Sprengstoff
Ein Sprengstoff ist ein chemischer Stoff oder eine Mischung chemischer Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen sehr schnell reagieren und dabei eine relativ große Energiemenge in Form einer Druckwelle (oft auch mit Hitzeentwicklung) freisetzen (Explosion oder Detonation). Diese gehören zusammen mit den Initialsprengstoffen, Treib- und Schießstoffen (Schwarzpulver und Schießpulver oder Treibladungspulver), Zündmitteln und pyrotechnischen Erzeugnissen zu den explosionsgefährlichen Stoffen (Explosivstoffen).
Liegt die Geschwindigkeit, mit der sich die Reaktion im Sprengstoff ausbreitet, über der Schallgeschwindigkeit (bezogen auf den Stoff) so spricht man von einem brisanten Sprengstoff.
Einführung
Moderne Sprengstoffe basieren meist auf energetischen Verbindungen, die die chemischen Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) enthalten. Bei der Explosion verbindet sich meistens der ursprünglich am Stickstoff schwach gebundene Sauerstoff mit dem Kohlenstoff zu CO und CO2 sowie mit dem Wasserstoff zu Wasserdampf, während der Stickstoff das sehr stabile Stickstoffmolekül N2 bildet. Bei dieser Umsetzung wird instantan eine große Wärmemenge freigesetzt, außerdem sind die bei der Umsetzung des Sprengstoffs entstehenden Reaktionsprodukte auch wegen der entstehenden Hitze von mehreren tausend Grad Celsius gasförmig. Die plötzliche Entstehung sehr heißer Gase, mit großem Raumbedarf, aus einem Feststoff oder Flüssigkeit hat dann die für Sprengstoffe typische Druckwelle zur Folge. Die Sprengwirkung wird durch die hohe Tenperatur der Gase drastisch verstärkt, weil heiße Gase stärkeren Druck ausüben als kältere. Daraus folgt: Je mehr Wärmeenergie ein Sprengstoff freisetzt umso höher seine potentielle Sprengwirkung. Einigen Sprengstoffen werden auch Sauerstoffträger zugesetzt, einerseits um die Sauerstoffbilanz zu verbessern, andererseits um Hochleistungssprengstoffe zu strecken und auf diese Weise einen hohen Bedarf zu decken. So wurden in Deutschland gegen Ende des 2. Weltkriegs in militärisch verwendeten Sprengmitteln die Anteile an Hochleistungssprengstoffen immer weiter gesenkt und durch alle verfügbaren Salpeter sowie sauerstoffarmen Ersatzsprengstoffe ersetzt. Kurz vor Kriegsende wurden dann sogar alkalichloridhaltige Wettersprengstoffe zur Füllung von Munition verwendet.
Sowohl die zivilen als auch militärischen Sprengstoffe enthalten mitunter noch Metalle wie Aluminium oder Zink. Während feingepulvertes Aluminium durch höhere Temperatur die Gasschlagwirkung steigert, dienen Aluminium- oder Zinkgrieß in Flak-Munition zur Erhöhung der Brandwirkung im Ziel.
Zur Initiierung von Sprengstoffen werden Sprengzünder verwendet. Es gibt elektrische, nicht-elektrische und elektronische Zündsysteme. Weltweit führender Hersteller von Zündsystemen für den zivilen Bereich ist der Orica-Konzern mit Sitz in Melbourne, Australien. Daneben werden gelegentlich noch Sprengkapseln eingesetzt, die mittels Sicherheitsanzündschnur gezündet werden. Wenn die Hauptladung aus einem sehr unempfindlichen Sprengstoff besteht, so ist zwischen Sprengzünder und Hauptladung noch eine zusätzliche Verstärkungsladung (Booster, Schlagverstärker) erforderlich.
Auswahl an Sprengstoffen
Grundsubztanzen für Sprengstoffe von praktischer Bedeutung
- Ammoniumpikrat
- Trinitrotoluol (TNT, Fp.02)
- Trinitrophenol (Pikrinsäure, Granatfüllung 88)
- Tetryl (N-Methyl-N,2,4,6-tetranitroanilin)
- Ethylenglykoldinitrat (Nitroglykol)
- Diethylenglykoldinitrat (Diglykoldinitrat)
- Triethylenglykoldinitrat (Triglykoldinitrat)
- Glycerintrinitrat (Nitroglycerin)
- Nitropenta (PETN, Pentrit, Pentaerythrittetranitrat)
- Cellulosenitrat
- Nitroguanidin
- Ethylendinitramin (EDNA, PH-Salz)
- Hexogen (RDX)
- Oktogen (HMX)
- Hexanitrostilben (HNS)
- Pikrylaminodinitropyridin (PYX)
- Nitrotriazolon (NTO)
- Hexanitrohexaazaisowurtzitan (HNIW oder CL20)
- Triaminotrinitrobenzol (TATB)
Grundsubztanzen für Sprengstoffe von geringerer Bedeutung
- Trinitrobenzol (TNB)
- Trinitro-m-xylol
- Trinitro-m-kresol
- Trinitroanisol
- Trinitroanilin (Pikramid)
- Hexanitrodiphenylamin
- Methylnitrat
- Nitromethan
- Tetranitromethan
Grundsubztanzen für Ersatzsprengstoffe
- Ammoniumnitrat
- Dinitrobenzol (DNB)
- Dinitrotoluol (DNT)
- Dinitroanisol
- Dinitronaphthalin
- Trinitronaphthalin
- Methylammoniumnitrat (MAN-Salz)
- Tetramethylammoniumnitrat (TETRA-Salz)
- Guanidinnitrat
- Acetonperoxid (APEX)
- Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD)
Sauerstoffträger für Mischsprengstoffe
- Ammoniumnitrat (Ammonsalpeter)
- Kaliumnitrat (Kalisalpeter)
- Natriumnitrat (Natronsalpeter)
- Bariumnitrat (Barytsalpeter)
- Calciumnitrat (Kalksalpeter)
- Kalkammonsalpeter (Mischung aus Kalk und Ammonsalpeter)
- Kaliumchlorat
- Natriumchlorat
- Kaliumperchlorat
- Ammoniumperchlorat
- Distickstofftetroxid (in Panclastit)
- flüssige Luft oder Sauerstoff (in Oxyliquit)
- Wasserstoffperoxid
Energetische Stoffe im experimentellen Stadium
- Diaminodinitroethylen (DADE oder FOX-7)
- Trinitroazetidin (TNAZ)
- Octanitrocuban
- poröses Silizium: ein erst 2001 durch Zufall an der TU München entdeckter Sprengstoff mit extrem schneller (100 Milliardstel Sekunden) und heftiger Reaktion. Anwendung für Airbags geplant.(siehe:TU Muenchen/Physikabteilung)
Sprengstoffarten
Technisch verwendete Sprengstoffe sind in der Regel Stoffgemische aus energetischen chemischen Verbindungen, Bindemitteln, Plastikatoren und anderen Zusatzstoffen. Sie werden in folgende Gruppen eingeteilt:
Beispiele:
- Schwarzpulver (der älteste bekannte Explosivstoff) wird als Sprengpulver, je nach Verwendung, den Sprengstoffen oder den Schießstoffen bzw. den pyrotechnischen Chemikalien zugeordnet.
- Chloratsprengstoffe bestehen aus Alkali- und Erdalkalichloraten in Verbindung mit organischen Substanzen wie Wachsen, Ölen, Holzmehl oder Ersatzspprengstoffen (Dinitroaromate). Nach ihrer Entwicklung am Ende des 19. Jahrhunderts wurden sie häufig verwendet, kamen jedoch wegen der hohen Reibeempfindlichkeit außer Gebrauch.
- Zu Dynamiten gehört sowohl das von Alfred Nobel entwickelte Kieselgurdynamit als auch die aus Sprenggelatine entwickelten „Gelatine-Dynamite“.
- Gelatinöse Sprengstoffe bestehen aus Sprengölen wie Glycerintrinitrat, Ethylenglykoldinitrat oder Diethylenglykoldinitrat bzw. deren Gemischen die zur Verringerung der Schlagempfindlichkeit mit 6 bis 8% Cellulosenitrat oder Kollodiumwolle gelatiniert sind.
- Pulverförmige ANC-Sprengstoffe (Ammonium Nitrate/Carbone) sind besonders sicher, da sie eine Verstärkerladung (Booster) zum Zünden benötigen. Sie bestehen aus Ammonsalpeter und Kohlenstoffträgern wie Kohlepulver, Naphthalin oder Holzmehl. Die Ammonale enthalten zusätzlich Aluminiumpulver.
- ANFO (Ammonium Nitrate/Fuel Oil) bestehen im einfachsten Fall aus 94,5% Ammonsalpeter und 5,5% Heizöl. Sie sind eine Untergruppe der ANC-Sprengstoffe.
- HAPAN
- Zu Sprengschlämmen zählen heute vor allem Mischungen aus konzentrierten wässrigen Ammoniumnitratlösungen mit niedrigem Anteil an brisanten Explosivstoffen, welche sich durch besonders hohe Verarbeitungs- und Transportsicherheit auszeichnen. Sie werden erst kurz vor der Verwendung, also beim Einfüllen in ein Bohrloch, mit Mischladefahrzeugen gefertigt. Während des Transports zur Sprengstelle sind die einzelnen Komponenten in Tanks getrennt voneinander untergebracht. Dies führt dazu, dass der Transport nicht in die Klasse 1 des ADR fällt.
- Emulsionssprengstoffe bestehen aus konzentrierten wässrigen Ammoniumnitratlösungen mit darin emulgiertem Mineralöl.
- Spezielle Wettersprengstoffewerden untertage im Kohlebergbau eingesetzt. Ihre Explosionstemperatur aufgrund von Zusätzen von Alkalichloriden reicht nicht aus, um Staub- oder Methangasexplosionen (schlagende Wetter) auszulösen.
- Oxyliquite bestehen aus saugfähigen Materialien wie Holz- oder Korkmehl, die kurz vor der Verwendung in flüssige Luft oder flüssigen Sauerstoff getaucht werden. Da diese wieder verdunsten, muss kurz darauf gezündet werden. Aus diesem Grund sind Oxyliquite für groß angelegte Sprengungen nicht geeignet. Ihr Vorteil besteht darin, dass nicht gezündete Ladungen nach Verdunsten des Oxidators absolut ungefährlich sind.
- Die Pikrinsäure ist einer der am längsten bekannten brisanten Sprengstoffe, wurde später aber weitgehend durch das TNT ersetzt. Moderne Sprengstoffe enthalten oft noch das brisantere Hexogen, Ethylendinitramin oder Nitropenta.
- Die militärisch verwendeten formbaren Sprengstoffe (Plastiksprengstoff) wie zum Beispiel C4 oder Semtex enthalten Nitropenta, Hexogen und Plastifizierungsmittel. Sie werden vornehmlich für Pionierzwecke verwendet, sind jedoch auch bei Terroristen beliebt, da sie leicht in unauffällige Form zu bringen sind.
- Hochbrisanzsprengstoffe
- Polymergebundene Sprengstoffe (PBX): Panclastit besteht aus 70% Distickstofftetroxid und 30% Nitrobenzol, die erst kurz vor der Verwendung gemischt werden. Eine ähnliche Mischung aus 86,5% Tetranitromethan und 13,5% Toluol erreicht eine Detonationsgeschwindigkeit von 9300 m/Sek
- zweibasige Flüssigsprengstoffe
Geschichte
Die ersten synthetischen Sprengstoffe waren 1847 Glycerintrinitrat und 1846 Zellulosenitrat, bekannter unter den nicht korrekten Bezeichnungen Nitroglycerin und Nitrozellulose bzw. Schießbaumwolle. Da Glycerintrinitrat sehr erschütterungsempfindlich ist und ungenügend neutralisiertes Zellulosenitrat zur Selbstentzündung neigt, wofür die Ursache zunächst nicht erkannt wurde, war die Handhabung zunächst sehr gefährlich. 1862 erfand Alfred Nobel die Initialzündung und 1867 gelang es ihm, durch Aufsaugen von Glycerintrinitrat in Kieselgur erschütterungsunempfindliches Dynamit herzustellen. 1875 fand Nobel durch Gelatinieren des flüssigen Glycerintrinitrat mit 6 bis 8% festem Zellulosenitrat die Sprenggelatine, den damals stärksten gewerblichen Sprengstoff. Da auch die Sprenggelatine noch ziemlich schlagempfindlich und teuer war, wurden durch Zumischen von Holzmehl und Nitraten die sogenannten "gelatinösen Sprengstoffe" entwickelt. Sie sind handhabungssicher und Sprengkapselempfindlich. Mittlerweile werden sie, gerade im Bereich der Gewinnungssprengungen, von Ammoniumnitrat-Sprengstoffen vom Typ ANC/ANFO verdrängt, die zu Sprengschlämmen und Emulsionssprengstoffen weiterentwickelt wurden.
Zu den ältesten militärischen Brisanzsprengstoffen zählten die Pikrinsäure und das m-Trinitrokresol, deren Ausgangsstoffe aus Steinkohleteer gewonnen wurden. Diese hatten jedoch den großen Nachteil, dass sie an der Innenwandung der Granaten stoßempfindliche Schwermetallpikrate bildeten, die zu Rohrkrepierern führten. Aus diesem Grund wurden die Granaten vor dem Befüllen innen lackiert. Als die Erdöldestillation genügend Toluol bereitstellen konnte, verdrängte TNT seine Vorgänger als häufig genutzter, sehr handhabungssicherer, brisanter Militärsprengstoff.
Moderne Sprengstoffe mit höherer Brisanz basieren oft auf Hexogen, Nitropenta oder Ethylendinitramin. Octogen galt bislang als das brisanteste Material, ist aber in der Herstellung aufwendig und sehr teuer. Es wird fast ausschließlich für Spezialladungen verwendet, zum Beispiel Hohlladungen, wenn hohe Brisanz gefragt ist.
Daten einiger ausgewählter Sprengstoffe[1]
| Schwarz- pulver | Propantriol- trinitrat (Nitroglyzerin) |
Ethandiol- dinitrat (Glykoldinitrat) |
Schieß- baumwolle |
Pentaerythrit- tetranitrat |
Trinitrotoluol (TNT) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Schmelz- temperatur °C |
-- | 13,5 | -22 | zersetzt bei 180 | 141 | 81 |
| Dichte g/cm³ |
1,1 | 1,6 | 1,49 | 1,67 | 1,77 | 1,65 |
| Sauerstoff- bilanz % |
-18 | +3,5 | ±0 | -29,6 | -10,1 | -74,0 |
| Explosions- wärme kJ / kg |
2784 | 6238 | 6615 | 4396 | 5862 | 3977 |
| Schwaden- volumen l / kg |
337 | 740 | 737 | 869 | 780 | 740 |
| Spezifische Energie (l · MPa) / kg |
285 | 1337 | 1389 | 1003 | 1327 | 821 |
| Detonations- geschwindigkeit m/s |
400 | 7600 | 7300 | 6800 | 8400 | 6900 |
| Explosions- temperatur K |
2380 | 4600 | 4700 | 3150 | 4200 | 2820 |
Parameter zur Charakterisierung von Sprengstoffen
Die Sauerstoffbilanz gibt an, ob zuviel oder zuwenig Sauersoff zur vollständigen Oxidation des Sprengstoffes zu Verfügung steht. Je ausgeglichener die Sauerstoffbilanz (je näher bei Null), umso höher die Temperatur und umso stärker die Sprengwirkung. Bei militärischen Anwendungen von Sprengstoffen ist die Sauerstoffbilanz nebensächlich, bei Sprengstoffen für gewerbliche Zwecke sollte sie grundsätzlich positiv sein. Die Sauerstoffbilanz von Sprengstoffen, die in reiner Form eine negative Sauerstoffbilanz aufweisen, kann durch Zuschlag von Sauerstoffträgern (z.B. Ammoniumnitrat) beeinflusst werden.
Spezifisches Schwadenvolumen (Normalgasvolumen)
Gasvolumen unter Normalbedingungen, welches bei der vollständigen Umsetzung von 1 kg Explosivstoff entsteht.
Aus der Molzahl der gasförmigen Detonationsprodukte (Schwaden) pro Gramm Sprengstoff ergibt sich das spezifische Schwadenvolumen zu:
Spezifische Energie
Die Spezifische Energie gibt den Druck (in Megapascal) an, den ein Kilogramm eines Explosivstoffes in einem abgeschlossenen Volumen von einem Liter bei der Explosion erzeugen würde. Diese Kenngröße ist abhängig vom spezifischen Schwadenvolumen und der Explosionstemperatur.
Ladedichte
Verhältnis des Gewichts des Explosivstoffes zum Volumen des Explosionsraumes. Von der Ladedichte ist die Detonationsgeschwindigkeit abhängig.
Schlagempfindlichkeit
Die Empfindlichkeit von Sprengstoffen gegen mechanische Einwirkung (Schlag, Stoß) kann durch Zusatz von phlegmatisierenden Stoffen wie Paraffin herabgesetzt werden. Die Phlegmatisierung explosionsfähiger Gemische wird als Inertisierung bezeichnet. Desgleichen kann durch Zugabe sogenannter Sensibilisierer die Empfindlichkeit erhöht werden.
Nutzung
Zivile Sprengstoffe werden zum größten Teil zur Gewinnung von Gestein in Tagebauen (Steinbruch: Basalt, Granit, Diabas, Kalk etc.), zur Werksteingewinnung und im Bergbau (Steinkohle, Kali & Salz, Gips, Erzabbau etc.) eingesetzt. Daneben finden sie im Verkehrswegebau, im Tunnelbau, bei Abbruchsprengungen, in der Sprengseismik und in der Pyrotechnik (Feuerwerk) Verwendung. Die Produktion von gewerblichen Sprengstoffen in Deutschland betrug im Jahre 2004 rund 65.000 Tonnen. ANC-Sprengstoffe machten davon ca. 36.000 Tonnen aus, gelatinöse Sprengstoffe auf NG-Basis ca. 10.000 Tonnen, gepumpte und patronierte Emulsionssprengstoffe ca. 16.000 Tonnen. Die restliche Menge verteilt sich auf Wettersprengstoffe für den Steinkohlenbergbau und auf Schwarzpulver für die Werksteingewinnung. Führende Hersteller von industriellen Sprengstoffen in Deutschland sind Orica, Troisdorf, Westspreng, Finnentrop, ACF, Gnaschwitz und WASAG AG, Sythen.
Militärische Sprengstoffe werden als Füllmittel für Granaten, Bomben, Minen, Gefechtsköpfe von Raketen und Torpedos, sowie als Bestandteile von Treibsätzen verwendet. Weiterhin werden sie in verschiedenen pyrotechnischen Ladungen mitverwendet. Ein spezieller Punkt ist die Verwendung in Atomwaffen zur Einleitung einer Kettenreaktion.
Für terroristische Zwecke werden sowohl militärische wie zivile Sprengstoffe als auch aus leicht zugänglichen Chemikalien herstellbare Stoffe und Gemische (sog. Selbstlaborate) verwendet. Beispiele sind das Gemisch aus Puderzucker und einem chlorathaltigen Unkrautvernichter oder Gemische auf Ammonsalpeterbasis. Das mischen solcher Sprengstoffe ist sehr gefährlich, da sie dabei unvorhershbar detonieren können
Rechtliches
Der Umgang, dazu gehören das Herstellen, Bearbeiten, Verarbeiten, Verwenden, Verbringen, der Transport und das Überlassen innerhalb der Betriebsstätte, das Wiedergewinnen und Vernichten; der Verkehr (Handel) und die Einfuhr werden aufgrund der möglichen Gefährdung im Sprengstoffrecht geregelt.
- Siehe auch: Munitionslager
Literatur
- S.J. von Romocki: Geschichte der Explosivstoffe, Band 1. Sprengstoffchemie, Sprengtechnik und Torpedowesen.. Survival Press, Radolfzell, 1895, Reprint 2003 ISBN 3833007028
- S.J. von Romocki: Geschichte der Explosivstoffe, Band 2. Die rauchschwachen Pulver in ihrer Entwicklung bis zur Gegenwart Survival Press, Radolfzell, 1896, Reprint 2004 ISBN 393793300X
- Fritz Hahn: Waffen und Geheimwaffen des deutschen Heeres 1933-1945. Bernard & Graefe (1998) ISBN 3763759158
- A. Langhans: Sprengstoffe im chemischen Labor - Explosionen die man nicht erwartet Survival Press, Radolfzell, 1930, Reprint 2006 ISBN-13 978937933184
- Manuel Baetz: Schwarzpulver für Survival - Improvisation von Schwarzpulver und ähnlichen Mischungen Survival Press, Radolfzell, 2005 ISBN 3937933077
- Dr. Rudolf Biedermann: Die Sprengstoffe - ihre Chemie und Technologie Survival Press, Radolfzell, 1918, Reprint 2000, ISBN 3898118398
- R. Knoll: Das Knallquecksilber und ähnliche Sprengstoffe Survival Press, Radolfzell, 1917, Reprint 2001, ISBN 3831128766
- Oscar Guttmann: Handbuch der Sprengarbeit Survival Press, Radolfzell, 1899, Reprint 2001, ISBN 3831130957
- Dr. Richard Escales: Die Explosivstoffe Band 7 - Initialexplosivstoffe Survival Press, Radolfzell, 1917, Reprint 2002, ISBN 3831139393
- Jochen Gartz: Vom griechischen Feuer zum Dynamit-eine Kulturgeschichte der Explosivstoffe.E.S.Mittler & Sohn,Hamburg,2007, ISBN 978-3-8132-0867-2
- ↑ Bausteine der Chemie - Militärchemie, eine Einführung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 4. Auflage 1980
Weblinks
- Lexikon der deutschen Explosivmischungen
- Explosives - Introduction
- Bayerisches Landesamt für Arbeitsschutz, Arbeitsmedizin und Sicherheitstechnik - Sprengstoffgesetz
- home.feuerwerk.net
- Beschreibung von Waffensystemen, engl.
- Über die Leichtigkeit, Spreng- und Kampfstoffe herzustellen
- Chemie im Alltag: Neue Nachweisverfahren für Sprengstoffe
- Schweiz. Bundesgesetz über explosionsgefährliche Stoffe (Sprengstoffgesetz)
- Schweiz. Verordnung über explosionsgefährliche Stoffe (Sprengstoffverordnung, SprstV)
