Tajemnice Składników Kolorowych Dymów Pirotechnicznych
Barwne dymy, które wchodzą w skład świec dymnych, granatów dymnych, kulek dymnych oraz dymnych single shot'ów. Stanowiące unikalny element pirotechniki, to efekt spalania, podczas którego powstaje aerozol zawierający mikroskopijne krople wody. W tych kroplach rozproszone są hydrofobowe cząsteczki barwnika organicznego, głównie osadzone na ich powierzchni. Formuły tych dymów składają się z barwnika zdolnego do sublimacji w ilości od 40% do 50% wagi oraz tzw. kompozycji podgrzewającej. Składnik odpowiedzialny za podgrzewanie to mieszanka chlorku potasu (KClO₃) oraz laktozy jednowodnej.
1.Doskonalenie Temperatury Spalania: Mieszanki Barwnikowe z Laktozą jako Element Balansujący
Spalanie tej zrównoważonej mieszanki (gdzie laktoza stanowi 26% wagowo) generuje ekstremalne temperatury dochodzące nawet do T ~ 2000 °C, co mogłoby prowadzić do spalenia każdego związku organicznego w bezpośrednim otoczeniu. Dlatego mieszanki podgrzewające zawierają znaczny nadmiar paliwa, aby obniżyć przewidywaną temperaturę spalania do około 900 °C. Mimo że te same materiały wciąż palą się zbyt gorąco, to gdy są one wymieszane z barwnikiem w proporcji 1:1, uzyskuje się temperatury spalania w zakresie 300-500 °C, zależnie od konkretnego barwnika i całkowitej stechiometrii. Te formuły często są dodatkowo modyfikowane przez dodanie do 20% wagowo endotermicznych składników (takich jak szczawian amonu, kaolin, węglan magnezu i wodorowęglan sodu), aby pochłonąć ciepło, dodatkowo uwalniając gazy i parę wodną, co zwiększa ogólną efektywność.
Laktoza jednowodna, o wzorze C₁₂H₂₂O₁₁ H₂O, pełni rolę paliwa o dużej ujemnej entalpii tworzenia (ΔH = -2723 kJ mol−1). Stechiometryczna reakcja laktozy z KClO₃ wymaga 8 mol KClO₃ na mol laktozy jednowodnej:
C₁₂H₂₂O₁₁ H₂O + 8KCIO₃ → 12 CO₂ + 12 H₂O(g) + 8 KCl(g) + 3421 kJmol −1
2. Wymagania dotyczące barwników dymów obejmują:
- Stabilność w zakresie temperatury co najmniej 300 °C, przeciwdziałanie rozkładowi i utlenianiu. Barwniki nie powinny zawierać grup o bogatym w tlenie charakterze, takich jak grupy peroksydowe, nitrowe czy sulfonowe, lecz raczej grupy aminowe i/lub hydroksylowe.
- Punkt wrzenia lub sublimacji między T = 100-300 °C oraz niskie ciepło utajone (ciepło topnienia i ciepło parowania). Wiązania wodorowe między cząsteczkami lub wiązania jonowe nie są pożądane. Masa cząsteczkowa paliwa powinna być poniżej m, = 400 g mol−1.
- Bezpieczeństwo dla zdrowia zawodowego w działaniach krótko i długo falowych, oraz dla środowiska.
Te kryteria powinny zadowolić zwolenników dymów i pokazów fajerwerków na różnych uroczystościach. Produkty Przeznaczone do sprzedaży są bezpieczne i mogą być używane przez osoby nie będące profesjonalistami ale należy pamiętać o przestrzeganiu zasad bezpieczeństwa jakie opisuje producent.
3. Przykładowe barwniki dostępne na rynku:
W tabeli przedstawiono hurtowe nazwy barwników ich barwę oraz nazwę chemiczną.
| Nazwa handlowa | Kolor | Nazwa Chemiczna |
| Disperse Red 11 | fioletowy | 1,4-Diamino-2-metoksy-antrachinon |
| Fettorange | pomarańczowy | 1-Hydroksy-1-fenyloazonaftalen |
| Fettrot G | czerwony | 1-(2-Metoksyfenyloazo)-2-naftol |
| Solvent Yellow 33 | żółty | 6-Metylo-2-ftalochinolin |
| Sico Fettgrün | zielony | 1,4-Dip-p-toluidino-antrachinon |
| Disperse Blue 3 | niebieski | 1-Metyloamino-4-hydroksyetylantrachinon |
W tabeli przedstawiamy dwa przykładowe składy dymów kolorowych: Typowe składy dymów, gdzie pierwsza wartość reprezentuje pomarańczowy, a druga - fioletowy, wyrażone w procentach w stosunku do wagi.
| Rodzaj dymu | pomarańczowy (wg.-%) | fioletowy (wg.-%) |
| Chlorek potasu | 25 | 23.5 |
| Sacharoza | 25 | - |
| Fettorange | 48 | - |
| Disperse Red | - | 38.0 |
| Kwas tereftalowy | 7.6 | - |
| Wodorowęglan sodu | 5.1 | - |
| Węglan magnezu | 10.2 | - |
| Kaolin | 2 | - |
| Poliwinylowy alkohol | 2 | - |
4.Zastosowania Kolorowych Dymów w Różnych Obszarach
5. Bezpieczniejsze alternatywy dla niektórych związków zawartych w dymach.
Kolorowe dymy są obecnie badane pod wieloma kątami, badacze koncentrują się na wyeliminowaniu kontrowersyjnych barwników i chlorku potasu. Pojawia się podejrzenie, że KClO₃ odgrywa rolę źródła chloru w określonych warunkach spalania.
Z tego powodu rozważa się ponowne tworzenie związków polichlorowanych bifenyli (PCB), dibenzo-dioksyn (PCDD) i dibenzofuranów (PCDF). Najnowsze badania, takie jak te przeprowadzone przez Springer i innych na materiale fioletowym (wspomniane powyżej), potwierdzają, że podczas spalania kompozycji powstaje 100 pg TEQ g-1 (gdzie TEQ oznacza toksyczny ekwiwalent wszystkich kongenerów PCDD i PCDF). Aby ocenić tę ilość w kontekście dostępnych danych, dzienne spożycie przez dorosłego człowieka wszystkich kongenerów PCDD i PCDF poprzez regularne spożywanie, nie powodujące żadnych szkodliwych skutków zdrowotnych, wynosi od 30 do 120 pg TEQ. Zarówno badania Reeda (1982), jak i bardziej aktualne badania Klapötkego z 2020 roku, potwierdzają potencjał związków o wysokiej zawartości azotu do zastąpienia KClO3/laktozy w formułach dymów kolorowych. To podejście minimalizuje ryzyko powstawania polichlorowanych bifenyli (PCB), dibenzo-dioksyn (PCDD) i dibenzofuranów (PCDF).
Źródło: Ernst-Christian Koch, "High Explosives, Propellants, Pyrotechnics", wydawca: De Gruyter, 2021
