浅谈蓝色烟花效果配方设计

从化学的角度来看，烟花效果的基础是一场快速释放能量的氧化还原反应。无论是炸开的效果、声响，还是激发五彩斑斓的光芒，都要依靠化学反应释放的各种形式的能量。

在这个反应中，需要两种最基本角色：氧化剂，以及用来烧掉的“燃料”。在我们所熟知的传统配方黑火药中，就是硝酸钾充当了氧化剂，木炭和硫作为“燃料”。用黑火药就做出传统的爆竹，而现代的烟花效果对火药配方设计还有更多要求。通过改变氧化剂和“燃料”的种类，可以调整所达到的火焰温度，最终产生不同的效果。比如说，如果把燃烧的东西从树脂之类的有机物改成金属镁，就能提高火焰温度，同时带来更耀眼的光。

在生理上，颜色是一种感觉，是光谱对眼睛刺激的结果。但是镁、铝、钛之类的金属并不提供彩色的火焰，它们只可以制造银白、黄白色火花效果。如果用上铁或者铁合金，还能得到橙黄色的针刺火花。而着色剂就是一类用来决定烟花彩色火焰颜色的化学物质，一般由金属盐构成，使用不同的金属盐会产生不同的颜色，把它们混合在一起使用又会新产生几种叠加而成的颜色。这些着色剂化学物质高温中被激发，并释放出特定波长的光——产生了“焰色反应”。比如理论上，钠盐会产生黄色，锶盐会产生红色，钡盐会产生绿色，而铜盐，会产生蓝色。

但事实上，这并不想当然，要想获得“优质”的火焰颜色是个很复杂的问题，笔者在实际研发中尤其发现，要制作颜色艳丽的蓝色烟花效果相对比较困难，经过多年学习和总结，对影响蓝色烟花效果展现及比色纯度（颜色的纯洁性和浓淡程度）的因素有几点认识：

（1）燃烧热和燃烧温度

当金属盐类遇到高温火焰时，它们首先会自身或者与火焰中其它物质发生一些化学变化，产生游离的“发光体”，这些“发光体”在高温下被激发，然后其中的电子再跃迁回到基态，这时候就会发出特定波长的光。钠的标志性黄光来自原子光谱，而其它很多“发光体”却是一些在火焰中形成的简单分子。在一定区间内，火焰中产生颜色的“发光体”越多越热，发出的颜色光就越多，简而言之，就是会产生更清晰明亮的颜色，视觉观感就越好。如果需要耀眼的光芒，可以加入以镁粉和铝粉为代表的光辉剂。普通烟花燃烧时的温度在1000-2000摄氏度，但加入光辉剂后，燃烧温度甚至可能达到3000摄氏度，这样可以呈现异常明亮的炽烈光芒，但其加入量要适当，一般为20%以下，否则会因为加入量增多而提高了燃烧热和燃烧温度。

但这样就产生了一个问题。如果温度太高，某些产生颜色的化学物质就会被分解，造成火焰比色纯度降低——只有比色纯度高的火焰才能呈现明显的光色，从而导致颜色褪色。虽然有些着色剂比其它的更具有耐热弹性区间，例如，使烟花呈现红色的SrCl￣，它可以很容易地承受高达一千摄氏度的温度；但是，一旦当它达到某个更高的温度，它也是会开始分解、褪色。

一般的，利用“发光体”分子辐射获得有色火焰，总是希望在燃烧时能生成金属氯化物，而蓝色烟花所需的那种纯正蓝色是来自CuCl￣这种“发光体”的光谱。要想形成这种蓝光效果，需要有铜化合物和富含氯的火焰（氯可以来自高氯酸盐、氯化有机物之类的物质），同时，火焰温度也必须恰到好处，才能让分子“发光体”形成并且保持稳定。对于蓝色的“发光体”，这一要求尤其严格，分解温度只有几百度，当它发生焰色反应时，实际上已经开始分解了。因此，蓝色可以说是烟花中最难呈现的一种色彩。

（2）蓝色的特性

与蓝色烟花效果展现有关的另一个问题是，傍晚天空的颜色也是一种相近蓝色的。与蓝色天空的背景相比，许多色调的蓝色很难被注意到。要使它们变亮，就必须要更高的温度，可是更高的温度又意味着明亮的蓝色会被淡化。如果仔细想一想，就会发现蓝色本身是暗淡的、难以捕捉的，这种颜色在自然界中似乎就是不能明显被找到的。

（3）药剂的氧平衡

经查询一些资料得知：蓝光发光的波长范围是400～480nm。在烟火焰色反应中，CuCl￣具有最佳蓝色火焰发射，其火焰在428～452nm区域产生一系列发射带，在476～488nm也存在发射峰，这正是蓝色呈现的最佳情况。

然而在富氧火焰中，当温度>1200℃时，CuCl￣是不稳定的，会氧化或水解生成CuO和CuOH￣。CuOH￣在525～555nm区域（绿色）有发射，会掩盖蓝色火焰发射，CuO在红色区域有一系列的发射带，而这种红色通常可以在蓝色火焰的顶部看到，因为火焰顶部的空气中有足够的氧气将CuCl￣转化为氧化铜。

因此，想要呈现蓝光温度最好控制在1200摄氏度以下，且蓝色火焰药剂配方设计都应在至少保证药剂中的碳氧化成一氧化碳的前提下配制成负氧平衡。

（4）烟火材料的性质和选择

从烟火材料上来说，氧化铜、碱式碳酸铜以及五水硫酸铜是蓝色烟火剂中常见的Cu源供体，金属粉和树脂等是常用燃料，KClO4和NH4ClO4是常用氧化剂，同时也可是Cl源供体，然而考虑到CuCl￣在>1200℃时的不稳定性，选取KClO?作为氧化剂能更有效保证蓝色烟火的火焰效果，这是因为KClO?分解放热要比KClO4剧烈的多，能在较低的温度下维持烟火反应。以南理工潘功配教授著《高等烟火学》教材中的一个蓝光信号剂，即蓝色火焰烟火药剂配方为例：氯酸钾（KClO?）61%+碱式碳酸铜[蓝铜矿型，又叫矿蓝，2CuCO?·Cu（OH）?]19%+硫磺（S）20%，可见这个配方很简单，无非是氧化剂KClO?、还原剂S和发色剂碱式碳酸铜的混合物。然而，在高湿度环境中，氯酸根易与铜离子发生盐置换作用，生成氯酸铜，该物质反应活性极高，有极高的燃烧爆炸风险（经摩擦，震动或撞击即可引起燃烧爆炸），且存在一定的存储不安定性。当然，由于KClO?的高度危险性，目前烟花生产行业已严令禁止其作为氧化剂使用。所以这又涉及到蓝色烟花效果的另一个重要困难：如果要得到纯正的蓝色，烟火剂配方设计较难，有可能涉及到一些有毒有害以及有危险的化合物。

不过归根结底，蓝色烟花难以制造的原因还是与材料的稀缺性有关，其它色系对应的无机金属盐种类繁多，但能够产生蓝光的却几乎只有CuCl￣一种。

综上所述，蓝色烟花效果设计时需要注意燃烧热和燃烧温度，药剂的氧平衡，烟火材料性质和选择等因素的影响，我们烟火工作者需要采取办法，来使混合药剂各组分配合，既能保证足够光亮，又能兼顾以上各种因素来保持它的蓝色不会褪色，尽管人们在这个方向上进行了几个世纪的努力，目前都还没有完全达到目标。

作者简介：刘景如，男，汉族，湖南浏阳，1980年10月16日，大专，工艺美术师，研究方向：烟花爆竹。

（作者单位：湖南庆泰集团）