花火組成物

一般的な燃料は金属またはメタロイド粉末をベースとしています。フラッシュパウダーの組成には、複数の異なる燃料が指定される場合があります。一部の燃料は結合剤としても機能します。一般的な燃料には以下が含まれます。

• 金属
  • アルミニウム– 多くの種類の混合物で最も一般的な燃料であり、燃焼不安定性抑制剤でもある。炭素よりも質量あたりのエネルギーは低いが、ガスの発生も少なく、反応混合物に熱を保持する。固体粒子を含む高温の炎は、炎の色付け剤と干渉する。硝酸塩（硝酸アンモニウムを除く）と反応し、窒素酸化物、アンモニア、および熱を生成する（反応は室温では遅いが、80 °C を超えると激しくなり、自然発火する可能性がある）。この反応は、ホウ酸 などの弱酸によって抑制できる。アルカリ性物質によって腐食される。フレーク状の粒子は、球状の粒子よりも着火しやすく、花火に適している。水分が存在すると、塩素酸カリウムおよび過塩素酸カリウムと反応して水素を生成する。粒子サイズは、必要な燃焼速度に応じて選択される。^{[ 1 ]}
  • マグネシウムはアルミニウムよりも敏感で爆発力が強く、保管中に自然発火する可能性が高くなります。花火では炎の温度を上げるために使用されます。アルミニウムよりも炎の色への影響が少ないです。
  • マグナリウム– アルミニウムとマグネシウムの合金で、マグネシウムよりも安定性が高く安価。マグネシウムよりも反応性が低く、アルミニウムよりも着火しやすい。
  • 鉄– 金色の火花を出し、頻繁に使用される
  • 鋼鉄― 鉄と炭素の合金で、枝分かれした黄橙色の火花を散らす
  • ジルコニウムは高温粒子を生成し、NASA標準着火剤などの着火混合物に適しており、燃焼不安定性抑制剤としても作用する。
  • チタンは高温の粒子を発生させ、衝撃や摩擦に対する感度を高めます。Ti4Al6V合金が使用されることもあり、その場合はより明るい白色の火花が発生します。過塩素酸カリウムとともに、一部の火工品点火装置に使用されます。粗粉末は枝分かれした青白色の火花を発生させます。
  • フェロチタン– 鉄とチタンの合金で、明るい黄白色の火花を発生させ、花火の星、ロケット、彗星、噴水などに使用される。
  • フェロシリコン– 鉄とケイ素の合金で、一部の混合物に使用され、場合によってはケイ化カルシウムの代替として使用される。
  • マンガン– 燃焼速度を制御するために使用される（例：遅延組成物）
  • 亜鉛– 一部の煙発生組成物に使用され、初期のアマチュアロケット燃料の一部で硫黄とともに使用され、花火の星にも使用されます。重い亜鉛ベースの組成物は、十分に高く飛ぶために追加の揚力が必要になる場合があります。湿気に敏感で、自然発火する可能性があります。煙発生組成物以外では主燃料として使用されることはまれですが、二次的な増強燃料として見られることがあります。
  • 銅– 他の燃料と混ぜて青色の着色剤として使用される
  • 真鍮– 銅を含む亜鉛と銅の合金で、一部の花火の調合に使用され、銅含有量から青色の着色剤として用いられる。
  • タングステン– 組成物の燃焼速度を制御し、遅くするために使用され、遅延組成物にも使用される。
  • ジルコニウムニッケル合金 – 一部の軍用遅延剤に使用されている
• 金属水素化物（純金属よりも 燃焼熱は低いが、水に対する感度／反応性が高い）：
  • チタン(II)水素化物– 過塩素酸カリウムとともに、一部の点火装置に使用されます。
  • 水素化ジルコニウム(II)は、過塩素酸カリウムとともに一部の点火装置に使用されます。
  • 水素化アルミニウムは、保管時に不安定であり（湿気で容易に分解する）、水と接触すると危険な反応を起こす。
  • デカボラン– ロケット燃料として実験的に使用された。
• 金属炭化物
  • 炭化ジルコニウム– 一部のロケット燃料に使用され、燃焼不安定性抑制剤としても用いられる。
• メタロイド
  • シリコン– 高い燃焼温度を持ち、溶融ガラスを生成する。一部の点火組成物や遅延装薬に使用され、一般的には四酸化鉛と併用される。
  • ホウ素– 一部の点火混合液に使用される
  • アンチモン– 花火にきらめき効果を与えるために使用される。有毒で、真っ白に燃える。通常は200～300メッシュで使用される。硝酸カリウムと硫黄と組み合わせると白い炎が出る。
• 非金属無機物
  • 硫黄– 着火促進剤、燃焼速度を上昇させる。温度、衝撃、摩擦に対する感度を高める。塩素酸塩と組み合わせると危険。硝酸塩と併用されることが多い。添加剤として使用される。残留酸を含む場合があるため、酸に敏感な組成物では炭酸塩またはその他のアルカリ安定剤との組み合わせが推奨される。
  • 赤リン– 特に塩素酸塩と組み合わせると非常に危険（アームストロング混合物）；雷管に使用される；マッチや一部の軍用赤外線照明弾にも使用される；有毒
  • 白リンは焼夷兵器や一部の軍事用煙幕の製造に使用され、空気中で自然発火する。さらに毒性が強い。
  • ケイ化カルシウム– 一部の特殊組成物に使用される
  • 三硫化アンチモン– 点火促進剤。微粉末は感度を高め、祝砲の轟音を鋭くする。有毒で静電気に敏感。^{[ 2 ]} 明るい白色光を発し、結晶はグリッター組成物や白色彗星、花火の星の燃料としても使用される。摩擦や衝撃に敏感。感度の程度は酸化剤によって異なる（塩素酸カリウムでは摩擦と衝撃に敏感、過塩素酸カリウムでは摩擦に敏感、過塩素酸アンモニウムでは衝撃に敏感、硝酸カリウムではどちらにも敏感ではない）。
  • 硫化ヒ素（鶏冠石）は、毒性があり、衝撃や摩擦に敏感です。少量でも塩素酸塩と反応しやすいため、報告用組成物に使用されます。沸点が低いため、黄色の発煙剤にも使用されます。
  • 三硫化リン–マッチの製造に使用される
  • リン化カルシウム–湿るとホスフィンを放出し、一部の海軍信号弾に使用される。
  • チオシアン酸カリウム
• 炭素ベースの
  • 炭素
    • 木炭– かすかな金色の火花を散らす
    • グラファイトは、ロケット燃料の不透明化剤としても使用され、放射による熱が燃料の下層に伝わるのを防ぎ、それに伴う爆発を回避する。
    • カーボンブラック– 花火で長持ちする微細な金色の火花を発生させる。ロケット燃料の不透明化剤としても使用される。
  • アスファルタム– 炭素を主成分とする燃料であり、結合剤としても使用される。一部の形態にはアンモニアが含まれているため、塩素酸塩と混合してはならない。^{[ 1 ]}
  • 木粉
• 有機化学品
  • 安息香酸ナトリウム–過塩素酸カリウムとともに笛の混合液によく使用される
  • サリチル酸ナトリウム– 一部のホイッスルミックスに使用されています
  • 没食子酸– 一部の笛の混合液に使用されています。衝撃や摩擦に弱いため、より安全な代替品があります。
  • ピクリン酸カリウム– 一部の笛の成分に使用され、没食子酸よりは安全だが、重金属（鉛など）と反応して爆発性の塩を形成するため、依然として危険である。
  • テレフタル酸– 一部の煙発生組成物の燃料
  • ヘキサミン– 低反応性の補助燃料
  • アントラセン– 一部の煙発生剤の燃料であり、黒煙を発生させる
  • ナフタレン– 一部の煙の組成物に含まれる燃料
  • 乳糖– 多くの発煙組成物において塩素酸カリウムと併用される。安価で反応性の低い補助燃料。
  • デキストロース– 一部のアマチュア用固体ロケット燃料に使用されている。
  • スクロース– 一部の煙の組成物に使用される
  • ソルビトール– 硝酸カリウムと併用して、アマチュア用固体ロケット燃料として使用される
  • デキストリンも結合剤です
  • ステアリン、ステアリン酸– 補助燃料、一部の組成物では木炭や硫黄の代替品として使用可能。炎を長くし、摩擦感受性を低減する。鎮静剤。
  • ヘキサクロロエタン– 多くの軍事用発煙剤に使用されている
• 有機ポリマーおよび樹脂（結合剤としても使用されることがある）
  • テフロン、バイトン、その他のフッ素系ポリマーは、酸化剤としても機能することがあり、マグネシウム/テフロン/バイトンなどの軍用発火剤組成物に使用されます。また、一部の微細な金属粉末と接触すると非常に反応性が高いです。
  • ヒドロキシル末端ポリブタジエン（HTPB）は、アルミニウムおよび硝酸アンモニウムとともに、複合ロケット燃料の燃料および結合剤として使用される。
  • カルボキシル末端ポリブタジエン（CTPB）は、複合ロケット燃料において燃料および結合剤として使用される。
  • PBANは、アルミニウムおよび硝酸アンモニウムとともに、複合ロケット燃料の燃料および結合剤として使用される。
  • ポリサルファイドは、複合ロケット燃料において燃料および結合剤として使用される。
  • ポリウレタンは、複合ロケット燃料において燃料および結合剤として使用される。
  • ポリイソブチレン
  • ニトロセルロース
  • ポリエチレン
  • ポリ塩化ビニルは、塩素供与体および結合剤としても機能する。
  • ポリ塩化ビニリデンは塩素供与体としても機能する。
  • シェラックは、特に着色された炎の合成に適しています。
  • アクロイデス樹脂（レッドガム）は、シェラックよりも燃焼速度が速く、過塩素酸カリウムと併用してもよく燃焼します。キク科の星形模様に適しています。

金属燃料を使用する場合、金属粒子のサイズが重要になります。表面積対体積比が大きいほど反応速度が速くなるため、粒子サイズが小さいほど燃焼速度が速くなります。形状も重要です。溶融金属を噴霧して得られるような球状粒子は好ましくありません。金属箔を粉砕して得られるような薄くて平らな粒子は反応表面積が大きいため、より速い反応速度が求められる場合に理想的です。ナノ粒子を使用すると反応速度に劇的な影響を与えることができ、準安定分子間複合体はこの特性を利用しています。

適切な金属燃料は、酸化剤と混合する前であっても、それ自体が危険な場合がある。自然発火性の金属粉末の生成を避けるため、慎重な取り扱いが必要である。

過塩素酸塩、塩素酸塩、硝酸塩は、閃光粉末の酸化剤として最も一般的に使用される。その他には、過マンガン酸塩、クロム酸塩、および一部の酸化物も考えられる。一般的に、酸化剤の量が少ないほど燃焼速度は遅くなり、発生する光量は多くなる。非常に高温で使用する場合は、硫酸塩を強力な還元性燃料と組み合わせて酸化剤として使用できる。

使用されている酸化剤には以下が含まれます。

• 過塩素酸塩（塩素供与体としても機能する）：
  • 過塩素酸カリウム– 一般的で、比較的安定している。吸湿性はほとんどない。水への溶解度が低い。塩化カリウムの高温の炎と煙を発生させる。塩素酸カリウムのより安全な代替品。リンに衝撃を受けやすい。
  • 過塩素酸アンモニウム– 現代の固体ロケット燃料で最も一般的な酸化剤。過塩素酸カリウムよりも機械的刺激に敏感。花火にはあまり使われない。高温の炎を発生させ、塩素供与体として作用することでバリウム、ストロンチウム、銅の着色剤を増強する。湿っているとマグネシウムと反応して熱とアンモニアを放出し、自然発火する可能性がある。硝酸カリウム（例えば黒色火薬）と接触すると、過塩素酸カリウムと吸湿性の硝酸アンモニウムを生成する。硝酸ナトリウムとはこのような反応は起こらない。塩素酸カリウムと反応して不安定で徐々に分解する塩素酸アンモニウムを生成する。このような組み合わせは避ける必要がある。^{[ 1 ]}
  • 過塩素酸ニトロニウム
• 塩素酸塩（塩素供与体としても機能するが、不安定で爆発性の塩素酸アンモニウムを生成するためアンモニウム塩とは相性が悪く、自然発火性の二酸化塩素を生成するため硫黄やその他の酸性化学物質とは相性が悪く、リンとは非常に危険であり、炭化水素燃料／結合剤（アスファルトやアラビアゴムなど）と混合してはならない。可能な限り、より安全な過塩素酸塩に置き換えるべきである）：
  • 塩素酸カリウム– 過塩素酸塩よりはるかに不安定で、危険物なので、可能であれば避けてください。燃焼速度が速く、着火しやすい。硝酸カリウムよりわずかに吸湿性が高い。塩化カリウムの煙を発生させる。塩素供与体として作用する可能性がある。硫黄や硫化物に対して衝撃や摩擦に対する感度が高い。アンモニウム塩と反応すると不安定な塩素酸アンモニウムを生成する。マッチの頭薬、一部の着色煙、小型爆竹や玩具のキャップに使用される。^{[ 1 ]}
  • 塩素酸バリウム– 花火の緑色の着色剤としても使用される。敏感なため、使用は避けた方が良い。吸湿性はほとんどない。日光の下で自然発火する可能性がある。低温の炎でも非常に優れた緑色の着色剤である。^{[ 1 ]}
  • 塩素酸ナトリウムは過塩素酸塩よりもはるかに不安定で、危険物であり、黄色着色料としても使用され、吸湿性がある。
• 硝酸塩（アルミニウムと混合する場合は、安定剤としてホウ酸を添加する必要があります）：
  • 硝酸カリウム- 非常に一般的で、黒色火薬やさまざまな組成物に使用されています。吸湿性はあまりありません。低温（ロジンやシェラックなどの通常の燃料との組み合わせ）では効率が悪く、よく燃えず、亜硝酸カリウムを生成します。高温では、木炭や硫黄、またはマグネシウムとの組み合わせでよく分解します。マグネシウムを添加しない限り、色付きの炎を作るのに十分な温度は発生しません。火花はよく発生します。粉塵中に存在すると、粉塵は危険で非常に燃えやすくなります。^{[ 1 ]}
  • 硝酸ナトリウム- 吸湿性のある黄色の着色剤。強い黄色の光を発し、照明用組成物に使用される。粉塵中に存在すると粉塵が有害になる。低温では亜硝酸塩灰を生成し、高温では完全に分解する。^{[ 1 ]}
  • 硝酸カルシウム― 赤橙色の着色料としても用いられる。
  • 硝酸アンモニウムは、あまり一般的ではない複合ロケット推進剤に使用される。吸湿性があり、低温では分解する。乾燥状態では、Al、Zn、Pb、Sb、Bi、Ni、Cu、Ag、Cdと反応し、湿潤状態ではFeとも反応する。銅と反応すると爆発性化合物を形成する。
  • 硝酸バリウム– 緑と白の最も一般的な酸化剤/着色剤ですが、着色効果はやや弱く、塩素供与体が必要です。フラッシュパウダーや一部の軍用赤外線フレアにも使用されます。バリウムは混合物の安定剤としても機能します。^{[ 3 ]}軽金属の硝酸塩よりも高い温度で分解し、より高い燃焼温度を促進します。アルミニウムと組み合わせると明るい銀色の火花が発生します。アルミニウムと組み合わせる場合は、安定剤としてホウ酸を添加することが推奨されます。吸湿性はあまりありません。^{[ 1 ]}
  • 硝酸ストロンチウム– フレア、火、星などの赤色の最も一般的な酸化剤/着色剤。ストロンチウムは混合物の安定剤としても機能します。^{[ 4 ]}低温（有機燃料と併用）では、炎を覆い隠す可能性のある亜硝酸ストロンチウム灰を生成し、高温（マグネシウムと併用）では完全に分解します。低温の炎の着色剤、高温の炎の着色剤および酸化剤。
  • 硝酸セシウム– 一部の軍事用赤外線フレア組成物に使用される
• 過マンガン酸塩：
  • 過マンガン酸カリウム– 初期の混合物に使用されていたが、現在では敏感で不安定であると考えられている
  • 過マンガン酸アンモニウム– 中程度の爆発力を持つ
• クロム酸塩：
  • クロム酸バリウム– 遅延剤、例えば花火ロケットなどに使用されます。
  • クロム酸鉛– ディレイコンポジションに使用される
  • 二クロム酸カリウム– 酸化剤としてまれに使用される。マグネシウム粒子の不動態化のための表面処理、触媒、および一部のマッチにも使用される。過塩素酸カリウムがしばしば添加される。
• 酸化物と過酸化物：
  • 過酸化バリウムは不安定で自然分解するため、これを含む組成物は保管してはならない。
  • 過酸化ストロンチウム
  • 四酸化鉛― 多用途だが有毒
  • 二酸化鉛– 摩擦に敏感な組成物（例：マッチ）に使用される
  • 三酸化ビスマス– 一部の組成物において、四酸化鉛の安全な代替品として使用される
  • 酸化鉄(III) – 高温酸化剤、触媒
  • 酸化鉄(II,III) –テルミットおよびテルメートにおける酸化剤
  • 酸化マンガン(IV) – マンガンテルミットの酸化剤、触媒
  • 酸化クロム(III) – クロムテルミットの酸化剤
  • 酸化スズ(IV) - 一部の遅延電荷の酸化剤^{[ 5 ]}
• 硫酸塩（反応には高温と強力な還元性燃料が必要）：
  • 硫酸バリウム– ストロボ組成物などの高温酸化剤、緑色着色剤
  • 硫酸カルシウム– 例えばストロボ組成物に使用される高温酸化剤、赤橙色の着色剤。
  • 硫酸カリウム– 高温酸化剤、紫色の着色剤
  • 硫酸ナトリウム– 高温酸化剤、黄色着色剤
  • 硫酸ストロンチウム– 高温酸化剤、赤色着色剤
• 有機化学品
  • 硝酸グアニジン– 高出力ロケット燃料、推進剤、青色花火組成物の一部に使用される。
  • ヘキサニトロエタン– 一部の特殊な軍事用組成物に使用される
  • シクロトリメチレントリニトラミン– 一部の二塩基推進剤に使用される
  • シクロテトラメチレンテトラニトラミン– 一部の二塩基推進剤に使用される
• その他
  • 硫黄― 亜鉛硫黄燃料における亜鉛の酸化剤
  • テフロン– 一部の金属燃料の酸化剤
  • ホウ素はチタンの酸化剤であり、二ホウ化チタンを形成する^{[ 6 ]}

カリウム塩の代わりに、対応するナトリウム塩を用いることができる。

• 冷却剤。用途によっては、混合物の燃焼温度を下げたり、反応速度を遅くしたりする必要がある場合があります。このような目的のために、不活性物質（例えば、粘土、珪藻土、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウムなど）または吸熱分解性物質（例えば、炭酸塩）が添加されます。オキサミドは、一部の推進剤組成物において高性能燃焼速度抑制剤として使用されます。炭酸ストロンチウムは、一部の火薬において難燃剤として使用されます。
• 消火剤。硝酸カリウムと硫酸カリウムが一般的に使用される。
• 不透明化剤。一部の固体ロケット推進剤は、材料を通じた放射熱伝達に問題があり、爆発につながる可能性があります。カーボンブラックやグラファイトは、この影響を抑制するためによく使用されます。
• 着色剤。塩素源と組み合わせて使用​​される場合もある。通常は適切な金属塩、多くはバリウム、ストロンチウム、カルシウム、ナトリウム、銅などである。塩は同時に酸化剤としても機能する。銅金属も使用できる。酢酸亜ヒ酸銅と過塩素酸カリウムを組み合わせると、最も鮮やかな青色が得られる。
• 塩素供与体。着色剤と併用して使用されます。場合によっては、発光種は原子ではなく分子です。青色の花火の炎の場合がこれに該当し、発光種は一塩化銅です。また、一部の塩化物分子発光体は、バリウムやストロンチウムの場合のように、同じ元素の酸化物よりもはるかに強力です。ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、サラン、塩素化パラフィン、塩素化ゴム（例：パーロン）、ヘキサクロロエタン、ヘキサクロロベンゼン（1970年代まで最も一般的な塩素供与体でしたが、現在ではほとんど使用されていません）、およびその他の有機塩素化合物や無機塩素化合物（例：塩化アンモニウム、塩化第一水銀）が塩素供与体として使用されます。過塩素酸塩と塩素酸塩は、酸化剤としての主な用途とともにこの役割を果たします。塩素供与体は、煙組成物にもよく使用されます。たとえば、ヘキサクロロエタンと酸化亜鉛を併用して、塩化亜鉛をベースとした煙を生成します。
• 触媒。推進剤の配合では、より速く、より安定して燃焼させるために触媒が必要となることが多い。遷移金属イオンや錯体がよく用いられる。特定の酸化剤が触媒として用いられることが多い。例えば、硝酸アンモニウムをベースとした推進剤の配合では、二クロム酸アンモニウムが触媒として用いられる。その他の触媒としては、例えば、酸化鉄(III)、水和酸化鉄、二酸化マンガン、二クロム酸カリウム、クロム酸銅、サリチル酸鉛、ステアリン酸鉛、2-エチルヘキソ酸鉛、サリチル酸銅、ステアリン酸銅、フッ化リチウム、 n-ブチルフェロセン、ジ-n-ブチルフェロセンなどがある。
• 安定剤。塩素酸塩を含む混合物などは、分解して酸性の副生成物を生成する傾向があります。炭酸塩（炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウムなど）やその他の弱アルカリ性物質を添加することで、このような酸を捕捉できます。ホウ酸は、アルミニウムの水分に対する感受性を抑制し、硝酸塩を含む金属の混合物を安定化するために使用できます（硝酸塩は、金属と発熱反応を起こして自然発生的な反応を引き起こすアミドを形成する可能性があります）。多くの有機硝酸アミンも安定剤として使用されます。例えば、 2-ニトロジフェニルアミンなどです。ワセリン、ヒマシ油、亜麻仁油などは、安定剤として使用できるほか、粒子に疎水性を付与し、金属（特に鉄とマグネシウム）を腐食から保護するためにも使用できます。エチルセントラライトと2-ニトロジフェニルアミンは、一部のロケット推進剤に使用されています。
• 固結防止剤。例：ヒュームドシリカ。粉末組成物、例：閃光火薬または火薬。グラファイトは、粒子をコーティングし、潤滑し、静電気を放散するために使用される場合がある。炭酸マグネシウムも、炭酸塩安定剤としての機能とともに使用される。
• 結合剤。多くの場合、ガムや樹脂、例えばアラビアゴム、レッドガム、グアーガム、コパル、カルボキシメチルセルロース、ニトロセルロース、米デンプン、コーンスターチ、シェラック、デキストリンなど。結合剤は燃料としても使用できます。カンファーは可塑剤として使用できます。結合剤は、例えば花火の星などのコンパクトな組成物の製造に使用されます。HTPBやPBANなどのポリマーは、ロケット燃料によく使用されます。その他、例えばポリエチレンやポリ塩化ビニルなどのポリマーも使用されることがあります。
• 可塑剤。推進剤粒子の機械的特性を向上させます。複合ロケット推進剤には、アジピン酸ジオクチル、ペルオキシドイソデシル、フタレートジオクチルがよく使用されます。可塑剤は、ニトログリセリン、ブタントリオールトリニトラート、ジニトロトルエン、トリメチロールエタン、ジエチレングリコールジニトラート、トリエチレングリコールジニトラート、ビス(2,2-ジニトロプロピル)ホルマール、ビス(2,2-ジニトロプロピル)アセタール、 2,2,2-トリニトロエチル2-ニトロキシエチルエーテルなど、他の高エネルギー物質（無煙火薬によく見られる）である場合もあります。
• 硬化剤および架橋剤。複合ロケット推進剤のポリマー成分を硬化させるために使用されます。これらには、パラキノンジオキシム、トルエン-2,4-ジイソシアネート、トリス(1-(2-メチル)アジリジニル)ホスフィンオキシド、N,N,O-トリ(1,2-エポキシプロピル)-4-アミノフェノール、およびイソホロンジイソシアネートが含まれます。
• 結合剤。バインダーと燃料/酸化剤粒子間の結合レベルを高めるために使用されます。これには、トリス(1-(2-メチル)アジリニジル)ホスフィンオキシドとトリエタノールアミンが含まれます。