发光信号剂配制原理

虽然不同色光的信号剂的成分不同，但都不外乎含有氧化剂、可燃剂、黏结剂、使火焰着色的染焰剂及改善火焰颜色的含氯有机化合物等。色彩和比色纯度是发光信号剂的主要示性数。为了配制优良的发光信号剂，必须了解影响发光信号剂色彩和比色纯度的各种因素。

7.2.3.1　影响发光信号剂色彩和比色纯度的因素

影响发光信号剂色彩和比色纯度的因素主要有染焰剂的性质、燃烧热和燃烧温度、燃烧生成物、药剂的氧平衡和火焰附加物等。

（1）染焰剂的性质。使发光信号剂火焰着色的物质（某些金属盐类）称为染焰剂。它在火焰光谱的一定波段上应产生明亮的谱线或谱带。在实际应用中，广泛地用钠蒸气的原子辐射来获取黄色火焰。随钠盐的阴离子不同，其火焰的比色纯度也有差异，它们的谱线强度顺序如下：

这一顺序是由于它们的热安定性不同。热安定性越小，其火焰中的金属蒸气越多，所辐射的谱线强度越大，因而它的比色纯度就越高。从理论上讲，氯化钠应为黄色火焰的最好染焰剂，但它极易吸潮而不被选用。实际在配制黄色发光信号剂时，采用的是硝酸钠、草酸钠、氟铝酸钠等。

利用原子辐射制取的黄色火焰最不希望在药剂中加入含Cl、HCl、NH4Cl等物质，因为它们能干扰和降低黄光的发光强度，会使火焰中钠蒸气的谱线不易见到。

红色、绿色和蓝色火焰均是由分子辐射产生的带状光谱。利用分子辐射获得的有色火焰，总是希望在燃烧时能生成金属氯化物。因为在有金属氯化物存在时，火焰能获得较好的色彩和较高的比色纯度。氯化物随其阳离子的不同，高温时其热安定性也有差异。其热安定性顺序如下：

通常是靠SrCl（红色）、BaCl（绿色）、CuCl（蓝色）的一氯化物分子辐射来获取红、绿、蓝色火焰的。

靠金属氧化物（SrO、BaO、CuO）分子辐射来获取有色火焰则比靠相应的氯化物为差。例如SrO的升华温度高（2 500℃以上），很难使它的蒸气在火焰中有很大的浓度，故不呈深红色，而只能呈玫瑰色（谱带在606 nm附近）。

金属氟化物（SrF2、BaF2）的火焰不能染成特定颜色。例如SrF的光谱有两条带组，一条带组为678～628 mm（红色）；另一条带组为586～562 nm（黄绿色）。由此说明，某种染焰剂能否适用于发光信号剂，辐射体的光谱性质是决定的因素。

（2）燃烧热和燃烧温度。发光信号剂在燃烧时所放出的热量，应使火焰中气态的原子或分子成激发状态。通常在燃烧热量不低于2.5～3.3 kJ/g时，才能得到良好的有色火焰。

对于产生原子辐射的发光信号剂来说，在一定限度内燃烧反应热量和燃烧温度越高，火焰中原子的辐射强度越大。因此，在这类药剂中可加入一些金属可燃物。相反，以分子辐射的发光信号剂，其燃烧温度不宜过高（<2 000℃），避免辐射体离解成游离金属原子，造成金属原子在不同谱段上辐射出许多谱线，使火焰不能呈现所期望的颜色。试验证实，随着燃烧温度及燃烧热的增高，以分子辐射的有色火焰光谱中的谱带数量会减少，而谱线数目和强度却逐渐增大，从而降低了火焰的比色纯度。

当某些有色火焰药剂的燃烧温度过低时，可以通过加入一定量的金属可燃剂来提高燃烧热值，从而保证鲜明的火焰颜色产生。但加入量要适当（一般为20%以下），否则会因加入量增多而提高了燃烧热和燃烧温度，造成火焰比色纯度降低。

（3）燃烧生成物。发光信号剂在燃烧时之所以发色光，是因为其火焰中有气体生成物的存在。所以，在选择药剂成分时，必须选用气态生成物较多（占40%～50%）的物质。火焰中气相越高，产生连续光谱的温度辐射就越少。但为了使火焰具有一定的亮度，也须有适量的固态燃烧生成物存在。其占有量多少为佳，要通过试验确定，通常占有量为50%～60%。

必须指出，选择有机化合物作可燃物和黏结剂时，应当采用含氧和氢比较多而含碳尽量少的物质。因为含碳高的有机物质在燃烧时会产生游离碳，使火焰产生烟而呈现黄色。

（4）药剂的氧平衡。无论是以分子辐射为主的，还是以原子辐射为主的发光信号剂，都应配制成负氧平衡。负氧平衡的程度应保证药剂中的碳氧化成CO。以一氯化物为辐射体的发光信号剂，在氧化火焰中会分解生成金属氧化物：

由上述反应式可知，若药剂中含氧量多，反应则趋向右边，这时将产生大量的氧化物，火焰的比色纯度则下降；若药剂为负氧平衡，含氧量少，反应则会趋向左边，这时将生成大量氯化物，火焰的比色纯度将提高。但是，若药剂中金属可燃物过多（负氧平衡大的药剂），会使金属氧化物还原成游离金属，例如：

结果也使火焰不能获得所希望的颜色。

（5）火焰附加物。在以分子辐射为主的发光信号剂中，为了在其火焰中形成一氯化物的辐射体（如SrCl、BaCl、CuCl），可在以硝酸盐为主的药剂中加入适量的有机氯化物（如聚氯乙烯、六氯代苯、氯化橡胶及有机卤素化合物等）。这样药剂在燃烧时，有机氯化物分解成游离的氯，为生成氯化物创造了条件。

必须指出，加入的有机氯化物应含有大量的氯（不少于50%），并且不应有挥发性。

7.2.3.2　发光信号剂的配制要求

配制发光信号剂的主要要求如下：

（1）药剂燃烧时所放出的热量，必须保证其火焰中的气态原子或分子能充分地激发或离子化。实际只有燃烧时放出热量不少于2.5～3.3 kJ/g药剂时，才能使火焰产生足够强烈的有色辐射。

（2）以分子辐射的发光信号剂，其火焰温度不应超过其分子辐射体的离解温度。但以原子辐射为主的药剂，在一定范围内增高其火焰温度有利于有色火焰的辐射。(www.xing528.com)

（3）在药剂燃烧时，所产生的使火焰染色的元素或化合物，在1 000～1 200℃时必须完全气化。为达到这个目的，多利用碱土金属氯化物的辐射。

（4）在提高比色纯度的同时，又要保证一定的发光强度，以便于远距离观察识别。通常在药剂中加入适量（15%～20%）的金属可燃物，使火焰具有一定的发光强度。

（5）无论是以分子辐射还是原子辐射为主的药剂，都应配成适当的负氧平衡，以利于产生足够浓度的有色火焰蒸气，提高火焰的比色纯度。

7.2.3.3　发光信号剂配方举例

（1）黄光信号剂。黄光火焰是利用原子辐射光谱，它主要是火焰中的钠离子在589 nm处的辐射。典型配方如下：

1）KClO3+有机可燃物+钠盐。例如KClO3 60%、Na2C2O4（或Na3AlF6）25%、酚醛树脂（或虫胶）15%。这种药剂在燃烧时分解出的热量少（4.2 kJ/g以下），其火焰的发光强度不高，但具有良好的比色纯度（80%～85%），其燃烧反应式为：

缺点是机械敏感度高，制造及使用不够安全。如用KNO3代替部分KClO3，可以降低其感度。

2）NaNO3+Mg+黏结剂。例如NaNO3 59%、Mg 17%、虫胶24%。这种药剂因含有Mg，发光强度高，但NaNO3吸湿性大，只有良好密封防潮条件下才能使用。

3）KNO3+钠盐+Mg+黏结剂。例如KNO3 37%、Na2C2O4 30%、Mg 30%、酚醛树脂3%。这种药剂虽吸湿性小，但燃烧时放热量大（>4.2 kJ/g），质量光量约有5×104 lm·s/g，故其火焰的比色纯度较低。

黄光信号剂的特点是火焰纯度高，这是由于Na在火焰光谱的黄色部分产生单色辐射。美军黄光信号剂配方见表7.23。

表7.23　美军黄光信号剂配方%

（2）红光信号剂。红光火焰是利用分子辐射光谱，它是锶盐在高温分解时产生的。制取红光信号剂通常采用的锶盐是硝酸锶和碳酸锶，典型的配方如下：

1）KClO3（或KClO3）+有机可燃物+锶盐。例如KClO360%、SrCO325%、酚醛树脂15%。这种药剂具有良好的比色纯度（80%～90%），但机械感度高。若用KNO3代替KClO3，虽感度降低了，但为了提高火焰亮度，不得不加入金属粉（如Mg粉），从而又带来火焰比色纯度下降的问题。

2）Sr（NO3）2+Mg+黏结剂（或有机氯化物）。例如Sr（NO3）267%、Mg 13%、聚氯乙烯20%。这种药剂因燃烧时有游离氯生成，能促成SrCl生成。当药剂为负氧平衡时，因火焰内存有还原气体，阻碍SrCl氧化成SrO（SrO光谱在橙色区域），火焰的色彩和比色纯度较高。

SrCl是红光火焰的最良辐射体。通过加入含氯有机化合物促成SrCl大量生成，同时使药剂为负氧平衡，阻碍SrCl氧化成SrO，二者都是十分必要的。有关美军红光信号剂配方见表7.24。

表7.24　美军红色光信号剂配方%

（3）绿光信号剂。绿光火焰也是利用分子辐射光谱，它是以钡盐为基础而获得的。典型配方如下：

1）Ba（ClO3）2+有机可燃物。例如Ba（ClO3）285%、虫胶15%。这种药剂虽然能获得很美的绿色火焰，但因含大量Ba（ClO3）2，机械敏感度高，尽管用石腊或凡士林钝化处理，实际使用中仍发生多次安全事故，所以被淘汰了。

2）Ba（NO3）2+Mg+黏结剂（或有机氯化物）。例如Ba（NO3）265%、Mg 15%、聚氯乙烯10%、酚醛树脂10%。这种药剂有良好的比色纯度，机械敏感度也比较低。

美军绿光信号剂的典型配方是：Mg 35%、KClO4 22.5%、Ba（NO3）2 22.5%、聚氯乙烯13%、聚酯树脂7%。

（4）蓝光信号剂。蓝光火焰也是利用分子辐射光谱，以CuCl为辐射体。最佳典型配方为：KClO3 61%、矿蓝[2CuCO3·Cu（OH）2]19%、S 20%。配方中含S，有利于游离氯的生成：Cl2与矿蓝分解出的Cu离子作用，从而导致CuCl2的产生。

除用矿蓝外，也可以用其他铜盐，如使用孔雀石[CuCO3·Cu（OH）2]、巴黎绿[（CuO）2As2O3Cu（C2H3O2）2]、硫酸铜（CuSO4·5H2O）及铜粉来制取蓝光剂。

美国用于遇险求救信号弹的蓝光剂配方为：KClO4 39.8%、Ba（NO3）2 19.5%、巴黎绿32.5%、硬脂酸钙8.2%。