寻云 -
烟幕是微小的颗粒悬浮于空气中形成的自然现象.一般而言,发烟剂产生的烟幕以固体颗粒为主,当然也有液滴形式的,例如赤磷发烟剂产生的五氧化二磷烟幕,如果空气潮湿的话,会迅速吸收空气中的水而形成磷酸/偏磷酸雾.总之不论是固体颗粒还是液滴,这里统称为烟幕. 形成烟幕的颗粒,尺寸通常在几微米到几十微米数量级.太小,则呈现半透明状,类似于传说中的雾霾,它对可见光的遮蔽效果不好.同样质量的发烟剂产生的烟幕的总质量是一定的,颗粒太大,颗粒的数量就比较少,于是烟量也就很少.而且大颗粒受到的空气阻力小,不能稳定悬浮在空气中,容易沉降.所以,烟幕需要有适当的颗粒尺寸. 用于观赏的烟幕,要求对可见光的遮蔽或反射效果好,这样有利于观赏.用于军事用途的烟幕,还有一些特殊的要求,比如要对红外线有良好的遮蔽,或者颜色鲜艳易辨别（例如信号烟）. 有色发烟剂之所以表现出颜色,通常是因为烟幕颗粒本身能够反射特定颜色的可见光.要实现这一目的,一般需要在发烟剂中添加染料. 不论黑色、白色或有色的烟幕剂,为了最大限度的发烟,都希望产生尽量多的尺寸适当的颗粒.这就需要关注两个指标,一是颗粒的总质量（烟幕的总质量）,另一个是颗粒的大小.这两个指标都需要通过调配发烟剂的配比和燃放的方式加以控制. 在烟火技术领域,多数发烟剂是通过燃烧产生烟幕的.燃烧可能会产生气体、一定量的烟幕,还有一定量的残渣.气体和残渣都不产生烟幕效果,却会占用发烟剂的质量,所以需要合理控制.其中,气体的产生有助于烟幕喷出,对减少残渣有一定作用,因此不是越少越好.有些完全不产生气体的组分,产烟的效果不一定好.需要注意这里说的气体,并非常温的气体,也包括发烟剂燃烧时在高温下汽化的物质,这些物质喷涌出来以后,遇到空气冷却下来,也能产生烟. 燃烧就会产生高温,高温除了会产生特定的化学反应产物之外,还可能让原本不和空气反应的烟幕被空气氧化掉.温度过低,化学反应不能按预定的目标进行,反应产物不能充分的沸腾或升华,不利于烟幕的形成；温度过高,烟幕可能与空气产生二次反应,如果这种反应的产物不是我们所需要的成分,就会削弱烟幕的效果；另外,温度过高,表明能源物质过剩,显然会挤占产烟物质的份额.因此,必须合理的控制温度并采取恰当的措施阻止烟幕与空气发生反应. 具体到有色发烟剂,通常的做法是在烟火剂中添加遇到高温会升华的染料.烟火剂燃烧时,染料变成气体喷涌而出,随后冷却凝华,形成彩色烟幕.从这个原理可以得知,有色发烟剂通常包含两个部分：提供能源的烟火剂,和提供色彩的染料. 对于提供能源的烟火剂,希望它有适当的反应活性,在被染料稀释以后仍然能正常的燃烧.另外它要能提供足够的热量,单位质量的烟火剂,要能产生尽量多的燃烧热.但是它的燃烧温度又不能太高,燃烧温度如果大大超过染料的分解温度,染料在升华之前或者碰到尚未冷却的残渣就会有大量的分解.最后,烟火剂的氧化剂不能有过高的反应活性,还原剂的反应活性必须比染料高.在发烟剂体系中,一定是要氧化剂主要与对应的还原剂反应,不能首先与染料反应.这种烟火剂通常略微负氧平衡,避免多余的氧化剂进一步与染料反应.总之,烟火剂必须好好呵护染料,不能把染料烧掉了. 对于染料又有什么要求呢?首先我们知道染料必须升华到空气中才能产生有色烟幕,显然染料必须容易升华或沸腾.这包括两层意思,一个是染料在某个温度下容易升华,或者沸点较低；其次,染料必须足够稳定,分解温度要远远高于升华或沸腾的温度.如果升华之前就分解掉了,哪里还会有色彩呢.再次,发烟剂燃烧产生高温才能让染料升华,升华的染料同样有较高的温度,遇到空气很容易被空气氧化甚至着火.染料自己都烧掉了,也就不会产生有色的烟幕.喜欢玩火的同学都清楚,当一堆柴火没有火苗的时候,才会产生大量的烟,如果熊熊火苗,烟通常就比较少.蚊香刚点燃还带着火苗的时候,不但没有烟,也嗅不到杀虫剂的气味（蚊香中杀虫剂与发烟剂中的染料具有同等地位）,当把火苗吹灭的时候,蚊香才会冒烟.所以,染料还必须不那么容易着火. 最后,对于发烟剂体系还有一些要求,例如,残渣要酥松多孔,让烟幕能够良好的喷出.已经燃烧掉的发烟剂,不能对烟幕的喷出造成大的损失,比如它的温度不能太高以至于升华的染料在途经残渣的时候被分解；它也不能是粘稠的液体,因为染料的蒸汽在通过液体产生泡沫的过程中,非常容易被吸附. 通过上述分析可以看出,有色发烟剂的技术十分复杂,并不是随便熬点剂就能实现的,至少难以良好的实现. 并且,这种性能良好的染料真的难以找到,尤其是在高温下升华却不着火的染料.能够升华的染料基本都是复杂有机化合物,这些东西比较容易燃烧,在高温空气中极不稳定.事实上,如果不采取一些别的措施,根本找不到一种合适的染料. 为了降低对染料的要求,发烟剂必须采取多重措施. 常见的措施是造粒,颗粒的发烟剂不易形成局部过热,有利于降低对染料分解温度的要求,同时也有利于烟幕的喷出.但是造粒也会导致烟火剂的密度增加,整体的燃烧面积加大,总的热量产生过于迅猛,所以要根据药剂的实际情况决定是否造粒,以及造粒的粒度和压强. 加入适当的降温剂能降低难度.有时不论如何调整烟火剂的组分,都不能把燃烧温度降低到适当范围,则可以加入一些吸热物质.对于直接与空气接触的发烟剂,加入消焰剂也是必要的,以便确保在无人干预的情况下始终不形成火苗,减少染料的燃烧损失. 除了上述方法,绝大多数烟火剂都要求装填在特制的发烟罐中使用.由于高温下不着火的染料实在是太难找了,人们想到了一种新的方法：让烟幕冷却到着火点以下再和空气接触. 烟火剂如果是负氧平衡的,那么在密闭容器中燃烧,就会消费掉容器中剩余的氧气.对于发烟罐而言,有一个很大的、带散热器的空腔来让染料蒸汽冷却.这个空腔在储存状态包含空气,但是发烟剂点燃以后,会消耗空腔中的氧气,并且产生的气体也会排挤出空腔中原有的氧气,造成一个临时的无氧环境.染料升华以后,先流过这个空腔,在里面散失掉一部分能量,使温度降低到着火点以下,再从空腔上的小孔喷出.此时与空气接触就不会着火了,我们就能看到汩汩彩色浓烟从喷烟孔蓬勃而出. 对于精心设计的发烟剂而言,合理的组分,适当的工艺（包括但不限于造粒）,可以在没有冷却腔的条件下实现较低的接触温度,保持染料的色彩.例如许多军用昼用信号弹就没有复杂的冷却腔.但是在爱好者中,受工艺条件的限制很难达到这种效果,适当的冷却腔几乎是必不可少的. 基本可以这样说,如果谁做的有色烟幕弹没有冷却腔,那么他要么是高手,要么就是外行.希望大家根据本文提供的思路查阅文献,搞清楚详细的机理,在理论指导下设计和实验. 所以说,如果能设计有冷却腔结构,大部分有机染料都适合. 组分 绿色发烟剂组分（%） 氯酸钾 25.4 硫 10.0 绿色染料 40.0 碳酸氢钠 24.6 红色发烟剂组分（%） 氯酸钾 29.5 乳糖 18.0 红色染料 47.5 碳酸镁 5.0 黄色发烟剂组分（%） 氯酸钾 22.0 蔗糖 15.0 喹啉黄染料 42.0 碳酸镁 21.0 红色有机染料：如中性红、酸性红等等