CN109721446A - 一种微烟火药复配组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微烟火药复配组合物及其应用，该微烟火药按质量百分比计，其原料配比为：尿素1‑25%，氧化剂40‑70%，燃烧物20‑40%，改性添加剂1‑10%，崩解剂1‑10%。该微烟火药复配组合物可应用于鞭炮用烟火药、引火线用烟火药，也可用于烟花的开苞药和发射药。其具有使用量少，原料化学结构简单，易完全燃烧，点火温度较高，爆温较低，产气量大，固体残渣少的特点，燃放时可有效降低大气固体颗粒物污染。

Description

一种微烟火药复配组合物及其应用

技术领域

本发明属于烟花爆竹技术领域，涉及一种复配组合物及其应用，具体为一种微烟火药复配组合物及其应用。

背景技术

在我国，烟花爆竹有着一千多年的发展历史，它是各民族传统文化活动中重要的组成部分，如今逐渐成为中国传统文化走向世界的新名片。随着我国对涉及烟花爆竹的传统文化的保护越来越重视，现已有多个项目进入了我国非物质文化遗产国家名录。烟花爆竹产业健康、稳定发展是我国传统文化快速走向世界的重要支撑。

对烟花爆竹产业发展、相关传统文化的传承影响最大的是烟花爆竹燃放过程中对大气环境污染问题。随着我国对环保要求越来越严，全国多个城市颁布禁燃令，甚至有的省份实行全省禁燃，直接导致烟花爆竹产业发展举步维艰。只有依靠科研攻关解决环保难题，促进传统产业升级，才能从根本上解决烟花爆竹产业的发展、相关传统文化的传承与环境保护之间的矛盾。

传统烟花爆竹使用的烟火药存在以下缺陷：

1.传统烟火药含有大量的高氯酸盐、硝酸盐、高锰酸盐、重铬酸盐、碳粉、硫磺、铝粉、铝镁合金粉、碳酸钙等无机物。它们中有多种物质过量使用会对人体产生危害，如重铬酸盐、高锰酸盐、硫磺、铝粉。

2.传统烟火药中的铝粉在潮湿环境中易与空气发生氧化还原反应，生成氢气、产生热量，从而易导致烟火药自燃。

3.传统烟火药燃烧***过程中，产生的金属盐、未完全燃烧的反应物在受到冲击波破碎后，会产生大量细颗粒物，造成PM2.5、PM10污染。

4.传统烟火药，不含氢或含氢量较低，与同质量的高含氢量的物质比较，在燃烧过程中产生的爆热较低、气体产生量少，且不能有效生成水分子进行主动降尘。

5.传统烟***中常使用木炭，其在燃烧过程中燃烧速度较慢、爆热不高、较难完全反应，因此在燃烧过后会产生大量固体颗粒物，其主要成分为单质碳。

6.传统烟火药燃烧后产生大量二氧化硫、氮氧化物，是形成酸雨天气的原因之一。如氮氧化物的主要来源是烟火药中的硝酸盐氧化剂分解生成，但没有足够的还原剂将其吸收；二氧化硫的主要来源是烟火药中的硫磺被氧化而成。

据悉，目前已出现微烟火药用于替代传统烟火药，但其也存在以下缺陷：

1.现有微烟火药的成分仍大量使用的碳粉或铝粉或高氯酸盐、稀土等无机物。在燃烧过程中，反应物难以完全燃烧，它们的产物中仍含有大量的固体颗粒物，且多种金属氧化物对人体有害。如中国发明专利CN103980074A中，含有10-20份炭粉，10-30份稀土；中国发明专利CN106966845A中含有10-30份的铝银粉；中国发明专利CN106397075A中含有15-25%的金属氧化物，10-20%的炭材料。

2.现有微烟火药常使用二茂铁、二茂钴、二茂镍做催化剂，该芳香环结构较为稳定，且含碳量较高。燃烧时，反应温度高于茂金属的分解温度，与氧反应。由于茂金属含碳量高，完全反应需氧量大，因此难以反应完全，最终生成复杂的产物，主要有单质碳和多种芳环结构的化合物，而其具有芳环结构的化合物是否具有致癌性还需进一步开展深入研究；燃烧后生成的钴盐通过呼吸进入人体后，存在致癌风险。如中国发明专利CN109206290A中使用3-10%的茂金属，10-20%的木炭。

3.现有微烟火药大量使用单基粉，但单基粉的生产、销售收到严格的管控，价格高，产量少，常常供不应求。因此目前单基粉仅用于烟花爆竹的高端产品。降低单基粉的使用量能有效降低单基粉的使用量，能大幅降低生产成本，提高产品利润。如中国发明专利CN102924193A中使用10-80份单基粉。中国发明专利CN108774096A中使用87-94%的纤维素硝酸酯。中国发明专利CN1526687中使用70-90%的退役火药粉。

4.中国发明专利CN108586175A中使用水、硝酸钠、尿素、硝酸铵等材料配置成的高粘度胶状***在使用过程中需要电***引爆，含水量很高，并不能用烟花爆竹普遍使用的火药引线引燃，且燃放效果达不到现有水平。

5.烟火药中使用过多的硝酸铵作氧化剂，在其燃烧时，会产生高浓度的有毒气体。据统计，现有硝酸铵***产生的有毒气体含量远大于国家标准中规定的50L/Kg，其产生的有毒气体主要为氮氧化合物。

6.硝酸肼镍等化合物做引爆剂的合成需要有较强的专业化工知识和合成设备，大量使用，会大幅增加烟花爆竹企业的生产和安全成本。

7.现有微烟火药中额外添加较多膨松剂、消焰剂等，它们自身不参与燃烧、***反应，且多数为不溶于水的金属盐，受冲击波破碎后也会形成大量固体颗粒物。

8.在目前已有文献报道中，烟花爆竹燃放产生的固体颗粒物中含有大量的单质碳，其含量甚至可达到燃放产生的PM2.5和PM10总量的50%，因此如何使用合理材料减少燃烧后产生的固体颗粒物和氮氧化物生成总量，增加气体和水分子生成总量，对研究新型环保微烟火药具有重要意义。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种微烟火药复配组合物。该复配组合物具有使用量少，燃烧后固体残渣少，有毒有害气体含量低，爆温低，气体和水分子生成量大，对环境和人体安全等特点，还提供其在鞭炮用烟火药、引火线用烟火药、烟花用开苞药和发射药中的应用。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种微烟火药复配组合物，包含有尿素、氧化剂、燃烧物、改性添加剂、崩解剂组成。其中氧化剂为：硝酸钾、硝酸钠、硝酸铵、高氯酸钾、高氯酸钠、高氯酸铵、氯酸钾、氯酸钠、硝酸脲的一种或多种混合而成。燃烧物为：单基粉、硝基胍、六硝基芪、淀粉、纤维素、蔗糖、三氯蔗糖、果糖、葡萄糖、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、乙基纤维素、脲醛树脂、多聚甲醛、木粉、草酸二铵、草酸氢铵的一种或多种混合而成。改性添加剂为：铁粉、钛粉、碳酸氢钾、草酸锶、草酸钡、草酸镁、草酸铜、草酸铁铵、草酸钴、草酸钠、草酸钾、二羟基二肟钾、邻苯二甲酸钾、松香、樟脑、苯二甲酸二丁酯、三氰氨、乙二酰二胺、硬脂酸钾、山梨酸钾、酒石酸氢钾、二苯胺、硬脂酸、草酰胺、甘脲、石蜡、多糖、明胶、***树胶、羟甲基纤维素、硝酸肼镍、叠氮肼镍的一种或多种混合而成。崩解剂成分为：柠檬酸、丁二酸、碳酸氢钠、尿素中的一种或多种混合而成。

一种微烟火药复配组合物，所述的尿素与燃烧物的质量比为1：40-10：1。优选的，尿素与燃烧物的质量比为1：20-10：1。

上述的一种含尿素成分的微烟火药复配组合物，优选的尿素、氧化剂、燃烧物、改性添加剂、崩解剂的混合物，包括以下质量分数的组分：

尿素1-25%，氧化剂40-70%，燃烧物20-40%，改性添加剂1-10%，崩解剂1-10%。

本发明提供了一种微烟火药复配组合物的制备方法，具体制备步骤如下：

(1)将尿素、改性添加剂、燃烧物、氧化剂分别研磨20分钟，使用100-130目筛子过筛，备用。

(2)研磨后的改性添加剂、氧化剂分别加热至55-60℃，干燥2-3小时，冷却，备用。

(3)将研磨后的尿素、燃烧物、崩解剂干燥后的改性添加剂和氧化剂搅拌混合20分钟，即可得到一种微烟火药复配组合物，用于鞭炮和引火线生产。

(4)将采用造粒工艺将上一步的粉状混合物制成具有内部微孔结构的药粒，即可得到烟花用开苞药和发射药。

本发明的有益效果：1.该复配组合物原料价格便宜，容易获取，可在不大幅度改变现有生产工艺的前提下进行生产。2.该复配组合物原料结构简单，未大量含有硝酸铵和芳香环有机物，且不含有单质碳，在燃烧过程中易完全反应，主要生成气体产物，经检测，有毒气体含量低于国家标准中规定的50L/Kg；固体残渣少，产生的PM2.5、PM10浓度大幅低于现有火药指标。3.该复配组合物含氢、含氧比例高，燃烧时可生成大量气体和水分子，因此具有较好的主动降尘效果。4.该复配组合物产生的点火温度较高，爆温较低，可有效降低生产、运输、燃放时的安全风险。5.该复配组合物中使用的崩解剂可参与反应，反应后以气体产物为主，所使用的消焰剂为反应后生成的产物，且易溶于水，因此可大幅降低使用崩解剂、消焰剂造成燃烧后产物中固体颗粒物浓度过高的问题。6.该复配组合物燃烧过程中产气量远大于传统烟火药和现有微烟火药，在保证同等效果的前提下，可大幅减少火药的使用量。

实施例一

按照上述制备方法，尿素含量0.0140g，高氯酸钠含量0.4154g，纤维素0.1705g。

实施例二

按照上述制备方法，尿素含量0.0265g，高氯酸钾含量0.4269g，纤维素0.1436g。

实施例三

按照上述制备方法，尿素含量0.0412g，高氯酸钾含量0.4268g，纤维素0.1300g。

实施例四

按照上述制备方法，尿素含量0.080g，硝酸钾含量0.1347g，高氯酸钾含量0.2771g，淀粉0.1080g。

实施例五

按照上述制备方法，尿素含量0.0161g，硝酸钾含量0.1363g，氯化铵含量0.0577g，高氯酸钾含量0.2803g，三氯蔗糖含量0.1093g。

实施例六

按照上述制备方法，单基粉含量0.2518g，尿素含量0.0578g，硝酸钾含量0.0974g，硝酸铵含量0.1928g。

实施例七

按照上述制备方法，铁粉含量0.0410g，尿素含量0.0879g，硝酸钾含量0.1776g，硝酸铵含量0.2932g。

实施例八

按照上述制备方法，钛粉含量0.0355g，尿素含量0.0888g，硝酸钾含量0.1794g，硝酸铵含量02961g。

实施例九

按照上述制备方法，聚乙烯醇0.0594g，硝酸钾含量0.2388g，尿素含量0.0912g，高氯酸钾含量0.2105g。

实施例十

按照上述制备方法，草酸二铵0.0987g，尿素含量0.1083g，高氯酸钾含量0.3603g，硬质酸钠0.0324g。

对照例

按照上述制备方法，硝酸钾75g、木炭15g、硫磺10g。

上述实施例均可直接应用于鞭炮的烟火药和引火线的烟火药，实施例经造粒工序后可用于烟花的开苞药和发射药。

按照GB10631-2013和GJB5384.6-2005标准，部分测试结果如下：

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微烟火药复配组合物，包含有效成分，其特征在于，所述有效成分为尿素、氧化剂、燃烧物、改性添加剂、崩解剂，所述尿素与可燃物的质量比为1：40-10：1。

2.根据权利要求1所述的一种微烟火药复配组合物，其特征在于，所述复配组合物中还含有草酸二铵和/或草酸氢铵和/或三氯蔗糖。

3.根据权利要求1所述的一种微烟火药复配组合物，其特征在于，所述复配组合物包括以下质量分数的组分：尿素1-25%；氧化剂40-75%；燃烧物20-40%；改性添加剂1-10%；崩解剂1-10%。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的微烟火药复配组合物在鞭炮和/或引火线和/或烟花开苞药和/或烟花发射药中的应用。