Pirotechnika i Materiały Wybuchowe.pdf

I WSTĘP.

W niniejszej pracy przedstawiono przykłady materiałów wybuchowych, które były

często lub są nadal stosowane w technice zarówno wojskowej jak i cywilnej. Praca składa

się z dwóch części, części literaturowej i doświadczalnej.

W części literaturowej pracy dokładnie omówione zostały zagadnienia dotyczące

budowy, właściwości, sposobów otrzymywania oraz zastosowania najczęściej

stosowanych materiałów wybuchowych. Wyjaśnione zostały podstawowe pojęcia

związane z pirotechniką, a także właściwościami mechanicznymi związków

wybuchowych. Dokładnie omówiono właściwości fizyczne prawie wszystkich związków

wybuchowych, podano ich wzory strukturalne.

Dokonano również podziału związków wybuchowych na: materiały inicjujące,

materiały kruszące, materiały miotające, mieszaniny wybuchowe i masy pirotechniczne.

Każdy podział zawiera przykłady związków, ich wzory i procesy technologiczne

otrzymywania.

W części doświadczalnej pracy przedstawiono kilka ciekawych i widowiskowych

doświadczeń chemicznych, które mogą być z łatwością wykonane w szkolnym

laboratorium chemicznym. Do części doświadczalnej zostały wybrane proste przykłady, do

których potrzebne odczynniki są ogólnie dostępne.

II CZĘŚĆ LITERATUROWA.

1 Podstawowe pojęcia.

Pirotechnika – słowo to pochodzi z języka greckiego (pўr), w którym oznacza

ogień. Pirotechnika jest, więc określeniem działu technologii chemicznej obejmującego

otrzymywanie mas pirotechnicznych i sporządzanie z nich wyrobów pirotechnicznych,

używanych do przenoszenia ognia i wywoływania efektów optycznych i akustycznych.

Wyroby pirotechniczne są stosowane w technice cywilnej (np. rakiety sygnalizacyjne,

ognie sztuczne) i wojskowej (środki zapalające, oświetlające, materiały wybuchowe).

Materiał wybuchowy - substancja, która pod wpływem zewnętrznego bodźca

energetycznego (lub samorzutnie) może ulec szybkiej reakcji chemicznej z wydzieleniem

znacznej ilości ciepła i produktów gazowych. Materiałami wybuchowymi mogą być

związki chemiczne lub mieszaniny występujące w stanie stałym, ciekłym lub gazowym

(mieszaniny wybuchowe mogą być układami wielofazowymi). Właściwości wybuchowe

nadają związkom chemicznym tzw. grupy eksplozoforowe:

• nitrowa -NO 2 ,

• azotanowa -ONO 2 ,

• chloranowa -C1O 3 ,

• nadtlenkowa -O-O-,

• azydkowa -N 3 ,

• piorunianowa -O-N=C,

• acetylenkowa -C≡C-,

• i inne.

Najprostsze mieszaniny wybuchowe składają się z dwóch składników:

• substancji zawierającej znaczne ilości tlenu (utleniacza),

• substancji palnej (paliwa).

Podstawowe rodzaje przemian materiałów wybuchowych to palenie, deflagracja

i detonacja. Prędkość liniowa reakcji rozkładu materiałów wybuchowych wynosi od

ułamka mm/s (palenie) do 9 km/s (detonacja). Ciepło wybuchu wynosi kilka tysięcy kJ/kg,

a ilość gazów powstających podczas rozkładu to kilkaset dm 3 /kg. Materiały te muszą

charakteryzować się:

• odpowiednią wrażliwością na bodźce energetyczne (nie za dużą ze względu na

bezpieczeństwo i nie za małą ze względu na niezawodność pobudzania),

• dostateczną trwałością w czasie przechowywania,

• wystarczającym zasobem energii do wykonywania pracy.

Wymienione oraz dodatkowe wymagania, np. dla materiałów wybuchowych

wojskowych, znacznie ograniczają liczbę materiałów wybuchowych stosowanych w

praktyce.

Wybuch – pojęciem tym określamy zespół zjawisk towarzyszących bardzo

szybkiemu przejściu układu z jednego stanu równowagi w drugi, podczas którego wyzwala

się duża ilość energii.

Wybuch dzielimy na:

• fizyczny - gdy układ ulega tylko zmianom fizycznym, np. wybuch kotła parowego,

wyładowania atmosferyczne, erupcje wulkaniczne,

• chemiczny - gdy przyczyną wybuchu jest bardzo szybka, silnie egzoenergetyczna

reakcja chemiczna (reakcja wybuchowa), przebiegająca z powstaniem dużej ilości

produktów gazowych. Rozprężające się gazy są zdolne do wykonania w bardzo

krótkim czasie pracy mechanicznej, wiąże się to ze zniszczeniem ośrodka

otaczającego. Ze względu na te trzy czynniki, wybuchem nie jest np. reakcja

termitowa (nie wydzielają się gazy).

• jądrowy - gdy następuje gwałtowne wydzielenie ogromnej ilości energii w wyniku

niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich

lub syntezy jąder pierwiastków lekkich, zachodzącej w ładunku jądrowym. Czas

przebiegu reakcji jest tu rzędu 1 nanosekundy, zaś siła wybuchu jest kilka

jednostek większa od wybuchu konwencjonalnego MW.

Siłę niszczącą wybuchu wzmaga powstająca w ośrodku fala uderzeniowa

(przemieszczająca się powierzchnia, na której następuje skokowa zmiana ciśnienia,

temperatury, gęstości, prędkości płynu, cieczy, gazów), która początkowo rozprzestrzenia

się z prędkością naddźwiękową (o niszczącym działaniu decydują maksymalne wartości

parametrów, głównie ciśnienia na czole fali). Reakcją wybuchowym ulegają niektóre

związki chemiczne, zwykle wykorzystuje się odpowiednio dobrane mieszaniny (materiały

wybuchowe). Zależnie od mechanizmu i prędkości liniowej procesu rozróżnia się:

• spalanie - proces przebiega stosunkowo wolno i zależy mocno od warunków

zewnętrznych, w których przebiega (np. ciśnienie). W przestrzeni zamkniętej

spalanie może przejść w spalanie wybuchowe (tzw. deflagracja),

• deflagrację - wybuch przebiega z małą prędkością (od kilku mm/s do kilkuset m/s),

• detonację - rodzaj wybuchu, w którym prędkość rozchodzenia się fali uderzeniowej

jest największa z możliwych w danych warunkach (dochodzi do kilku tysięcy m/s).

Jest to, więc wybuch idealny, gdyż cała możliwa do wykorzystania podczas

wybuchu energia jest faktycznie wykorzystywana.

Kruszność – zdolność niszczenia struktury (kruszenia) ośrodka w bezpośrednim

otoczeniu przez detonujący materiał wybuchowy. Przyczyną kruszenia ośrodka jest fala

uderzeniowa o bardzo wysokim ciśnieniu na froncie. Kruszność jest związana z prędkością

detonacji materiału wybuchowego, im większa jest prędkość detonacji tym większa

kruszność. Parametr ten określa się za pomocą próby Hessa , która została przedstawiona

na rysunku nr 1. Polega ona na odkształceniu ołowianego walca wskutek zdetonowania na

nim 50g badanego materiału. Wartość zgniotu ∆H jest miarą kruszności. Wartości

kruszności niektórych materiałów wybuchowych wynoszą (w mm):

• heksogen – 21,

• kwas pikrynowy – 16,

• trotyl – 13,

• górnicze materiały wybuchowe – 5 ÷ 10.

Rysunek 1: Badanie kruszności materiałów wybuchowych.

a) zestaw elementów do przeprowadzenia próby Hessa:

1) zapalnik elektryczny,

2) badany materiał wybuchowy,

3) krążek stalowy,

4) walec ołowiany,

5) stalowa podstawa,

b) walec ołowiany po wybuchu:

2 ) wysokość walca przed wybuchem,

1 ) wysokość walca po wybuchu,

∆H) zgniot.

Średnica krytyczna – najmniejsza średnica cylindrycznego ładunku materiału

wybuchowego, w którym jest możliwe stabilne rozprzestrzenianie się detonacji. Średnica

krytyczna jest cechą charakterystyczną każdego materiału wybuchowego. Najmniejsze

wartości średnicy krytycznej osiągają materiały wybuchowe inicjujące, np. kryształy

azydku ołowiu o średnicy 0,05 mm.

Kruszące materiały wybuchowe charakteryzują się średnicą krytyczną od kilku do

kilkudziesięciu mm, np.:

• pentryl – 2,

• tetryl – 5,

• trotyl drobnokrystaliczny – 10,

• trotyl lany – 30.

Pewien wpływ na wartości średnicy krytycznej wywiera rozdrobnienie kryształów,

gęstość ładunku i dodatek innych substancji (flegmatorów i sensybitorów).

Temperatura pobudzenia – temperatura, do której należy ogrzać materiał

wybuchowy, aby wywołać w nim przemianę wybuchową. Po ogrzaniu materiału do

temperatury pobudzenia następuje szybki rozkład, któremu towarzyszy pojawienie się

płomienia i efekt dźwiękowy – wybuch. Temperatura pobudzenia nie jest temperaturą

początku rozkładu, ponieważ zauważalny rozkład przebiega już w temperaturze znacznie

niższej. Wartość temperatury pobudzenia niektórych materiałów przedstawia tabela nr 1.

Materiał wybuchowy Temperatura pobudzenia

°C

Azydek ołowiu 330-340

Proch czarny 210-310

Trotyl 290-295

Heksogen 230

Nitrogliceryna 200

Nitroceluloza 195

Proch bezdymny 180-200

Tabela 1: Temperatura pobudzenia niektórych materiałów wybuchowych.

Trwałość – zdolność materiału wybuchowego do zachowania właściwości

fizycznych, chemicznych i wybuchowych w ciągu dłuższego czasu. Trwałość jest ważną

właściwością decydującą o możliwościach ich składowania (przechowywania) bez ryzyka

zapalenia lub wybuchu. Najmniejszą trwałością charakteryzują się prochy bezdymne ze

względu na zawartą w nich nitrocelulozę, dość łatwo rozkładają się. W celu zmniejszenia

szybkości rozkładu, czyli zwiększenia trwałości dodaje się do prochów kilku procent

masowych związków lekko zasadowych, tzw. stabilizatorów (pochodne mocznika,

difenyloaminy), które wiążą kwaśne produkty rozkładu nitrocelulozy i jej zanieczyszczeń.

Na trwałość ujemny wpływ wywiera wzrost temperatury, obecność wilgoci oraz substancji

o kwaśnym odczynie. Największą trwałością charakteryzują się materiały wybuchowe z

grupy nitrozwiązków. Na przykład trotyl może być przechowywany bez ryzyka wybuchu

nawet przez kilkadziesiąt lat.

Wrażliwość – jest to zdolność materiału wybuchowego do reagowania na

zewnętrzne bodźce energetyczne powodujące zapoczątkowanie palenia lub wybuchu.

W zależności od rodzaju bodźca rozróżnia się wrażliwość na bodźce:

• mechaniczne – uderzenie, nakłucie, tarcie,

• termiczne – płomień, ogrzewanie,

• wybuchowe,

• elektryczne,

• inne.

Wrażliwość określa stopień bezpieczeństwa, jaki należy zachować podczas pracy z

danym materiałem wybuchowym. Najbardziej wrażliwe, a więc najbardziej niebezpieczne,

są materiały wybuchowe inicjujące. Z materiałów wybuchowych kruszących najbardziej

wrażliwy jest pentryl i heksogen.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: