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2020-06-16
一炮沖天—迷你哨子如何解析沖天炮火藥的組成
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工程技術》一炮沖天—迷你哨子如何解析沖天炮火藥的組成【本報導由化學系 林震煌教授研究團隊提供】

以往過年時節,晚上總是會有放沖天泡的熱鬧景象,但我們可能不知道,沖天炮在「飛」的過程,和最後「爆炸」的聲響,炮裡面裝填的火藥成分是不一樣的。一般認為黑色火藥是按照「一硫二硝三木炭」的比例混合製成的,用比例來表示的話,大約是硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%。但是實際分析結果,本實驗使用的沖天炮裡面,推進劑的比例佔全長的3/4(約4.8克),火藥中含木炭粉的比重為20.0 %。爆炸劑的比例約1/4(約2.9克),火藥中含木炭粉的比重僅為3.4 %,而硫磺粉的比重則高達24.8 %。因此推論黑色火藥中,增加木炭粉的含量有助於沖天炮的飛行,增加硫的含量則容易產生巨大的爆炸聲。

小時候,過年的時候最開心的事莫過於放鞭炮了!過年期間,小孩拿壓歲錢去買鞭炮,大人們則聚在一起打牌,街頭巷尾熱鬧極了!劃過夜空的笛音沖天炮,「砰」一聲戛然而止,好似年節期間必備環節,然而,近年因政策因素禁止放鞭炮,「年」的味道就淡了許多。

沖天炮在「飛」的過程,和最後「爆炸」的聲響,炮裡面裝填的火藥成分是不一樣的。一般認為黑色火藥是按照「一硫二硝三木炭」的比例混合製成的,用比例來表示的話,就是硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%。早在1044年《武經總要》一書當中,就已經記載三種複雜的火藥配方,利用火藥製造霹靂火球、鐵嘴火鷂等炸彈。可想而知,黑色火藥的成份複雜,即使用現代化的儀器也不見得容易分析得很清楚。

黑色火藥化學反應的通式可以寫成:2KNO3 + S + 3C → K2S + N2 + 3CO2。換言之,爆炸是因為在紙筒密閉空間內,發生化學反應造成瞬間產生大量氮氣與二氧化碳而引燃火藥的。只要能知道產生多少氮氣與二氧化碳,就能反推回去知道黑色火藥中各成份的比例。

本校林震煌教授發明了新的氣體偵測方法,有別於傳統的氣體偵測方式,利用哨音的頻率變化,檢測氣體並將其定量。

如圖2所示,氣體樣品經過注射針注入分離管柱之後,由氣體鋼瓶中的氣體載送,經過氣體分離管柱吹往偵測端。這方法稱為氣相層析分離法,經常用來檢驗氣體。一般會使用質譜儀或其他種類的偵測器,用來偵測不同種類的氣體。但是本研究以一支迷你哨子,用物理的方式來偵測氣體。當不同氣體經過哨子時,會發出不同頻率的聲音,利用麥克風接收,將訊號送到電腦分析處理。由頻率的變化,可以計算出氣體經過哨子時的量。我們將沖天炮的火藥取出後,放在透明玻璃瓶中,為避免火藥瞬間燃燒時發生爆炸,玻璃瓶的上方接有洩壓閥,實驗結果發現,當雷射照射玻璃瓶中少量的推進劑火藥時,溫度會瞬間上升(1265度/秒),待氣體冷卻以後,以注射針抽取10 µL燃燒過的氣體,注射到分離管柱進行分析。

圖3是沖天炮的外觀、剖面以及實驗結果。在沖天炮內部,推進劑約佔3/4的長度,重量為4.81克;爆炸劑約佔1/4,重量為2.9克。經過迷你哨子測量頻率的變化及電腦程式(LabVIEW)的分析結果得知,推進劑火藥燃燒的成份主要是二氧化碳和氮氣(如圖3之右下圖)。此次測量中氣體鋼瓶填裝的是氮氣,沒有看到屬於氮氣本身的譜峰,因此標註此譜峰屬氮氣與燃燒剩下的氧氣。當氣體鋼瓶中的氣體更換成為氧氣時,會觀測到氮氣與二氧化碳的譜峰。經計算結果,推進劑的火藥中含木炭粉的比重為20.0 %。前述理想黑色火藥的比例為硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%,因此推論增加碳的含量有助於沖天炮的推進力。相對於此,爆炸劑火藥燃燒的成份除了二氧化碳和氮氣以外,還有大量的二氧化硫(如圖3之左下圖)。同樣,當氣體鋼瓶中的氣體更換成為氧氣時,會觀測到氮氣、二氧化碳和的二氧化硫譜峰。經計算結果,爆炸劑的火藥中,木炭粉的比重僅3.4 %,而硫磺粉則高達24.8 %。因此推論增加硫的含量對產生爆炸巨響很有幫助。在本實驗裡,因燃燒速度太快,故沒有觀測到一氧化碳以及氧化氮的存在。

藉由實驗,我們可以推論,古人所謂的「一硫二硝三木炭」僅是大致比例,各種不同的鞭炮、煙火的火藥成份都不盡相同,其火藥配方及比例應該都是企業機密。本研究以簡單的方法,可以很快的將主成份定量出來,也讓我們更容易了解沖天炮、煙火內的火藥成份,及不同比例配置會帶來的差異。

本研究結果已發表於Journal of Chromatography A (2013, 1305, 230-233),標題為Screening of inorganic gases released from firework-rockets by a gas chromatography/whistle-accelerometer method。實驗的詳細條件可參閱該論文。本研究受科技部補助,編號為 No. 101-2811-M-003-023。

相關期刊論文:Journal of Chromatography A (2013, 1305, 230-233)

原文出處:研究發展處研究亮點網

原始連結:http://rh.acad.ntnu.edu.tw/tw/article/content/5

林震煌 教授 | 化學系化學系教授。日本九州大學工學博士畢業後,在Iowa State University擔任博士後研究員,1999年到本校服務至今。曾任化學系主任、科技部自然處審議委員、分析化學小組召集人、國教院化學名詞審譯委員等。學術專長為光譜分析、層析與分離技術、儀器設計,並擅長LabVIEW等電腦程式語言,至今發表SCI期刊論文已超過100篇。個人的興趣有下棋、書法、木雕以及製作小提琴,著有《笛之音響學》一書。

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