，存放二百余年也不會發生變質）;火焰感度大、易被點燃，燃燒速度快;火焰傳播速度快;壓力指數低;燃燒性能穩定，燃燒產物中含有大量灼熱的固體顆粒，點燃發射裝藥的能力強;原料豐富、來源廣，工藝簡單;成本低廉等。因為其不可比擬的優越性能，至今在煙花爆竹上仍有廣泛的用途。查閱《兵器工業科學技術辭典》，黑火藥的撞擊感度為52～60%爆炸（用卡斯特落錘儀測定，錘重l0kg，落高25cm），粒狀藥摩擦感度100%爆炸，粉狀藥40%爆炸（摩擦儀擺角90°，壓力392.3KPa）。由于黑火藥感度高，發火點低（290～310℃），在生產和運輸過程中，造成安全事故頻發。此外，黑火藥中含有硫磺，燃燒時產生二氧化硫、三氧化硫等有毒有害氣體，污染空氣。

2 氯酸鉀型爆響劑

從20世紀80年代開始，黑火藥中的硝酸鉀逐漸被氯酸鉀取代。氯酸鉀釋放氧氣速度快，燃燒反應劇烈，能夠迅速由燃燒轉爆轟。它獨特的煙火特性以及所具有的優越經濟性，使其成為了煙花爆竹生產時首選的氧化劑原材料。

隨著氯酸鉀的使用，煙花爆竹的事故逐漸增大。據統計，事故80%是由于藥物爆炸所導致，這與氯酸鉀特殊的煙火效應有著緊密的聯系[2]。這是因為：（1）氯酸鉀在分解放出氧氣時不需要從外部吸收熱量，而是放出熱量。（2）在酸性介質中有強氧化作用，與碳、硫、磷及有機物還原劑混合，受機械力時，易發生燃燒和爆炸。當氯酸鉀與硫磺配伍時，危險性變得更大，硫碎片侵入氯酸鉀晶格內部，使氯酸鉀晶格“松弛”，大大降低了發火溫度，在100℃左右即發火。（3）氯酸鉀單體收到外界能力沖擊時也會發爆炸[3]。用氯酸鉀配制的爆竹開爆藥沖擊感度、摩擦感度都是100%。因此，國務院辦公廳2002年《關于加強民用爆炸物品管理的通知》以及《煙花爆竹安全與質量》（GB10631-2004），明確了氯酸鉀在煙花爆竹生產中的使用范圍。氯酸鉀不能再作為爆響劑中的氧化劑在爆竹生產中使用。氯酸鉀統治地位正式結束。

3 高氯酸鉀型爆響劑

氯酸鉀禁用后，尋求一種安全且爆炸威力大的爆響劑氧化劑成為煙花爆竹行業的焦點。有研究者研制了不同類型的氧化劑，如硝酸鉀與硝酸鋇的復合氧化劑、“康安一號”等新型氧化劑。大部分由于爆炸力不足、效果不佳、易吸潮等缺陷遭到淘汰。普遍使用的氧化劑為高氯酸鉀，其經典爆響劑配方為高氯酸鉀、鋁粉、硫磺和珍珠巖。其中鋁粉和硫磺為還原劑，珍珠巖是為了減少裝藥而添加。該配方通過發生氧化還原反應產生熱量和放出氣體[4-5]。按照理想狀態，氧化還原反應為零氧平衡時，反應效能為最佳，此時，所有的反應物恰好完全反應。高氯酸鉀分解放出1g氧氣，1g硫磺燃燒消耗1g氧氣，1.12g鋁粉燃燒消耗1g氧氣。在零氧平衡時，高氯酸鉀分解放出的氧氣等于硫磺和鋁粉燃燒所消耗的氧氣。通過計算可以得到各組分含量。計算過程如式1所示。

假設高氯酸鉀為x，則硫磺為1-0.15-x

X2.17=0.85-x+0.151.12式1

考慮煙火藥的反應還會有氧氣參與，因此配制成負氧平衡為最佳。爆響劑最佳配方之一為：高氯酸鉀65%，鋁粉15%，硫磺20%。

4 低硫、無硫爆響劑

爆響劑中硫磺和珍珠巖的加入會使爆竹爆炸時產生大量二氧化硫和珍珠巖粉塵（即二氧化硅），污染環境。研發少硫、無硫、微煙、少煙安全環保爆響藥劑，實現煙花爆竹過程安全型和產品環保型成為煙花爆竹新的起點。

2016年楊吉明[6]等人發明了一種低硫爆竹藥劑及其制備方法。低硫爆竹藥劑包括氧化劑和可燃劑，氧化劑包括高氯酸鉀和硝酸鋇主要組分，以及氣相二氧化硅和酒石酸和/或酒石酸鉀鈉添加劑組分;可燃劑包括鎂鋁合金和硫磺;該低硫爆竹藥劑原料成本低，制備方法簡單，將其用于煙花爆竹，爆響度、接火能力、燒成率及貯存穩定性等優異，且對環境污染小及對人體傷害小。

2012年，楊世均[7]等人發明了無硫爆響藥，氧化劑為高氯酸鉀和硝酸鋇，還原劑為鋁粉，填充劑為珍珠巖。該爆響藥不含硫，安全可靠，無硫磺所帶來污染。2013年黃玉國[8]發明了無硫爆竹藥物，是由高氯酸鉀、鋁粉和珍珠巖粉三種成份組成;或由高氯酸鉀、鋁粉、珍珠巖粉和合金粉四種成分組成;或由高氯酸鉀、鋁粉、珍珠巖粉、炭粉和合金粉五種成分組成。2014年顏頌華等人研制了無硫爆竹藥：高氯酸鉀、鋁銀粉、木炭為組成材料，以55：43：2為其質量比組分;2016年劉仲賢等人研制了無硫爆竹藥劑，包括組分為：氧化劑，銀粉，鈦鐵粉和/或硅鐵粉，其中氧化劑選自高氯酸鉀與硝酸鋇混合組成的復合氧化劑或者高氯酸鉀。2017年徐高升[9]發明了無硫爆竹藥，由高氯酸鉀、硝酸鋇、鋁銀粉和無硫復合材料配制而成;其中無硫復合材料包括以任意重量比混合的碳酸鹽和改性的通用高分子聚合物。該爆響劑藥物經檢驗熔點高、機械敏感度低、穩定性高，大大提高了生產安全性，燃放后無二氧化硫，無有毒有害物，對于環境無污染對于人體無危害環保安全。

2016年，辛坤亮[10]等人發明了一種無硫鞭炮開爆藥劑及其制備方法，其組分為高氯酸鉀40%～60%、鋁粉20%～40%、珍珠巖粉3%～5%、碳材料10%～20%、添加劑5%～10%，具有安全系數高，吸濕性小、無污染的特點，保持了原含硫藥劑的爆炸力度，且制備工藝簡單實用。2018年，張宏善[11]發明了一種安全無硫型煙花開爆藥、發射藥及其制備方法，組分為碳粉、高氯酸鉀、硝酸鉀，其撞擊感度和摩擦感度為零，安全環保，吸濕率低，性能穩定，著火點降低但又不會過低，易著火，安全性能高。

2018年劉庭亮[12]等人研制了一種無硫煙花開爆藥。該開爆藥以KClO4為氧化劑、鄰苯二甲酸氫鉀（C8H5KO4）作為燃燒劑和助氧劑、C粉為還原劑和引燃劑。在摩擦感度、撞擊感度、著火點、爆發點、火焰感度及靜電感度方面的安全性能優于白開爆藥和黑火藥，吸濕率三者相近，安全且使用性能高。

5 結論

近年來，隨著煙花爆竹技術的不斷提高，爆響劑向著綠色環保、安全可靠的方向發展。低硫、無硫爆響劑性能穩定，安全可靠，燃放后對環境污染少，在構筑綠色環保煙花爆竹方面具有廣闊的前景，也是未來爆響劑不斷向前的重要方向。

（1）爆響劑配方中不再使用硫磺、珍珠巖等產生有毒有害氣體和粉塵的物質，真正實現了綠色和環保。

（2）爆響劑性質穩定，效果良好，各項指標均符合產品質量和安全標準要求。

參考文獻：

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[6]楊吉明，李娟，李高峰.一種低硫爆竹藥劑及其制備方法[P].中國：CN201610496889.6.2016.

[7]楊世均，王余糧，楊世勇.一種新型爆竹用無硫爆響藥[P].中國：CN201210215773.2.2012.

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[9]徐高升，李培森，王琛.無硫鞭炮藥[P].中國：CN201710079788.3.2017.

[10]辛坤亮，辛坤榮.一種無硫鞭炮開爆藥劑及其制備方法[P].中國：CN201610588321.7.2016.

[11]張宏善.一種安全無硫型煙花開爆藥、發射藥及其制備方法[P].中國：CN201810574709.0.2018.

[12]劉庭亮.一種無硫煙花開爆藥的開發及應用研究[J].化工管理，2018，8：45-47.

項目基金：湖南省教育廳科學研究項目《環保型爆響劑的研究》（項目編號：16C0252）階段性研究成果

作者簡介：李娟（1982-），女，湖南岳陽人，碩士研究生，副教授，研究方向：煙花爆竹。