II - L'utilisation de la poudre
1. La poudre noire :
A - COMPOSITION
Il existe de multiples sortes de poudres en pyrotechnie. Elles ont des propriétés différentes qui permettent des variations de couleurs, de formes ou encore de fréquences. On classe ses différentes poudres en 3 catégories :
- Les poudres propulsives
- Les poudres explosives
- Les poudres à retardement
Chaque fusée utilise des mélanges différents. La forme finale obtenue dépendra des poudres utilisées. En fonction de leurs dispositions et de leurs quantités. Ces poudres sont les éléments principaux d’une fusée.
Les poudres propulsives :
Le but de cette poudre est de propulser la fusée dans les airs. Cette poudre a été utilisée notamment durant le moyen âge. On l’appelle plus communément, la poudre noire. Elle se situe au pied de la fusée. Elle est composée de salpêtre, c'est un oxydant qui se décompose pour fournir l'oxygène nécessaire à la combustion. Le soufre s'enflamme à basse température, mais se consume lentement. Les artificiers doivent donc ajouter des combustibles brulant très rapidement. Ils choisissent généralement du charbon. En résumé, la poudre noire se compose d’un mélange :
- de salpêtre à raison de 75 %
- de charbon de bois à raison de 15%
- de souffre à raison de 10%
Ils bruleront lentement et relativement faiblement, de ce fait sans détonation. Lors de la combustion une importante quantité de gaz est formée et sors en un seul endroit : la tuyère, ce qui a pour effet l'envol de la fusée.
Nous pouvons donc faire varier l’effet de la fusée en modifiant les proportions de salpêtre, de charbon ou de souffre. Par exemple si nous mettons une quantité plus importante de charbons, la combustion sera plus rapide.
Les poudres de retard :
Les poudres de retard ont un rôle important dans la fusée. Elles permettent de ralentir la combustion et de faire réagir la poudre explosive au moment opportun. Elles déterminent le temps devant s’écouler entre le début de sa combustion, qui commence lorsque la poudre propulsive a fini de se consumer, et l’instant où elle mettra le feu à la poudre explosive. Si l'artificier n'utilise pas correctement la poudre à retardement cela pourrait être dangereux. La fusée pourrait exploser proche de la foule.
On intègre généralement cette poudre à une mèche, appelée étoupille. Approximativement, 1cm de cette mèche équivaut à 1sec de retardement.
Les poudres explosives :
La poudre explosive est la charge d'éclatement. Elle est composée des mêmes composants que la poudre propulsive mais dans des quantités différentes. Il y a un pourcentage de charbon plus important et un pourcentage de soufre grandement supérieur. C'est le salpêtre qui est en quantité réduite. De ce fait la poudre brulera plus rapidement et engendrera une onde de choc. Ce n'est pas la poudre explosive qui rend le feu d'artifice coloré. Elle permet essentiellement de lui donner sa forme.
B Les défauts et les qualités :
La poudre noire est avantageuse grâce à :
- son faible prix,
- sa stabilité (si stockée au sec et au frais),
- une faible quantité d’énergie en provoque la combustion (une température de 300°C suffit à déclencher la réaction).
Nous pouvons donc l'enflammer avec une flamme, une friction, une étincelle…
De ce fait nous arrivons sur ses défauts car la combustion peut être provoquée rapidement. Cela peut être dangereux pour le transport ou même l'utilisation. De plus la poudre noire craint énormément l'humidité, il faut donc la stocker dans un endroit sec et isolé.
C Caractéristiques physiques :
Les caractéristiques physiques de la poudre noire varient sur l'explosion. En effet, en fonction de la taille des grains la vitesse de combustion change. Si la poudre est en grains de 2mm à 5mm, elle se consumera plus vite que si elle est en pulvérin. Le pulvérin est une poudre très fine. Dans le pulvérin il y a des interstices qui permettent une combustion rapide grâce à l'air. Ses interstices sont utiles pour propager la combustion.
La densité des grains influent aussi sur la vitesse de combustion : une poudre très dense se consumera bien plus rapidement qu’une poudre qui, au contraire, est peu compacte.
La densité de la poudre noire influe également sur sa qualité : une poudre très tassée résiste mieux à l’humidité tandis qu’une poudre moins dense y est moins résistante. Cela augmente donc la fiabilité des feux d'artifices. Les grains plus denses sont plus chers car ils concentrent plus de poudre.
Pour une fiabilité accrue il est préférable d’utiliser des grains très lisses. Au contraire, des grains rugueux retiennent l’humidité, par conséquence le résultat du feu d’artifice sera moins sûr.
Pour conclure sur les caractéristiques physiques, l’artificier choisira une poudre dense, au grain lisse et de la taille souhaitée afin d’obtenir un effet optimal et sans mauvaise surprise.
2. Les éléments permettant la création des feux d’artifice :
A - LA COMBUSTION
La combustion est la base la de la pyrotechnie. La poudre noire est un produit explosif. Sa combustion produit beaucoup de chaleur en libérant du gaz.
Pour créer une combustion nous nécessitons de :
-Un combustible réagissant à l’oxygène
-Un comburant qui fournit de l’oxygène
-Un élément qui déclenche la réaction et qui produit de la chaleur (exemple : une étincelle, une flamme…)
Sans ces trois conditions un feu d’artifice ne peut être réalisé.
Le comburant :
Le comburant est un oxydant. Son rôle est de capter les électrons et de libérer de l’oxygène. Cette réaction a lieu avant la combustion proprement dite.
En pyrotechnie, les chlorates nitrates et perchlorates sont principalement utilisés pour la combustion. Si le ClO4- (perchlorate) est plus performant que le ClO3- (chlorate) c’est du fait qu'il y a plus d'oxygène donc sa réactivité est accrue.
Le combustible :
Le combustible est un réducteur. Cela signifie qu’il libère des électrons pour réagir avec l’oxygène. La réaction avec l’oxygène entraine une libération d’énergie sous forme de chaleur. Les combustibles sont souvent des métaux comme le strontium, le magnésium, le brome, le silicium…. Mais aussi des non-métaux comme le soufre ou le carbone.
L’élément déclencheur :
L’élément déclencheur est généralement une étincelle ou une flamme. Les produits réactifs sont choisis de façon à ne pas réagir à basse température, pour éviter les incidents. Le rôle de l’étincelle est d’enclencher le mécanisme du feu d’artifice.
B - LE LANCEMENT DE LA FUSEE
La propulsion d’une fusée utilise le principe de combustion.
Dans un premier temps la mèche est allumée, cela provoque une combustion dans la tuyère qui entraine dans un second temps, l’allumage du propulseur. La fusée est alors propulsée dans les airs par les gaz. Les gaz qui poussent dans les airs la fusée sont produits par la combustion.
C- CHLORATE ET PERCHLORATE
Le chlorate de sodium (NaCl3-) et le perchlorate de potassium (KClO4-) ont été de plus en plus utilisés depuis les années 1950 pour remplacer la poudre noire. Ces produits artificiels permettent, en dégageant une plus grande chaleur et un plus grand volume gazeux, de créer des feux d’artifice avec de nouvelles couleurs, d’une intensité plus forte.
Equation de combustion du perchlorate de potassium :
3 KClO4 + C6H12O6 → 6 H2O + 6 CO2 + 3 KCl
Nous pouvons voir ci-dessus, une équation de combustion du perchlorate de potassium (KClO4) avec du glucose (C6H12O6). Cette réaction génère de l’eau sous forme gazeuse (H2O), ainsi que du chlorure de potassium (KCl) et du dioxyde de carbone (CO2). On peut dire que cette réaction est donc polluante car en générant du KCl, elle contribue à la pollution des milieux, mais également à la pollution des sols et des nappes phréatiques.
Du fait de leur grande toxicité ces produits sont réservés uniquement aux professionnels.
Malgré leurs points négatifs, ces produits permettent aux pyrotechniciens d’avoir un plus grand choix et de pouvoir crée des feux d’artifice plus impressionnant et plus varier.
