烟花爆竹用爆响剂的发展研究

李娟 刘玲

摘 要：绿色环保是烟花爆竹当前的研究热门。随着技术的进步和发展，烟花爆竹用爆响剂经历了有硫的黑火药型、氯酸钾型、高氯酸钾型和低硫、无硫型四个阶段。本文从爆响剂的配制、性能及应用等角度对爆响剂的研究进展进行了综述，梳理了发展方向和趋势。

关键词：烟花爆竹;爆响剂;绿色环保

我国是世界上最大的烟花爆竹生产国和出口国，产品远销世界近百个国家和地区，约占全球生产量的90%。爆响剂作为烟花爆竹生产的一种重要烟火药，经历了几个阶段的发展变化，已渐渐成为烟花爆竹行业人员研究的重要内容。本文对爆响剂的配制、性能和特点等方面的研究进展进行了综述，初步指出了爆响剂的发展趋势，以期为烟花爆竹爆响剂的研究与发展提供参考。

1 黑火药型爆响剂

烟花爆竹最初使用的爆响剂为黑火药。黑火药是我国古代的四大发明之一，是人类历史上出现最早的火药。它是由硝酸钾、硫磺和木炭三种原料按一定比例制成的混合物，经典配方为硝酸钾75%，硫磺10%，木炭15%。黑火药具有其它火药所不完全具备的特点[1]，其物理化学安定性好（据有关资料报道，存放二百余年也不会发生变质）;火焰感度大、易被点燃，燃烧速度快;火焰传播速度快;压力指数低;燃烧性能稳定，燃烧产物中含有大量灼热的固体颗粒，点燃发射装药的能力强;原料丰富、来源广，工艺简单;成本低廉等。因为其不可比拟的优越性能，至今在烟花爆竹上仍有广泛的用途。查阅《兵器工业科学技术辞典》，黑火药的撞击感度为52～60%爆炸（用卡斯特落锤仪测定，锤重l0kg，落高25cm），粒状药摩擦感度100%爆炸，粉状药40%爆炸（摩擦仪摆角90°，压力392.3KPa）。由于黑火药感度高，发火点低（290～310℃），在生产和运输过程中，造成安全事故频发。此外，黑火药中含有硫磺，燃烧时产生二氧化硫、三氧化硫等有毒有害气体，污染空气。

2 氯酸钾型爆响剂

从20世纪80年代开始，黑火药中的硝酸钾逐渐被氯酸钾取代。氯酸钾释放氧气速度快，燃烧反应剧烈，能够迅速由燃烧转爆轰。它独特的烟火特性以及所具有的优越经济性，使其成为了烟花爆竹生产时首选的氧化剂原材料。

随着氯酸钾的使用，烟花爆竹的事故逐渐增大。据统计，事故80%是由于药物爆炸所导致，这与氯酸钾特殊的烟火效应有着紧密的联系[2]。这是因为：（1）氯酸钾在分解放出氧气时不需要从外部吸收热量，而是放出热量。（2）在酸性介质中有强氧化作用，与碳、硫、磷及有机物还原剂混合，受机械力时，易发生燃烧和爆炸。当氯酸钾与硫磺配伍时，危险性变得更大，硫碎片侵入氯酸钾晶格内部，使氯酸钾晶格“松弛”，大大降低了发火温度，在100℃左右即发火。（3）氯酸钾单体收到外界能力冲击时也会发爆炸[3]。用氯酸钾配制的爆竹开爆药冲击感度、摩擦感度都是100%。因此，国务院办公厅2002年《关于加强民用爆炸物品管理的通知》以及《烟花爆竹安全与质量》（GB10631-2004），明确了氯酸钾在烟花爆竹生产中的使用范围。氯酸钾不能再作为爆响剂中的氧化剂在爆竹生产中使用。氯酸钾统治地位正式结束。

3 高氯酸钾型爆响剂

氯酸钾禁用后，寻求一种安全且爆炸威力大的爆响剂氧化剂成为烟花爆竹行业的焦点。有研究者研制了不同类型的氧化剂，如硝酸钾与硝酸钡的复合氧化剂、“康安一号”等新型氧化剂。大部分由于爆炸力不足、效果不佳、易吸潮等缺陷遭到淘汰。普遍使用的氧化剂为高氯酸钾，其经典爆响剂配方为高氯酸钾、铝粉、硫磺和珍珠岩。其中铝粉和硫磺为还原剂，珍珠岩是为了减少装药而添加。该配方通过发生氧化还原反应产生热量和放出气体[4-5]。按照理想状态，氧化还原反应为零氧平衡时，反应效能为最佳，此时，所有的反应物恰好完全反应。高氯酸钾分解放出1g氧气，1g硫磺燃烧消耗1g氧气，1.12g铝粉燃烧消耗1g氧气。在零氧平衡时，高氯酸钾分解放出的氧气等于硫磺和铝粉燃烧所消耗的氧气。通过计算可以得到各组分含量。计算过程如式1所示。

假设高氯酸钾为x，则硫磺为1-0.15-x

X2.17=0.85-x+0.151.12式1

考虑烟火药的反应还会有氧气参与，因此配制成负氧平衡为最佳。爆响剂最佳配方之一为：高氯酸钾65%，铝粉15%，硫磺20%。

4 低硫、无硫爆响剂

爆响剂中硫磺和珍珠岩的加入会使爆竹爆炸时产生大量二氧化硫和珍珠岩粉尘（即二氧化硅），污染环境。研发少硫、无硫、微烟、少烟安全环保爆响药剂，实现烟花爆竹过程安全型和产品环保型成为烟花爆竹新的起点。

2016年杨吉明[6]等人发明了一种低硫爆竹药剂及其制备方法。低硫爆竹药剂包括氧化剂和可燃剂，氧化剂包括高氯酸钾和硝酸钡主要组分，以及气相二氧化硅和酒石酸和/或酒石酸钾钠添加剂组分;可燃剂包括镁铝合金和硫磺;该低硫爆竹药剂原料成本低，制备方法简单，将其用于烟花爆竹，爆响度、接火能力、烧成率及贮存稳定性等优异，且对环境污染小及对人体伤害小。

2012年，杨世均[7]等人发明了无硫爆响药，氧化剂为高氯酸钾和硝酸钡，还原剂为铝粉，填充剂为珍珠岩。该爆响药不含硫，安全可靠，无硫磺所带来污染。2013年黄玉国[8]发明了无硫爆竹药物，是由高氯酸钾、铝粉和珍珠岩粉三种成份组成;或由高氯酸钾、铝粉、珍珠岩粉和合金粉四种成分组成;或由高氯酸钾、铝粉、珍珠岩粉、炭粉和合金粉五种成分组成。2014年颜颂华等人研制了无硫爆竹药：高氯酸钾、铝银粉、木炭为组成材料，以55：43：2为其质量比组分;2016年刘仲贤等人研制了无硫爆竹药剂，包括组分为：氧化剂，银粉，钛铁粉和/或硅铁粉，其中氧化剂选自高氯酸钾与硝酸钡混合组成的復合氧化剂或者高氯酸钾。2017年徐高升[9]发明了无硫爆竹药，由高氯酸钾、硝酸钡、铝银粉和无硫复合材料配制而成;其中无硫复合材料包括以任意重量比混合的碳酸盐和改性的通用高分子聚合物。该爆响剂药物经检验熔点高、机械敏感度低、稳定性高，大大提高了生产安全性，燃放后无二氧化硫，无有毒有害物，对于环境无污染对于人体无危害环保安全。

2016年，辛坤亮[10]等人发明了一种无硫鞭炮开爆药剂及其制备方法，其组分为高氯酸钾40%～60%、铝粉20%～40%、珍珠岩粉3%～5%、碳材料10%～20%、添加剂5%～10%，具有安全系数高，吸湿性小、无污染的特点，保持了原含硫药剂的爆炸力度，且制备工艺简单实用。2018年，张宏善[11]发明了一种安全无硫型烟花开爆药、发射药及其制备方法，组分为碳粉、高氯酸钾、硝酸钾，其撞击感度和摩擦感度为零，安全环保，吸湿率低，性能稳定，着火点降低但又不会过低，易着火，安全性能高。

2018年刘庭亮[12]等人研制了一种无硫烟花开爆药。该开爆药以KClO4为氧化剂、邻苯二甲酸氢钾（C8H5KO4）作为燃烧剂和助氧剂、C粉为还原剂和引燃剂。在摩擦感度、撞击感度、着火点、爆发点、火焰感度及静电感度方面的安全性能优于白开爆药和黑火药，吸湿率三者相近，安全且使用性能高。

5 结论

近年来，随着烟花爆竹技术的不断提高，爆响剂向着绿色环保、安全可靠的方向发展。低硫、无硫爆响剂性能稳定，安全可靠，燃放后对环境污染少，在构筑绿色环保烟花爆竹方面具有广阔的前景，也是未来爆响剂不断向前的重要方向。

（1）爆响剂配方中不再使用硫磺、珍珠岩等产生有毒有害气体和粉尘的物质，真正实现了绿色和环保。

（2）爆响剂性质稳定，效果良好，各项指标均符合产品质量和安全标准要求。

参考文献：

[1]潘功配.高等烟火学[M].黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2005.

[2]钱新民，邓楠.烟花爆竹用氯酸钾的安全化研究进展[J].中国安全生产科学技术，2008，4（3）：63-66.

[3]陆荣.论氯酸钾在烟花爆竹中违规使用的危险性[J].硅谷，2009，（18）：164.

[4]张文军.烟花爆竹用高氯酸钾的研究[J].花炮科技与市场，2012，11：38-41.

[5]范小花.烟花爆竹用氧化剂的研究进展[J].中国安全科学学报，2008，18（6）：80-84.

[6]杨吉明，李娟，李高峰.一种低硫爆竹药剂及其制备方法[P].中国：CN201610496889.6.2016.

[7]杨世均，王余粮，杨世勇.一种新型爆竹用无硫爆响药[P].中国：CN201210215773.2.2012.

[8]黄玉国.一种无硫爆竹药物[P].中国：CN201310159090.4.2013.

[9]徐高升，李培森，王琛.无硫鞭炮药[P].中国：CN201710079788.3.2017.

[10]辛坤亮，辛坤荣.一种无硫鞭炮开爆药剂及其制备方法[P].中国：CN201610588321.7.2016.

[11]张宏善.一种安全无硫型烟花开爆药、发射药及其制备方法[P].中国：CN201810574709.0.2018.

[12]刘庭亮.一种无硫烟花开爆药的开发及应用研究[J].化工管理，2018，8：45-47.

项目基金：湖南省教育厅科學研究项目《环保型爆响剂的研究》（项目编号：16C0252）阶段性研究成果

作者简介：李娟（1982-），女，湖南岳阳人，硕士研究生，副教授，研究方向：烟花爆竹。