„Nitroguanidin“ – Versionsunterschied

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'''Nitroguanidin''' (abgekürzt auch '''NiGu''' oder '''NQ'''), ist eine energiereiche, metastabile [[chemische Verbindung]] aus der Gruppe der Nitroimine, die als Komponente von [[Treibladung]]spulvern und Sicherheits-[[Sprengstoff]]en große Bedeutung besitzt.
'''Nitroguanidin''' (abgekürzt auch '''NiGu''' oder '''NQ''') ist eine energiereiche, [[chemische Verbindung]] aus der Gruppe der Nitroimine, die als Komponente von [[Treibladung]]spulvern und Sicherheits-[[Sprengstoff]]en Bedeutung besitzt.


Nitroguanidin ist ein extrem unempfindlicher [[Sprengstoff]], der trotz niedriger Detonationsenergie bei einer Dichte von 1,742 g/cm<sup>3</sup> eine hohe [[Detonationsgeschwindigkeit]] (8344 m/s) und einen hohen Detonationsdruck von 29 GPa erreicht, was an die Leistungsdaten von [[Hexogen]] heranreicht<ref name="IHE2">{{Literatur |Autor=[[Ernst-Christian Koch]] |Titel=Insensitive high explosives: IV. Nitroguanidine – Initiation & detonation |Sammelwerk=Defence Technology |Band=15 |Nummer=4 |Datum=2019-08 |Seiten=467–487 |DOI=10.1016/j.dt.2019.05.009}}</ref>.
Nitroguanidin selbst ist ein sehr unempfindlicher [[Sprengstoff]], der sich durch eine
besonders niedrige Detonationsenergie auszeichnet, aber dennoch eine [[Detonationsgeschwindigkeit]] von 8200&nbsp;m·s<sup>−1</sup> aufweist, die fast so hoch ist wie die von [[Hexogen]] (''RDX'', 8750&nbsp;m·s<sup>−1</sup>).


== Gewinnung und Darstellung ==
== Gewinnung und Darstellung ==
Nitroguanidin entsteht bei der Einwirkung von kalter konzentrierter Schwefelsäure auf [[Guanidiniumnitrat]]. Es kann auch durch die Umsetzung von [[Dicyandiamid]] mit [[Ammoniumnitrat]] hergestellt werden.<ref name="Explosivstoffe"/>
Nitroguanidin entsteht bei der Einwirkung von kalter konzentrierter Schwefelsäure auf [[Guanidiniumnitrat]]. Es kann auch durch die Umsetzung von [[Dicyandiamid]] mit [[Ammoniumnitrat]] bzw. auch durch die Reaktion von [[Harnstoff]] mit Ammoniumnitrat hergestellt werden.<ref name="IHE">{{Literatur |Autor=Ernst-Christian Koch |Titel=Insensitive High Explosives: III. Nitroguanidine – Synthesis – Structure – Spectroscopy – Sensitiveness |Sammelwerk=Propellants, Explosives, Pyrotechnics |Band=44 |Nummer=3 |Datum=2019-03 |Seiten=267–292 |DOI=10.1002/prep.201800253}}</ref>


== Eigenschaften ==
== Eigenschaften ==
Nitroguanidin bildet farblose, [[orthorhombisch]]e, nadelförmige [[Kristall]]e aus. Seine röntgenographisch bestimmte [[Dichte]] beträgt 1,77&nbsp;[[Gramm|g]]/cm³, sein [[Schmelzpunkt]] liegt bei 239&nbsp;°C (Subl., Zers.). Nitroguanidin ist nicht [[hygroskopisch]]. Es ist schwer [[Löslichkeit|löslich]] in kaltem Wasser, [[Methanol]] und [[Ethanol]], löslich in heißem Wasser (langsame [[Hydrolyse]]), [[Säure]]n und [[Base (Chemie)|Basen]] (Zersetzung).<ref name="IHE" />
Es bildet Additionsverbindungen mit [[Ketone]]n und [[Alkohole]]n.


Nitroguanidin bildet die zwei Kristallhabitus α-Nitroguanidin und β-Nitroguanidin, die diffraktometrisch identisch sind.<ref name="IHE" /> Beide Formen werden durch [[Umkristallisation]] aus Wasser, [[Eisessig]] oder [[Ammoniak]] nicht verändert. Wird β-Nitroguanidin in 96%iger [[Schwefelsäure]] gelöst und die Lösung in Wasser eingetragen, so scheidet sich α-Nitroguanidin ab.
Nitroguanidin bildet farblose, [[orthorhombisch]]e, nadelförmige [[Kristall]]e aus. Seine röntgenographisch bestimmte [[Dichte]] beträgt 1,78&nbsp;[[Gramm|g]]/cm³, sein [[Schmelzpunkt]] liegt bei 239&nbsp;°C (Subl., Zers.). Nitroguanidin ist nicht [[hygroskopisch]]. Es ist schwer [[Löslichkeit|löslich]] in kaltem Wasser, [[Methanol]] und [[Ethanol]], löslich in heißem Wasser (langsame [[Hydrolyse]]), [[Säure]]n und [[Base (Chemie)|Basen]] (Zersetzung).
Es bildet Additionsverbindungen mit [[Ketone]]n und [[Alkohol]]en.


Die thermische Zersetzung der Verbindung wird bei Temperaturen oberhalb von 150&nbsp;°C relevant.<ref name="Cheng">Yanchun Li, Yi Cheng: ''Investigation on the thermal stability of nitroguanidine by TG/DSC-MS-FTIR and multivariate non-linear regression.'' In: ''[[J. Therm. Anal. Calorim.]]'' 100, 2010, S.&nbsp;949–953 ([[doi:10.1007/s10973-009-0666-3]]).</ref> Als Zersetzungsprodukte werden [[Distickstoffmonoxid]], [[Ammoniak]], [[Stickstoffdioxid]], [[Kohlenmonoxid]] und [[Kohlendioxid]] beobachtet.<ref name="Cheng" />
Nitroguanidin existiert in zwei Formen: α-Nitroguanidin (stabil) und β-Nitroguanidin. Beide Formen werden durch [[Umkristallisation]] aus Wasser, [[Eisessig]] oder [[Ammoniak]] nicht verändert.

Wird β-Nitroguanidin in 96%iger [[Schwefelsäure]] gelöst und die Lösung in Wasser eingetragen, so scheidet sich α-Nitroguanidin ab.

Die thermische Zersetzung der Verbindung wird bei Temperaturen oberhalb von 150&nbsp;°C relevant.<ref name="Cheng">Yanchun Li, Yi Cheng: ''Investigation on the thermal stability of nitroguanidine by TG/DSC-MS-FTIR and multivariate non-linear regression'' in [[J. Therm. Anal. Calorim.]] 100 (2010) 949–953. {{DOI|10.1007/s10973-009-0666-3}}.</ref> Als Zersetzungsprodukte werden [[Distickstoffmonoxid]], [[Ammoniak]], [[Stickstoffdioxid]], [[Kohlenmonoxid]] und [[Kohlendioxid]] beobachtet.<ref name="Cheng"/>


=== Explosionskenngrößen ===
=== Explosionskenngrößen ===
Nitroguanidin ist sehr unempfindlich und detoniert nur nach Initiierung mit einem Zündverstärker (Booster). Wichtige Explosionskennzahlen sind:
Nitroguanidin ist sehr unempfindlich und detoniert nur nach Initiierung mit einem [[Zündverstärker]]. Wichtige Explosionskennzahlen sind:
* [[Explosionswärme]] 3062&nbsp;kJ·kg<sup>−1</sup>.<ref name="Explosivstoffe"/>
* [[Explosionswärme]] 3062&nbsp;kJ·kg<sup>−1</sup>.<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />
* [[Detonationstemperatur]] 2800&nbsp;K bei Maximaldichte berechnet nach <ref name="Doherty"> R. Doherty, R. L. Simpson, Comparative Evaluation of several insensitive high explosives, 28th International Annual ICT Conference, June '''1997''', Karlsruhe, Germany, V-32</ref>
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* [[Detonationsgeschwindigkeit]]: 8200&nbsp;m·s<sup>−1</sup> bei der Maximaldichte<ref name="Explosivstoffe">Köhler, J.; Meyer, R.; Homburg, A.: ''Explosivstoffe'', zehnte, vollständig überarbeitete Auflage,, Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.</ref>
* [[Detonationsgeschwindigkeit]]: 8546&nbsp;m·s<sup>−1</sup> bei der Maximaldichte<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />
* [[Sprengstoff#Spezifisches Schwadenvolumen (Normalgasvolumen)|Normalgasvolumen]]: 1075&nbsp;l·kg<sup>−1</sup>.<ref name="Explosivstoffe">J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg: ''Explosivstoffe.'' 10., vollständig überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.</ref>
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* [[Stahlhülsentest]] bei einem Grenzdurchmesser 1&nbsp;mm keine Entzündung.<ref name="IHE" />


Die Detonationsgeschwindigkeit, ''v''<sub>D</sub>, des Nitroguanidins steigt, wie bei allen Sprengstoffen, mit dessen Dichte an. ''v''<sub>D</sub> folgt im Bereich von 0,3–1,78&nbsp;g·cm<sup>−3</sup> folgendem Gesetz:
Die Detonationsgeschwindigkeit, ''v''<sub>D</sub>, des Nitroguanidins steigt, wie bei allen Sprengstoffen, mit dessen Dichte an. ''v''<sub>D</sub> folgt im Bereich von 0,3 bis 1,78&nbsp;g·cm<sup>−3</sup> folgendem Gesetz:
''v''<sub>D</sub> = 1,44&nbsp;+&nbsp;4,015·Dichte [mm·µs<sup>−1</sup>]<ref name="Gibbs">{{Literatur | Autor=Terry R. Gibbs, Alphonse Popolato | Titel=LASL explosive property data | Verlag=University of California Press | Jahr=1984 | ISBN= 978-0-52004012-0 | Seiten=52–60 | Online={{Google Buch | BuchID=4J1rYxczTEAC | Seite=52}}}}</ref> (siehe auch nachfolgende Grafik)
''v''<sub>D</sub> = 1,44&nbsp;+&nbsp;4,015·Dichte [mm·µs<sup>−1</sup>]<ref name="Gibbs">{{Literatur |Autor=Terry R. Gibbs, Alphonse Popolato |Titel=LASL explosive property data |Verlag=University of California Press |Datum=1984 |ISBN=0-520-04012-0 |Seiten=52–60 |Online={{Google Buch | BuchID=4J1rYxczTEAC | Seite=52}}}}</ref> (siehe auch nachfolgende Grafik)


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Nitroguanidin gehört zu den starken, aber schwer detonierenden Explosivstoffen. Dadurch erklärt sich die starke Abhängigkeit der Detonationsgeschwindigkeit vom Durchmesser. Eine Ladung mit einer Dichte von 0,95&nbsp;g/cm<sup>3</sup> hat in einem Rohr von 20&nbsp;mm Innendurchmesser eine Detonationsgeschwindigkeit von 4340&nbsp;m/s.
Nitroguanidin gehört zu den starken, aber schwer detonierenden Explosivstoffen. Dadurch erklärt sich die starke Abhängigkeit der Detonationsgeschwindigkeit vom Durchmesser. Eine Ladung mit einer Dichte von 0,95&nbsp;g/cm<sup>3</sup> hat in einem Rohr von 20&nbsp;mm Innendurchmesser eine Detonationsgeschwindigkeit von 4340&nbsp;m/s.


== Verwendung ==
== Verwendung ==
Nitroguanidin wird in Gas-erzeugenden Sätzen für [[Airbag]]s und in sogenannten "kalten" Treibladungspulvern verwendet, welche die Läufe schonen und weniger Mündungsfeuer geben. NiGu ist unempfindlicher gegen Schlag, Reibung und Stoß als [[Trinitrotoluol|TNT]], mit diesem jedoch hinsichtlich seiner [[Brisanz (Chemie)]], Leistung vergleichbar.
Nitroguanidin wird in gaserzeugenden pyrotechnischen Sätzen für [[Airbag]]s und in sogenannten „kalten“ dreibasigen Treibladungspulvern verwendet, welche die Läufe schonen und weniger Mündungsfeuer geben. NiGu wird als extrem unempfindlicher aber leistungsfähiger Explosivstoff in Sprengstoffen wie z.&nbsp;B. AFX-760, IMX-101 und AlIMX-101 verwendet.<ref name="IHE2" />


Nitroguanidin kommt als feinnadeliges LBDNQ (low bulk density nitroguanidine) sowie als körniges HBDNQ (high bulk density NQ) und sehr selten als kugeliges SHBDNQ (spherical high bulk density NQ) in den Handel.
Nitroguanidin kommt als feinnadeliges LBDNQ (low bulk density nitroguanidine) sowie als körniges HBDNQ (high bulk density NQ) und sehr selten als kugeliges SHBDNQ (spherical high bulk density NQ) in den Handel.


Nitroguanidin ist ein Baustein für [[Insektizide]] aus der am schnellsten wachsenden Stoffklasse der [[Neonicotinoide]], deren wichtigste Vertreter [[Imidacloprid]] (Bayer Crop Science), [[Clothianidin]] (Takeda, Bayer Crop Science), [[Thiamethoxam]] (Syngenta) und Dinotefuran (Mitsui Chemicals) sind<ref>P. Maienfisch: ''Synthesis and Properties of Thiamethoxam and Related Compounds'', Z. Naturforsch., '''61b''', 353-359 (2006)</ref>.
Nitroguanidin ist ein Baustein für [[Insektizid]]e aus der am schnellsten wachsenden Stoffklasse der [[Neonicotinoide]], deren wichtigste Vertreter [[Imidacloprid]] (Bayer Crop Science), [[Clothianidin]] (Takeda, Bayer Crop Science), [[Thiamethoxam]] (Syngenta) und [[Dinotefuran]] ([[Mitsui Chemicals]]) sind.<ref>{{ZNaturforsch |Serie=B |Autor=P. Maienfisch |Titel=Synthesis and Properties of Thiamethoxam and Related Compounds |Jahr=2006 |Startseite=353 |Endseite=359 }}</ref>


== Struktur ==
== Struktur ==
In vielen Quellen z.B. auch <ref name="Explosivstoffe"/> wird für Nitroguanidin eine falsche Strukturformel angegeben, wonach NQ ein Nitramin wäre. Allerdings steht durch Neutronenbeugung<ref>C. S. Choi: "Refinement of 2-Nitroguanidine ny Neutron Powder Diffraction", in: ''[[Acta Cryst. B]]'', '''1981''' , ''37'', S.&nbsp;1955–1957.</ref>und <sup>1</sup>H- sowie <sup>15</sup>N-NMR Experimente <ref>S. Bulusu, R. L. Dudley, J. R. Autera: "Structure of Nitroguanidine: Nitroamine or Nitroimine? New NMR Evidence from <sup>15</sup>N-Labeled Sample and <sup>15</sup>N Spin Coupling Constants", in: ''[[Magnetic Resonance in Chemistry]]'', '''1987''', ''25'', S.&nbsp;234–238; {{DOI|10.1002/mrc.1260250311}}.</ref> eindeutig fest, dass Nitroguanidin ein Nitroimin ist.
In vielen Quellen wird für Nitroguanidin eine falsche Strukturformel angegeben, wonach NQ ein Nitramin wäre<ref>J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg, ''Explosivstoffe.'' 10. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim, 2008, S. 216–217.</ref> Allerdings steht durch [[Neutronenstreuung|Neutronenbeugung]]<ref>C. S. Choi: ''Refinement of 2-Nitroguanidine by Neutron Powder Diffraction.'' In: ''[[Acta Cryst. B]].'' 37, 1981, S.&nbsp;1955–1957. [[doi:10.1107/S0567740881007735]].</ref> und <sup>1</sup>H- sowie <sup>15</sup>N-NMR Experimente<ref>S. Bulusu, R. L. Dudley, J. R. Autera: ''Structure of Nitroguanidine: Nitroamine or Nitroimine? New NMR Evidence from <sup>15</sup>N-Labeled Sample and <sup>15</sup>N Spin Coupling Constants.'' In: ''[[Magnetic Resonance in Chemistry]].'' 25, 1987, S.&nbsp;234–238. [[doi:10.1002/mrc.1260250311]].</ref> eindeutig fest, dass Nitroguanidin ein Nitroimin ist.


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
<references/>
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[[Kategorie:Nitroguanidin| ]]
[[Kategorie:Guanidin]]
[[Kategorie:Sprengstoff]]
[[Kategorie:Sprengstoff]]

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Aktuelle Version vom 2. April 2024, 18:55 Uhr

Strukturformel
Strukturformel von Nitroguanidin
Allgemeines
Name Nitroguanidin
Andere Namen
  • NGu
  • NQ
  • Picrit
  • Guanite
  • NiGu
Summenformel CH4N4O2
Kurzbeschreibung

farbloser, kristalliner Feststoff[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 556-88-7
EG-Nummer 209-143-5
ECHA-InfoCard 100.008.313
PubChem 11174
Wikidata Q126657
Eigenschaften
Molare Masse 104,06 g·mol−1
Aggregatzustand

fest[1]

Dichte

1,77 g·cm−3[2]

Schmelzpunkt

239 °C (Zersetzung)[3]

Löslichkeit
  • 3,45 g/kg Wasser bei 25 °C, 42,5 g/kg bei 80 °C[4]
  • 1,2 g/kg in Alkohol bei 20 °C[4]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1]
Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 201
P: 210​‐​280​‐​402+404​‐​501[1]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−98,74 kJ·mol−1[4]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Nitroguanidin (abgekürzt auch NiGu oder NQ) ist eine energiereiche, chemische Verbindung aus der Gruppe der Nitroimine, die als Komponente von Treibladungspulvern und Sicherheits-Sprengstoffen Bedeutung besitzt.

Nitroguanidin ist ein extrem unempfindlicher Sprengstoff, der trotz niedriger Detonationsenergie bei einer Dichte von 1,742 g/cm3 eine hohe Detonationsgeschwindigkeit (8344 m/s) und einen hohen Detonationsdruck von 29 GPa erreicht, was an die Leistungsdaten von Hexogen heranreicht[5].

Gewinnung und Darstellung

Nitroguanidin entsteht bei der Einwirkung von kalter konzentrierter Schwefelsäure auf Guanidiniumnitrat. Es kann auch durch die Umsetzung von Dicyandiamid mit Ammoniumnitrat bzw. auch durch die Reaktion von Harnstoff mit Ammoniumnitrat hergestellt werden.[2]

Eigenschaften

Nitroguanidin bildet farblose, orthorhombische, nadelförmige Kristalle aus. Seine röntgenographisch bestimmte Dichte beträgt 1,77 g/cm³, sein Schmelzpunkt liegt bei 239 °C (Subl., Zers.). Nitroguanidin ist nicht hygroskopisch. Es ist schwer löslich in kaltem Wasser, Methanol und Ethanol, löslich in heißem Wasser (langsame Hydrolyse), Säuren und Basen (Zersetzung).[2] Es bildet Additionsverbindungen mit Ketonen und Alkoholen.

Nitroguanidin bildet die zwei Kristallhabitus α-Nitroguanidin und β-Nitroguanidin, die diffraktometrisch identisch sind.[2] Beide Formen werden durch Umkristallisation aus Wasser, Eisessig oder Ammoniak nicht verändert. Wird β-Nitroguanidin in 96%iger Schwefelsäure gelöst und die Lösung in Wasser eingetragen, so scheidet sich α-Nitroguanidin ab.

Die thermische Zersetzung der Verbindung wird bei Temperaturen oberhalb von 150 °C relevant.[6] Als Zersetzungsprodukte werden Distickstoffmonoxid, Ammoniak, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid beobachtet.[6]

Explosionskenngrößen

Nitroguanidin ist sehr unempfindlich und detoniert nur nach Initiierung mit einem Zündverstärker. Wichtige Explosionskennzahlen sind:

Die Detonationsgeschwindigkeit, vD, des Nitroguanidins steigt, wie bei allen Sprengstoffen, mit dessen Dichte an. vD folgt im Bereich von 0,3 bis 1,78 g·cm−3 folgendem Gesetz: vD = 1,44 + 4,015·Dichte [mm·µs−1][9] (siehe auch nachfolgende Grafik)

Detonationsgeschwindigkeit von Nitroguanidin in Abhängigkeit von der Dichte[9]

Nitroguanidin gehört zu den starken, aber schwer detonierenden Explosivstoffen. Dadurch erklärt sich die starke Abhängigkeit der Detonationsgeschwindigkeit vom Durchmesser. Eine Ladung mit einer Dichte von 0,95 g/cm3 hat in einem Rohr von 20 mm Innendurchmesser eine Detonationsgeschwindigkeit von 4340 m/s.

Verwendung

Nitroguanidin wird in gaserzeugenden pyrotechnischen Sätzen für Airbags und in sogenannten „kalten“ dreibasigen Treibladungspulvern verwendet, welche die Läufe schonen und weniger Mündungsfeuer geben. NiGu wird als extrem unempfindlicher aber leistungsfähiger Explosivstoff in Sprengstoffen wie z. B. AFX-760, IMX-101 und AlIMX-101 verwendet.[5]

Nitroguanidin kommt als feinnadeliges LBDNQ (low bulk density nitroguanidine) sowie als körniges HBDNQ (high bulk density NQ) und sehr selten als kugeliges SHBDNQ (spherical high bulk density NQ) in den Handel.

Nitroguanidin ist ein Baustein für Insektizide aus der am schnellsten wachsenden Stoffklasse der Neonicotinoide, deren wichtigste Vertreter Imidacloprid (Bayer Crop Science), Clothianidin (Takeda, Bayer Crop Science), Thiamethoxam (Syngenta) und Dinotefuran (Mitsui Chemicals) sind.[10]

Struktur

In vielen Quellen wird für Nitroguanidin eine falsche Strukturformel angegeben, wonach NQ ein Nitramin wäre[11] Allerdings steht durch Neutronenbeugung[12] und 1H- sowie 15N-NMR Experimente[13] eindeutig fest, dass Nitroguanidin ein Nitroimin ist.

Einzelnachweise

  1. a b c d Eintrag zu 1-Nitroguanidin in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 3. Januar 2023. (JavaScript erforderlich)
  2. a b c d e f g Ernst-Christian Koch: Insensitive High Explosives: III. Nitroguanidine – Synthesis – Structure – Spectroscopy – Sensitiveness. In: Propellants, Explosives, Pyrotechnics. Band 44, Nr. 3, März 2019, S. 267–292, doi:10.1002/prep.201800253.
  3. Datenblatt Nitroguanidine bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 27. Januar 2013 (PDF).
  4. a b c d e f E.-C. Koch: Sprengstoffe, Treibmittel, Pyrotechnika. 2., vollständig überarbeitete Auflage. de Gruyter, Berlin, 2019, ISBN 978-3-11-055784-8.
  5. a b c Ernst-Christian Koch: Insensitive high explosives: IV. Nitroguanidine – Initiation & detonation. In: Defence Technology. Band 15, Nr. 4, August 2019, S. 467–487, doi:10.1016/j.dt.2019.05.009.
  6. a b Yanchun Li, Yi Cheng: Investigation on the thermal stability of nitroguanidine by TG/DSC-MS-FTIR and multivariate non-linear regression. In: J. Therm. Anal. Calorim. 100, 2010, S. 949–953 (doi:10.1007/s10973-009-0666-3).
  7. a b R. Doherty, R. L. Simpson: Comparative Evaluation of several insensitive high explosives, 28th International Annual ICT Conference, June 1997, Karlsruhe, Germany. V-32.
  8. a b c J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg: Explosivstoffe. 10., vollständig überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.
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