تركيبة الألعاب النارية

التركيبة النارية هي مادة أو خليط من المواد مصممة لإحداث تأثير عن طريق الحرارة أو الضوء أو الصوت أو الغاز/الدخان أو مزيج من هذه العناصر، نتيجة لتفاعلات كيميائية طاردة للحرارة ذاتية الاستدامة وغير انفجارية . لا تعتمد المواد النارية على الأكسجين من مصادر خارجية لاستمرار التفاعل.

الأنواع

الأنواع الأساسية لتركيبات الألعاب النارية هي:

  • مسحوق الفلاش – يحترق بسرعة كبيرة، وينتج انفجارات و/أو ومضات ضوئية ساطعة
  • البارود – يحترق ببطء أكثر من مسحوق الفلاش، وينتج كمية كبيرة من الغازات
  • المواد الدافعة الصلبة – تنتج كميات كبيرة من الغازات الساخنة، وتستخدم كمصادر للطاقة الحركية للصواريخ والقذائف.
  • المحفزات النارية – تنتج كمية كبيرة من الحرارة واللهب و/أو الشرر الساخن، وتستخدم لإشعال مواد أخرى.
  • مولدات الغاز - تنتج كمية كبيرة من الغاز، إما بحجم كبير في وقت قصير (للمشغّلات وشحنات القذف، وغالبًا ما تستخدم مواد دافعة صلبة) أو بمعدل تدفق متحكم فيه (مثل مولدات الأكسجين الكيميائية ، وغالبًا ما تستخدم تركيبات تشبه الثرميت).
  • شحنات القذف – تحترق بسرعة، وتنتج كمية كبيرة من الغاز في وقت قصير، وتستخدم لقذف الحمولات من الحاويات
  • شحنات متفجرة – تحترق بسرعة، وتنتج كمية كبيرة من الغاز في وقت قصير، وتستخدم لتفتيت حاوية وإخراج محتوياتها
  • تركيبات الدخان – تحترق ببطء، وتنتج دخانًا ، سادة أو ملونة
  • تركيبات التأخير – تحترق بسرعة بطيئة ثابتة، وتستخدم لإدخال تأخيرات في سلسلة الاحتراق
  • مصادر الحرارة النارية – تنتج كمية كبيرة من الحرارة وقليلًا من الغازات أو لا تنتج أي غازات على الإطلاق، وهي بطيئة الاحتراق، وغالبًا ما تكون تركيبات تشبه الثيرمايت
  • الألعاب النارية - التي تُنتج شرارات بيضاء أو ملونة
  • الشعلات الضوئية – تحترق ببطء، وتنتج كمية كبيرة من الضوء، وتستخدم للإضاءة أو الإشارة.
  • تشكيلات الألعاب النارية الملونة – تُنتج ضوءًا أبيض أو ملونًا

تُستخدم بعض تركيبات المواد النارية في الصناعة والفضاء لتوليد كميات كبيرة من الغاز في مولدات الغاز (مثل الوسائد الهوائية )، وفي أدوات التثبيت النارية ، وفي تطبيقات أخرى مماثلة. كما تُستخدم في الألعاب النارية العسكرية، عند الحاجة إلى إنتاج كميات كبيرة من الضوضاء أو الضوء أو الأشعة تحت الحمراء؛ مثل مشاعل تضليل الصواريخ ، ومساحيق الوميض ، وقنابل الصعق . ويجري حاليًا بحث فئة جديدة من تركيبات المواد التفاعلية من قِبل الجيش.

تتميز العديد من تركيبات الألعاب النارية - وخاصة تلك التي تحتوي على الألومنيوم والبيركلورات - بحساسية عالية للاحتكاك والصدمات والكهرباء الساكنة . حتى شرارة صغيرة تتراوح بين 0.1 و10 ملي جول يمكن أن تُشعل بعض الخلطات.

المواد المستخدمة

تتكون تركيبات الألعاب النارية عادةً من مخاليط متجانسة من جزيئات صغيرة من الوقود والمؤكسدات. قد تكون هذه الجزيئات حبيبات أو رقائق. وبشكل عام، كلما زادت مساحة سطح الجزيئات، زاد معدل التفاعل وسرعة الاحتراق. ولبعض الأغراض، تُستخدم مواد رابطة لتحويل المسحوق إلى مادة صلبة.

الوقود

تعتمد أنواع الوقود الشائعة على مساحيق المعادن أو أشباه المعادن . وقد يحدد تركيب مسحوق الوميض أنواعًا متعددة من الوقود. كما يمكن لبعض أنواع الوقود أن تعمل كمواد رابطة. ومن أنواع الوقود الشائعة:

  • المعادن
    • الألومنيوم - الوقود الأكثر شيوعًا في العديد من أنواع المخاليط، كما أنه مثبط لعدم استقرار الاحتراق. طاقة أقل لكل وحدة كتلة مقارنةً بالكربون، ولكنه يُنتج غازات أقل، مما يُحافظ على الحرارة في خليط التفاعل. لهب عالي الحرارة مع جزيئات صلبة، تتداخل مع مُلوِّنات اللهب. يتفاعل مع النترات، باستثناء نترات الأمونيوم، مُنتجًا أكاسيد النيتروجين والأمونيا والحرارة (يكون التفاعل بطيئًا في درجة حرارة الغرفة ولكنه عنيف عند درجات حرارة أعلى من 80  درجة مئوية وقد يشتعل تلقائيًا)؛ يمكن تثبيط التفاعل بواسطة حمض ضعيف، مثل حمض البوريك . يتآكل بفعل المواد القلوية. جزيئاته الرقائقية أسهل في الاشتعال وأفضل للألعاب النارية من الجزيئات الكروية. في وجود الرطوبة، يتفاعل مع كلورات البوتاسيوم وبيركلورات البوتاسيوم، مُنتجًا الهيدروجين. يتم اختيار حجم الجزيئات وفقًا لمعدل الاحتراق المطلوب. [ 1 ]
    • المغنيسيوم - أكثر حساسية وعنفاً من الألومنيوم، مما يزيد من احتمالية الاشتعال التلقائي أثناء التخزين. يُستخدم في الألعاب النارية لزيادة درجة حرارة اللهب. تأثيره على لون اللهب أقل من تأثير الألومنيوم.
    • المغناليوم – سبيكة من الألومنيوم والمغنيسيوم، أكثر استقرارًا وأقل تكلفة من المغنيسيوم؛ أقل تفاعلًا من المغنيسيوم، وأسهل اشتعالًا من الألومنيوم
    • الحديد – يُنتج شرارات ذهبية، ويُستخدم بكثرة
    • الفولاذ – وهو سبيكة من الحديد والكربون، يُنتج شرارات متفرعة صفراء برتقالية
    • الزركونيوم – ينتج جزيئات ساخنة، وهو مناسب لخلطات الاشتعال، مثل بادئ الاشتعال القياسي التابع لناسا ، كما أنه مثبط لعدم استقرار الاحتراق
    • التيتانيوم – ينتج جزيئات ساخنة، ويزيد من الحساسية للصدمات والاحتكاك؛ أحيانًا تُستخدم سبيكة Ti4Al6V التي تُعطي شرارات بيضاء أكثر سطوعًا؛ يُستخدم مع بيركلورات البوتاسيوم في بعض مشعلات الألعاب النارية ؛ المسحوق الخشن يُنتج شرارات زرقاء وبيضاء متفرعة.
    • الفيروتيتانيوم – سبيكة من الحديد والتيتانيوم، تنتج شرارات صفراء بيضاء ساطعة، وتستخدم في الألعاب النارية مثل النجوم والصواريخ والمذنبات والنوافير.
    • الفيروسليكون – سبيكة من الحديد والسيليكون، تُستخدم في بعض الخلطات، وأحيانًا كبديل لسيليسيد الكالسيوم
    • المنغنيز – يستخدم للتحكم في معدلات الاحتراق، على سبيل المثال في تركيبات التأخير
    • الزنك - يُستخدم في بعض تركيبات الدخان ، إلى جانب الكبريت المستخدم في بعض أنواع وقود الصواريخ القديمة للهواة، وكذلك في النجوم النارية؛ قد تتطلب التركيبات الثقيلة القائمة على الزنك قوة رفع إضافية للطيران على ارتفاع كافٍ؛ حساس للرطوبة؛ يمكن أن يشتعل تلقائيًا؛ نادرًا ما يُستخدم كوقود أساسي إلا في تركيبات الدخان، ويمكن العثور عليه كوقود ثانوي مُحسِّن
    • النحاس – يستخدم كملون أزرق مع أنواع الوقود الأخرى
    • النحاس الأصفر – سبيكة من الزنك والنحاس تُستخدم في بعض تركيبات الألعاب النارية، كمادة ملونة زرقاء لاحتوائها على النحاس
    • التنجستن - يستخدم للتحكم في معدلات احتراق المركبات وإبطائها، وكذلك في مركبات التأخير.
    • سبيكة الزركونيوم والنيكل – تُستخدم في بعض تركيبات التأخير العسكرية
  • هيدريدات المعادن ( حرارة احتراق أقل من المعادن النقية، ولكن حساسية/تفاعل متزايد مع الماء):
  • كربيدات المعادن
    • كربيد الزركونيوم - يُستخدم في بعض أنواع وقود الصواريخ، كما أنه مثبط لعدم استقرار الاحتراق
  • أشباه الفلزات
    • السيليكون - يتميز بدرجة حرارة لهب عالية، ويحترق منتجًا زجاجًا منصهرًا، ويستخدم في بعض تركيبات الإشعال وشحنات التأخير، وعادةً ما يُستخدم مع رباعي أكسيد الرصاص.
    • البورون - يستخدم في بعض مخاليط الاشتعال
    • الأنتيمون - يُستخدم في بعض الألعاب النارية لإضفاء تأثيرات لامعة ، وهو مادة سامة، ويحترق بلون أبيض ساطع؛ ويُستخدم عادةً بحجم 200-300 شبكة؛ وعند مزجه مع نترات البوتاسيوم والكبريت ينتج عنه لهب أبيض.
  • غير فلزية غير عضوية
  • قائم على الكربون
    • الكربون
      • الفحم – يُنتج شرارات ذهبية خافتة
      • الجرافيت - يستخدم أيضاً كمادة معتمة في وقود الصواريخ لمنع انتقال الحرارة بالإشعاع إلى الطبقات السفلية من الوقود وتجنب الانفجارات المرتبطة بذلك.
      • الكربون الأسود – ينتج شرارات ذهبية دقيقة تدوم طويلاً في الألعاب النارية، ويستخدم أيضاً كمادة معتمة في وقود الصواريخ.
    • الأسفلتوم – وقود كربوني، يستخدم أيضاً كمادة رابطة. تحتوي بعض أنواعه على الأمونيا؛ لذا يجب عدم مزجه مع الكلورات. [ 1 ]
    • دقيق الخشب
  • المواد الكيميائية العضوية
  • البوليمرات والراتنجات العضوية، والتي تعمل أحيانًا كمواد رابطة.

عند استخدام الوقود المعدني، يُعدّ حجم جزيئات المعدن عاملاً مهماً. فكلما زادت نسبة مساحة السطح إلى الحجم، زادت سرعة التفاعل؛ ما يعني أن الجزيئات الأصغر حجماً تُنتج تركيبة أسرع احتراقاً. كما أن للشكل أهمية أيضاً. فالجزيئات الكروية، كتلك الناتجة عن تذرية المعدن المنصهر، غير مرغوبة. أما الجزيئات الرقيقة والمسطحة، كتلك الناتجة عن طحن رقائق المعدن، فتتمتع بمساحة سطح تفاعل أكبر، وبالتالي فهي مثالية عند الرغبة في سرعة التفاعل. ويمكن أن يؤثر استخدام الجسيمات النانوية بشكل كبير على معدلات التفاعل؛ وتستغل المركبات الجزيئية غير المستقرة هذه الخاصية.

قد يكون الوقود المعدني المناسب خطيراً بحد ذاته، حتى قبل مزجه بمؤكسد. لذا، يلزم التعامل معه بحذر لتجنب إنتاج مساحيق معدنية قابلة للاشتعال التلقائي .

المؤكسدات

تُعدّ البيركلورات والكلورات والنترات أكثر المؤكسدات شيوعًا في مساحيق الفلاش. وتشمل الخيارات الأخرى البرمنجنات والكرومات وبعض الأكاسيد . عمومًا، كلما قلّت كمية المؤكسد، تباطأ الاحتراق وزاد الضوء الناتج. عند الاستخدام في درجات حرارة عالية جدًا، يمكن استخدام الكبريتات كمؤكسدات مع أنواع وقود مُختزلة بقوة .

تشمل المؤكسدات المستخدمة ما يلي:

  • البيركلورات (التي تعمل أيضاً كمُعطيات للكلور):
    • بيركلورات البوتاسيوم - مادة شائعة ومستقرة نسبيًا. شبه غير مسترطبة. ذوبانها في الماء منخفض. تُنتج لهبًا عالي الحرارة ودخانًا من كلوريد البوتاسيوم. بديل أكثر أمانًا لكلورات البوتاسيوم. حساسة للصدمات عند احتوائها على الفوسفور.
    • بيركلورات الأمونيوم - المؤكسد الأكثر شيوعًا في وقود الصواريخ الصلبة الحديثة؛ أكثر حساسية للمؤثرات الميكانيكية من بيركلورات البوتاسيوم. نادرًا ما يُستخدم في الألعاب النارية؛ يُنتج لهبًا ساخنًا، ويعزز ألوان الباريوم والسترونتيوم والنحاس من خلال عمله كمانح للكلور. يتفاعل مع المغنيسيوم عند البلل ويُطلق حرارة وأمونيا، وقد يشتعل ذاتيًا. عند ملامسته لنترات البوتاسيوم (كما في البارود الأسود) يُنتج بيركلورات البوتاسيوم ونترات الأمونيوم المسترطبة ؛ لا يحدث مثل هذا التفاعل مع نترات الصوديوم. يتفاعل مع كلورات البوتاسيوم، مُنتجًا كلورات الأمونيوم غير المستقرة التي تتحلل تدريجيًا ؛ يجب تجنب هذا المزيج. [ 1 ]
    • بيركلورات النيترونيوم
  • الكلورات (التي تعمل أيضًا كمُعطيات للكلور، وهي غير متوافقة مع أملاح الأمونيوم بسبب تكوينها لكلورات الأمونيوم المتفجرة غير المستقرة ، وغير متوافقة مع الكبريت والمواد الكيميائية الحمضية الأخرى بسبب إنتاجها لثاني أكسيد الكلور القابل للاشتعال تلقائيًا ؛ وهي شديدة الخطورة مع الفوسفور؛ ويجب عدم دمجها مع وقود/مواد رابطة هيدروكربونية، مثل الأسفلت أو الصمغ العربي؛ ويجب استبدالها ببيركلورات أكثر أمانًا كلما أمكن ذلك):
    • كلورات البوتاسيوم - أقل استقرارًا بكثير من البيركلورات، مادة خطرة، يُنصح بتجنبها قدر الإمكان. تتميز بسرعة احتراق عالية وسهولة الاشتعال. وهي أكثر استرطابية بقليل من نترات البوتاسيوم. تُنتج دخانًا من كلوريد البوتاسيوم. يمكن أن تعمل كمانح للكلور. حساسة للغاية للصدمات والاحتكاك مع الكبريت والكبريتيدات. تُنتج مع أملاح الأمونيوم كلورات الأمونيوم غير المستقرة. تُستخدم في تركيبات رؤوس أعواد الثقاب، وبعض أنواع الدخان الملون ، والمفرقعات الصغيرة، وأغطية الألعاب النارية. [ 1 ]
    • كلورات الباريوم - تُستخدم أيضًا كملون أخضر في الألعاب النارية؛ حساسة، يُفضل تجنبها. شبه غير مسترطبة. قد تشتعل تركيباتها تلقائيًا في ضوء الشمس. مُلون أخضر ممتاز، حتى في اللهب ذي درجات الحرارة المنخفضة. [ 1 ]
    • كلورات الصوديوم - أقل استقرارًا بكثير من البيركلورات، مادة خطرة، كما أنها تعمل كملون أصفر، مادة مسترطبة
  • النترات (عند الخلط مع الألومنيوم، يجب إضافة حمض البوريك كمثبت):
    • نترات البوتاسيوم - مادة شائعة الاستخدام، تدخل في صناعة البارود الأسود ومجموعة واسعة من التركيبات. وهي ليست شديدة الاسترطاب. عند درجات الحرارة المنخفضة (مع أنواع الوقود العادية مثل الصمغ أو الشيلاك) تكون غير فعالة، ولا تحترق جيدًا، وتنتج نتريت البوتاسيوم. أما عند درجات الحرارة المرتفعة، مع الفحم والكبريت أو مع المغنيسيوم، فتتحلل جيدًا. ولا تنتج درجة حرارة كافية لتكوين لهب ملون، إلا عند إضافة المغنيسيوم. وتُنتج شرارات جيدة. وجودها في الغبار يجعلها خطرة وسريعة الاشتعال. [ 1 ]
    • نترات الصوديوم - وهي مادة ملونة صفراء اللون، ماصة للرطوبة. تعطي ضوءًا أصفرًا ساطعًا، وتُستخدم في تركيبات الإضاءة. وجودها في الغبار يجعله خطرًا. عند درجات الحرارة المنخفضة، تُنتج رماد النتريت، وعند درجات الحرارة المرتفعة، تتحلل تمامًا. [ 1 ]
    • نترات الكالسيوم - وهي أيضاً مادة ملونة باللون الأحمر البرتقالي.
    • نترات الأمونيوم - تستخدم في بعض أنواع وقود الصواريخ المركبة الأقل شيوعًا، وهي مادة مسترطبة، وتتحلل عند درجات حرارة منخفضة جدًا؛ وعندما تكون جافة تتفاعل مع الألومنيوم والزنك والرصاص والأنتيمون والبزموت والنيكل والنحاس والفضة والكادميوم؛ وعندما تكون رطبة تتفاعل أيضًا مع الحديد. وتشكل مركبًا متفجرًا مع النحاس.
    • نترات الباريوم - أكثر المؤكسدات/الملونات شيوعًا للونين الأخضر والأبيض، ولكن تأثيرها الملون ضعيف نوعًا ما؛ وتتطلب مانحًا للكلور. تُستخدم أيضًا في مساحيق الفلاش وبعض الشعلات العسكرية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء. يعمل الباريوم أيضًا كمثبت للمخاليط؛ [ 3 ] يتحلل عند درجات حرارة أعلى من نترات المعادن الأخف وزنًا، مما يعزز درجات حرارة احتراق أعلى. ينتج شرارات فضية لامعة عند استخدامه مع الألومنيوم؛ وعند استخدامه مع الألومنيوم، يُنصح بإضافة حمض البوريك كمثبت. ليس شديد الاسترطابية. [ 1 ]
    • نترات السترونتيوم - أكثر المؤكسدات/الملونات شيوعًا للون الأحمر في الشعلات والنيران والنجوم؛ كما يعمل السترونتيوم كمثبت للمخاليط. [ 4 ] عند درجات حرارة منخفضة (مع الوقود العضوي) ينتج رماد نتريت السترونتيوم الذي قد يُخمد اللهب؛ ويتحلل تمامًا عند درجات حرارة أعلى (مع المغنيسيوم). يُستخدم كملون للهب ذي درجات الحرارة المنخفضة، وكملون ومؤكسد للهب ذي درجات الحرارة العالية.
    • نترات السيزيوم – تُستخدم في بعض تركيبات الشعلات الحرارية العسكرية بالأشعة تحت الحمراء
  • برمنجنات :
  • الكرومات :
    • كرومات الباريوم – تستخدم في تركيبات التأخير، على سبيل المثال في صواريخ الألعاب النارية
    • كرومات الرصاص - تستخدم في تركيبات التأخير
    • ثنائي كرومات البوتاسيوم - يُستخدم نادرًا كمؤكسد؛ ويمكن استخدامه كمعالجة سطحية لتخميل جزيئات المغنيسيوم، وأيضًا كمحفز وفي بعض أعواد الثقاب؛ غالبًا ما يُضاف بيركلورات البوتاسيوم
  • الأكاسيد والبيروكسيدات :
  • الكبريتات (تتطلب التفاعلات درجات حرارة عالية ووقودًا مختزلًا بقوة):
  • المواد الكيميائية العضوية
  • آحرون

يمكن استبدال أملاح الصوديوم المقابلة بأملاح البوتاسيوم.

المواد المضافة

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 كوسانكي، ك. (2004). كيمياء الألعاب النارية . وايت ووتر، كولورادو: مجلة الألعاب النارية، ص  30. ISBN 978-1-889526-15-7. OCLC 61996957 . 
  2. الجمعية الكيميائية الأمريكية . Chemistry.org. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15-10-2010.
  3. الباريوم – عناصر في الألعاب النارية . Chemistry.about.com (2010-06-11). تم الاطلاع عليه بتاريخ 2010-10-15.
  4. السترونتيوم – عناصر في الألعاب النارية . Chemistry.about.com (2010-06-11). تم الاطلاع عليه بتاريخ 2010-10-15.
  5. رسوم تأخير الألعاب النارية – براءة اختراع رقم 4419153. Freepatentsonline.com (13-05-1982). تاريخ الاطلاع: 15-10-2010.
  6. EnergyStorm – مخاليط التيتانيوم والبورون كمصادر حرارية متغيرة. مؤرشف بتاريخ 29 مارس 2009 في Wayback Machine . Energystorm.us. تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 أكتوبر 2010.
  • مقال إرشادي حول تركيبات الألعاب النارية
  • المواد الدافعة الصلبة