塑料引火线燃烧性能的实验研究

胡松涛

（安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

引火线是一种用于点火、传火及控制时间的烟火药制品，主要应用于烟花爆竹的燃放，根据燃烧速度的不同可分为快速引火线和慢速引火线[1]。牛皮纸快速引火线（以下简称牛皮纸引火线）是目前烟花行业广泛使用的一种快速引火线，由一根形状扁平的牛皮纸长管作外壳，中间包裹一个烟火药条制作而成，并且已走向了专业化生产。牛皮纸引火线使用时存在以下问题：外壳易扭折、开胶，烟火药易受潮失效，燃烧时会产生浓烈的烟雾，同时外壳炸开形成大量的碎屑，既污染了环境，又存在一定的安全隐患。

为了克服传统牛皮纸引火线的缺点，国内一些单位开展了新型引火线的研究[2]。列入国标的，如在牛皮纸引火线外层包裹塑料材质或防水、免水胶带，生产出防水快速引火线；以烟火药为药芯，以棉线作为包缠物制成外层，外涂以防潮材料，生产出安全快速引火线[1]。以上技术相对于传统引火线有一定改进，但均未从根本上解决快速引火线燃烧时烟雾与残渣过多的问题。为了解决上述问题，安徽红星机电科技股份有限公司研制了一种新型塑料引火线，对其点火及燃烧性能进行了改进。引火线作为一种点火、传火的火工品，其传火速度v是非常重要的一项指标，直接关系到实际应用时引火时间的长短及引火线长度的选择。塑料引火线的燃烧及火焰传播过程是一个复杂的物理化学反应过程，其传火速度v会随着塑料管内部环境压力的变化而变化[3]。目前，还没有一种理想的理论模型能精确地描述其燃烧时的传火速度。因此，本文采用实验方法对这种新型塑料引火线的传火速度的变化规律进行了分析研究。

1 实验

1.1 引火线简介

本文实验所用引火线实物如图1所示。此型塑料引火线由药芯和聚乙烯塑料管两部分构成，如图2所示。

图1 塑料引火线实体照片Fig.1 Photo of the plastic fuse

图2 塑料引火线结构示意图Fig.2 Structure graph of the plastic fuse

药芯由棉线、含硼点火药和粘合剂等组成。点火药与粘合剂充分搅拌后，包覆在棉线上，通过专用设备挤出成型，该点火药不吸潮，分解温度高，气体量少[4]；聚乙烯塑料管包裹在棉线外，具有较好的强度及柔韧性，为药芯稳定燃烧提供了良好的条件。

1.2 实验试样

（1）牛皮纸引火线试样：从成品牛皮纸引火线卷中截取1段，长度为1m。

（2）塑料引火线试样：从成品塑料引火线卷中截取5段，长度分别为0.7m、1m、1.2m、2.2m、3.2m和5.2m。

1.3 实验方法

目前，关于燃烧或爆燃速度的测量方法主要有靶线法、摄影法、光电法、热电偶法等十几种方法[5]，结合引火线的结构及燃烧特征，本文采用“光电法”对其传火速度v进行测量。

1.4 实验条件及工作原理

实验所需器材有高能脉冲起爆器（GM-100s）；光敏二极管；直流稳压电源（TPR3002-3C型）；数字示波器（TDS2012B型）；电阻（2kΩ）；电引火药头。

通过“光电法”测量距离引火线点火输入端不同位置的传火速度，实验原理如图3所示。

图3 “光电法”测量原理图Fig.3 Measurement principle diagram of photo electricity

图3所示测量原理为：以输入端为起始点量取L长度，确定测量点A点位置。在A点两侧一定距离的B、C两点各安装一个光敏二极管，分别与电阻R1、R2串联。电阻R1、光敏二极管和直流电源连接示波器的CH1通道，电阻R2、光敏二极管和直流电源连接示波器的 CH2通道。没有光照时，光敏二极管反向电阻很大，两端电压接近12V；引火线燃烧发光，B、C两处的光敏二极管分别受到光照，反向电阻显著减小，两端电压出现剧烈波动，示波器记录下两次波动的时间间隔Δt，从而近似地得到A点的传火速度v。传火速度v计算公式如下：

2 实验结果与讨论

2.1 引火线的完整性

图4所示为塑料引火线与牛皮纸引火线燃烧后的残留对比照片。

图4 引火线燃烧后的残渣对比照片Fig.4 Comparison photos of residua of the burned fuse

由图4（a）可以看到，塑料引火线燃烧后不破裂，外壳保持完整，外观颜色几乎未变；图4（b）表明，牛皮纸管明显被烧断，并留下燃烧碎渣和烟灰。分析认为：塑料引火线与牛皮纸引火线燃烧时均产生管道效应[6]。当药芯燃烧时，产生了大量气体，由于管腔密封，气体无法排出，导致管道内气压急剧上升，高温高压气体沿着管道方向扩散传播，并将火药的燃烧瞬时波及整个管腔而形成火药的爆燃，导致燃烧速度极快。塑料引火线与牛皮纸引火线制作药芯的药剂分别为含硼点火药与烟火药，含硼点火药燃烧时产生的气体较少，因此管腔内的气压远低于牛皮纸引火线，加之塑料管具有较高的强度和柔韧性，故塑料引火线燃烧后外壳不破裂并保持完整。牛皮纸引火线管腔内的压力增大到一定时，管腔破裂，气体外泄，产生大量碎屑。

2.2 燃烧烟雾

实验显示，塑料引火线燃烧稳定，传火可靠，燃烧声响微弱。与同等长度的牛皮纸引火线对比，塑料引火线燃烧烟雾明显稀少，如图5所示。据资料记载，火药成分中的无机物、在燃烧中火药的未分解物和固体炭粒、燃烧生成物中的固体粒子以及在点火能力不足、可燃物不能正常燃烧时，都将产生烟雾[3]。塑料引火线的燃烧，实际上是药芯中的点火药在燃烧，含硼点火药分解温度高，燃烧充分，固体残渣很少[7-8]，故药剂自身产生的烟雾少；其次，由于传火速度快，局部过火时间短，棉线与塑料管不能被点燃而保留其原有成分，因此塑料引火线燃烧烟雾少。反观牛皮纸引火线，药芯中的烟火药、棉线及部分牛皮纸碎屑同时燃烧，这些材料燃烧时都产生较大烟雾，导致牛皮纸引火线燃烧过程中出现浓烟。

图5 不同引火线燃烧时产生的烟雾对比照片Fig.5 Comparison photos of smog generated by different fuse

2.3 塑料引火线的传火速度

根据“光电法”测得塑料引火线在不同测量距离L处的传火速度v值，如表1所示。

表1 不同测量位置处引火线传火速度Tab.1 Burning rate of the plastic fuse in different location

图6为根据表1绘制的引火线传火速度v与测量距离L之间的关系曲线。

图6 传火速度——测量距离关系图Fig.6 Relation of the v & L

由图6可以看出，燃烧初期，随着测量距离L（火焰传播距离）值的不断增加，塑料引火线传火速度v值也在不断增加；当塑料引火线燃烧至距点火端大约2.5m左右时，传火速度趋于稳定，维持在50m/s左右。通过MATLAB中的相关数值拟合工具，对表1中的数据进行拟合[9]，结果如下：

按式（2）对表1中的数据进行计算，并与实验结果进行对比，如表2所示。

表2 v——L拟合与实验结果对比表Tab.2 v ——L Contrast of computation and experiment

根据表2中数据绘制拟合结果与实验结果的对比图，如图7所示。

图7 v——L拟合与实验结果对比图Fig.7 v——L Contrast of computation and experiment

通过表2及图7可以看出，拟合结果与实验结果的变化规律基本吻合。

通过表2及图7可以得出，式（2）能比较精确地反映塑料引火线传火速度v随火焰传播距离L的变化规律，实际应用时可根据式（2）确定所需引火线的长度及传火时间等相关参量。

3 结论

（1）塑料引火线燃烧后不破裂，外壳保持完整。

（2）用塑料引火线代替牛皮纸引火线后，燃烧烟雾明显减少。

（3）通过实验确定了塑料引火线传火速度与火焰传播距离之间的关系，相关结果可用于实际应用时引火线的长度及传火时间的确定。

[1]GB 19595-2004 烟花爆竹 引火线[S]. 北京:中国标准出版社,2004.

[2]张友元.塑料全封防水快速引线:中国,200520052409.4 [P].2006-11-08．

[3]陈舒林,李风生.火药设计与制造[M].北京:兵器工业部教材编审室,1987.

[4]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,1999．

[5]王丽琼,杜志明,冯长根.延期药及固体推进剂的燃速测定方法[J].火工品,1995(1):34-38．

[6]欧阳卫国．花炮技术[M]．长春：吉林科学技术出版社，2009．

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[8]车吉成.硼系延期药的反应性研究[D].南京:南京理工大学,2007．

[9]占君,张倩,满谦.MATLAB 函数查询手册[M].北京:机械工业出版社,2010．