Termin „pirotechnika” pochodzi od greckiego rzeczownika pyr oznaczającego „ogień” i techne oznaczającego „sztukę”, „umiejętności rzemieślnicze” lub „technikę”, co dziś można również uważać za „naukę”. Dlatego możemy myśleć o pirotechnice jako o „sztuce ognia” lub „nauce o ogniu” i oba te terminy używane są poprawnie, gdyż są tu pewne zasady naukowe, połączone ze sztuką artystyczną.
Dużo materiałów pirotechnicznych, o których będziemy pisać jest ściśle powiązana z paliwami oraz materiałami wybuchowymi, które można określić jako „materiały energetyczne”. Paliwa służą do deflagracji, lub wydatnego, szybkiego spalania (propelenty), ale bez eksplozji. Zdecydowana większość paliw, na otwartej przestrzeni pali się łagodnie i bez żadnych ograniczeń. Propelenty i ich mieszanki są tak przygotowywane, aby podczas szybkiego spalania zmaksymalizować objętość gorącego gazu. Te reakcje są wykorzystywane przy napędach rakietowych oraz w lufach pistoletów. Materiały wybuchowe szybko uwalniają duże ilości energii, a inżynierowie zajmujący się materiałami wybuchowymi, wykorzystują to szybkie uwolnienie energii oraz związany z nim wstrząs i ciśnienie do wykonania pracy, często poprzez pełną „detonację”.
Mieszanki pirotechniczne, którymi się tutaj głównie interesujemy, zwykle (ale nie zawsze) reagują wolniej niż związki wybuchowe lub propelentne, a ciepło wytwarzane przez płonącą mieszaninę chemiczną wykorzystuje się do wytworzenia kombinacji światła, koloru, dymu, gazu, ciepła i hałasu dla szerokiego zakresu zastosowań. Pirotechnika, wykorzystywana na pokazy fajerwerków, dodatkowo będzie spalać się w postaci tlenia, szybkiego spalania lub pełnej „deflagracji”, w przeciwieństwie do niemal natychmiastowej „detonacji” materiałów wybuchowych.
Reakcje chemiczne zachodzące w pirotechnice to klasyczne reakcje przenoszenia elektronów lub utleniania i redukcji (potocznie zwane także reakcjami „redoks”). Substancje chemiczne oddziałują, wymieniają elektrony, tworzą nowe produkty i uwalniają nadmiar energii. Badane mieszaniny są prawie zawsze ciałami stałymi w temperaturze pokojowej i zaprojektowano je tak, aby działały bez dostępu tlenu z zewnątrz. . Powinniśmy zauważyć, że „detonacja” odnosi się do specyficznego, inicjowanego przez wstrząs procesu reakcji materiału energetycznego – termin „detonacja” nie jest synonimem „zapłonu” lub „eksplozji”. Detonacja jest eksplozją, ale deflagracja, czyli spalanie o dużej szybkości (szczególnie gdy materiał jest zamknięty) również jest eksplozją. WSZYSTKIE DETONACJE SĄ EKSPLOZJAMI, ALE NIE WSZYSTKIE EKSPLOZJE SĄ DETONACJAMI!
Czarny proch
Ważne jest, że ten sam materiał może znacznie różnić się reaktywnością w zależności od metody przygotowania i warunków, w jakich jest używany. Proch czarny jest doskonałym przykładem tej zmienności i całkiem trafne jest, że służy jako pierwszy przykład „materiału wysokoenergetycznego” ze względu na jego historyczne znaczenie (Kelly 2004; Buchanan 1996). Czarny proszek jest mieszanką azotanu potasu (~75% wagowo), węgla drzewnego (~15%) i siarki (-10%), a jego unikalne właściwości i właściwości nadal intrygują badaczy nawet dzisiaj (Brown i Rugunanan 1989; Hussain i Rees 1992; Maltitz 2001). Reaktywny czarny proch nie jest materiałem łatwym w przygotowaniu i stanowi klasyczny przykład „sztuki” wytwarzania materiałów pirotechnicznych. Jeśli delikatnie zmiesza się na krótko trzy składniki w odpowiednich proporcjach, powstanie proszek trudny do rozpalenia i palący się dość wolno. Te same składniki w tych samych proporcjach – po dokładnym wymieszaniu, zwilżeniu i zmieleniu ciężkim kamiennym kołem w celu uzyskania wysokiego stopnia jednorodności – stają się mieszaniną, która łatwo się zapala i szybko spala. Wielkość cząstek, czystość materiałów wyjściowych, czas mieszania i wiele innych czynników, w tym rodzaj drewna użytego do przygotowania węgla drzewnego, mają kluczowe znaczenie w produkcji wysokowydajnego czarnego proszku. Również odchylenia od proporcji składników 75/15/10 doprowadzą do znacznych zmian w działaniu. Duża część wczesnej historii współczesnej Europy jest związana z dostępnością wysokiej jakości czarnego prochu do użytku w karabinach i armatach. Dobry producent czarnego prochu był niezbędny do osiągnięcia sukcesu wojskowego, chociaż zwykle cieszył się znacznie mniejszym uznaniem i odznaczeniami niż generałowie, którzy używali jego produktu w swoich bitwach.
Płonący czarny proch ilustruje różnice w działaniu mieszaniny pirotechnicznej w zależności od warunków jej użycia. Mała ilość sypkiego czarnego prochu łatwo zapala się od płomienia zapałki, powodując pomarańczowy błysk i kłębek dymu, ale prawie bez hałasu. Ten sam proszek, szczelnie zamknięty w mocnej papierowej tubie, ale nadal w stanie sypkim, eksploduje po zapłonie za pomocą zapalnika(lontu), rozrywając pojemnik ze słyszalnym dźwiękiem. Czarny proch rozłożony jako cienka warstwa szybko spali się wzdłuż szlaku, co jest właściwością wykorzystywaną do wytwarzania wczesnych zapalników. Na koniec, jeśli proszek jest sprasowany w rurze, jeden koniec pozostaje jeden, a następnie ten koniec jest zwężany, aby częściowo zamknąć gorące gazy powstające podczas zapalania proszku, powstaje urządzenie typu rakietowego. To zróżnicowane zachowanie związane z zamknięciem jest dość typowe dla mieszanin pirotechnicznych i ilustruje, dlaczego należy być dość szczegółowym w wydawaniu instrukcji dotyczących przygotowania i stosowania materiałów pirotechnicznych.
Czarny proch jest również dobrym przykładem do zilustrowania wpływu, jaki wilgoć może mieć na kompozycje pirotechniczne. Wilgotny proszek jest trudny do rozpalenia i pali się dość powoli – jeśli w ogóle – jeśli zapłon się powiedzie. „Utrzymuj proszek w suchości” to jedna z najlepszych rad dla każdego, kto wytwarza lub używa materiałów pirotechnicznych.
Czarny proch nie jest jednak wyjątkowy pod względem swoich właściwości. Wszystkie materiały wysokoenergetyczne, takie jak paliwa i materiały wybuchowe, zaprojektowano tak, aby uwalniały energię w krótkich okresach czasu po zastosowaniu bodźca zapłonowego. Wciąż opracowywane są nowe receptury i badane są nowe materiały pod kątem możliwego zastosowania w nowych kompozycjach. Preparat pirotechniczny składający się głównie ze sproszkowanego magnezu i politetrafluoroetylenu (PTFE) jest używany do produkcji flar wabiących, do ochrony samolotów wojskowych przed rakietami namierzającymi ciepło. Na przestrzeni lat materiał ten uzyskał reputacje przypominającą reputację „czarnego prochu”.