Robbanóanyagok polgári alkalmazásokhoz - a tudomány spektruma
Robbanóanyagok polgári alkalmazásokhoz
A robbanóanyagok koncentrált energia anyagi formában. Megfelelő megközelítéssel célzottan kiadható olyan munkák elvégzése érdekében, amelyek egyébként csak rendkívül fáradságosak és teljesen gazdaságtalanok lennének. Míg Nero római császárnak (Kr. U. 37–68) még ezernyi rabszolgával sem sikerült felépítenie a Korinthusi-csatornát, a dinamit és a robbanékony zselatin két éven belül - 1891 és 1893 között - lehetővé tette a projekt megvalósítását. Az 1879-1890 és 1903-1914 években a Panama-csatorna építéséhez 30 000 tonna dinamit kellett. És e robbanóanyag nélkül a St. Gotthard és a Tauern alagutakat alig lehetett volna elkészíteni néhány éven belül az akkori technológiával (1872-1882 és 1901-1907 között).
Az ilyen építési projektek mellett robbanóanyagokat használnak a nyersanyagok kinyerésére, mivel az ércek, ásványok vagy szén tisztán mechanikai kinyerése lényegesen drágább lenne (1. ábra). Fontos alkalmazás az épületek és a műszaki rendszerek lebontása; Még a rizómákat is meg lehet tisztítani és a talajt lazítani lehet robbanásokkal.
Éghető és oxigént szolgáltató anyagok bármilyen keveréke megfelelő stimuláció után energiát szabadíthat fel; a vegyész röviden redukciós-oxidációs vagy redoxi reakcióról beszél. Ha az átalakulás gyorsabb, mint a szóban forgó anyag hangsebessége, akkor azt detonációnak nevezzük. Többek között ennek szempontjából meghatározó az alkatrészek közötti reaktív interfész mérete: A kandallóban lévő fatörzs lassan ég és növeli a kényelmet, míg ugyanennyi fa, porig őrölve és a lángba helyezve a kandalló felrobbanhat.
Robbantáskor a robbanóanyagok gáz halmazállapotú anyagokra bomlanak - ideális esetben szén-dioxid, víz és elemi nitrogén, mint szerves anyagok égéstermékei, de nitrogén-oxidok, szén-monoxid és egyéb nem teljesen oxidált termékek is. Ezenkívül rendkívül reaktív részecskék, például gyökök, ionok és elektronok jönnek létre, amelyek reagálatlan anyaggá gyorsulnak fel, és ott további átalakulást serkentenek. Egy bizonyos felfutási távolság után rendkívül magas nyomás- és hőmérsékleti értékekkel rendelkező lökéshullám halmozódik fel; A robbanásveszélytől és a bezárási körülményektől függően ez a távolság egy milliméter és sok centiméter közötti töredék.
A folyamat mindaddig stabil marad, amíg elegendő energia van a detonációs zónában. De ha az energia túlságosan oszlik el, akkor a reakció ismét leáll. Ami fontos az energiát termelő térfogat és az energiát sugárzó felület aránya; Mivel kis átmérőkhöz képest kedvezőtlenné válik, minden robbanóanyagnak van egy kritikus átmérője, amely felett csak felrobban.
A katonai alkalmazásokhoz 9000 méter/másodperces robbanási sebesség szükséges, polgári célokra ilyen magas értékek nem szükségesek, sőt nem kívánatosak. Annak érdekében, hogy a lökéshullám a lehető legváltozatlanabban terjedhessen a robbantandó anyagban, a robbanóanyag és az anyag hullámellenállásának - vagyis a sűrűség és a lökéshullám vagy a hangsebesség szorzatának - jól össze kell hangolódnia. A 2000–4000 méter/másodperc körüli detonációs sebesség tehát a legtöbb alkalmazásra a legalkalmasabb. Különösen fontos, hogy nagy mennyiségű gáz alakuljon ki, hogy az oldott tömegek széthúzódjanak.
Kőrobbanó dinamit
Ascanio Sobrero (1812–1888) olasz vegyész 1847-ben történt felfedezése, a nitroglicerin, nagy robbanóerővel bír, de kiszámíthatatlanul érzékeny a rezgésekre és az ütésekre, így maga a feltaláló hamar feladta a robbanóanyagként való felhasználásának kísérletét. Különösen idegesítő volt az is, hogy a nitroglicerin, ellentétben a fekete porral, amelyet Európában a 13. század óta használnak - a mai felfogás szerint - kálium-nitrát, szénpor és kén keveréke körülbelül 75:15:10 tömegarányban - könnyen nyílt lángon keresztül felrobbant.
Évekkel később a Nobel család kísérletezni kezdett a nitroglicerinnel. Alfred Nobel (1833–1896) lőporrobbantójának fejlesztése elősegítette az új robbanóanyag terjedését, de a veszélyes anyag a gyártás, szállítás vagy felhasználás során többször is halálesetet követelt. Alfred Nobel 1866-ban a Hamburg közelében található Krümmel-művekben találta meg a megoldást a problémára: a kovaföld (kieselguhr), amely nem reagál az olajos folyékony nitroglicerinnel, ideális adszorbensnek bizonyult. 75 rész robbanóanyaggal és 25 rész kovafölddel szilárd anyag keletkezett, amelyet hengeres testekké feldolgozva és papírhüvelybe csomagolva a fúrólyukakba kellett adagolni, míg a nitroglicerint egyszerűen beleöntötték. A magas inert anyagtartalom ellenére az új anyag ötször robbanékonyabbnak bizonyult, mint a fekete por, és lényegesen biztonságosabb kezelni, mint önmagában a nitroglicerin. A gurdynamit (a görög dinamikától a hatalomért) óriási gazdasági siker lett.
A vízben oldott anyag és robbanóereje azonban negyedével kisebb volt, mint a tiszta nitrogliceriné. 1875-ben Alfred Nobel feloldotta a robbantó olajat fegyvergyapotban (nitrocellulóz), amely egy nagyon gyúlékony, vattaszerű anyag, amelyet Christian Friedrich Schönbein (1799–1868) bázeli kémiaprofesszor először 1846-ban állított elő a gyapot salétrom- és kénsavval történő kezelésével. Zselatinos anyagot kapott, amely vízálló, még kevésbé érzékeny a mechanikai stresszre, és a magasabb nitroglicerintartalom miatt lényegesen energikusabb, mint a gurdynamit: a robbantó zselatin.
Ilyen nagy energiasűrűségre azonban még a gyakorlatban sem volt szükség. Ezt némileg csökkenteni lehet, ha Chiles-nitrátot adnak a zselatinhoz és éghető szerves anyagokhoz, például fűrészporhoz vagy szénporhoz. Ugyanakkor ez stabilizálta az egész keveréket az ütések és rezgések ellen. Rövid idő múlva a chilei nitrátot ammónium-nitrát váltotta fel, amely teljesen gáztermékekre bomlik, és a további gáznyomás következtében fokozza a robbanó hatást. A polgári zselatin ammónium-nitrát robbanóanyagokat továbbra is ennek az elvnek megfelelően gyártják, és csak adalékokat alkalmazó modern robbantási technológia követelményeihez igazítják.
Nitroglicerintől mentes kőrobbanóanyagok
Mivel a nitroglicerin biztonságos előállítása nagyon összetett, hamarosan alternatívákat kerestek. Különösen a múlt század nyolcvanas évei óta ismert, hogy az oxidálószer, az ammónium-nitrát, önmagában képes detonálni nagy gerjesztési energiák mellett. Az éghető anyagokkal, például dízelolajjal (ammónium-nitrát plusz fűtőolaj, ANFO) készült keverék könnyebben reagál. Míg az alkatrészeket eleinte 1: 1 tömegarányban keverték - ez egy zsák ammónium-nitrátnak és egy doboz dízel üzemanyagnak felelt meg -, a robbanóanyagok csak 200 és több milliméter átmérőjű nagy fúrásokban voltak képesek detonálni, annál érzékenyebb robbanóanyagok töltésével, az évek során A gyúlékonyság jelentősen javult változatlan alacsony mechanikai érzékenység mellett.
A gyártási eljárással szabályozható porozitású ammónium-nitrát granulátum - úgynevezett prillák formájában - jobban felszívja az ásványi olajat, és nagyobb a határfelülete a reagensek között. A gyártás során bekövetkező kopás eredményeként előállított finomszemcsék szintén bizonyos mértékig javítják a gyúlékonyságot. Végül azonban akadályozza a robbanóanyag áramlását, amelyet csavarral vagy pneumatikusan juttatnak a fúrólyukakba. Annak ellenére, hogy az ANFO nem éri el a nitroglicerint tartalmazó termékek robbanó erejét, ez az eddigi legolcsóbb tömeges robbanóanyag, ezért a robbanóanyagok piacának világszerte körülbelül 80 százalékát adja.
A prillák azonban gyorsan feloldódnak vizet tartalmazó fúrásokban. Ha a vízszint nem túl magas, akkor oldat vagy sós paszta csak az alján keletkezik, miközben a felső területen található robbanóanyagok továbbra is használhatók. Ebben az esetben a töltőállomás kellően erős emlékeztetővel meggyulladhat.
Az elvet szisztematikusan finomították. Molekuláris robbanóanyagokat, például trinitrotoluolt (TNT) vagy hexogént adnak a péphez (azaz érzékeny, robbanásveszélyes anyagok további komponensek nélkül). Cukrot, ásványi olajat, szénport és - ami a legfontosabb - alumíniumport adnak oxidálható komponensként. Nagy égési hője felmelegíti a detonáció során keletkező gázokat, és így biztosítja a magas gáznyomást. Annak érdekében, hogy a komponensek ne váljanak szét, duzzadó szereket, például agar-agart, keményítőt, guarlisztet vagy poliakrilamidot használnak, amelyek makromolekulái beágyazzák a folyékony komponenseket, és térhálósíthatók antimon (V) vagy króm (VI) sókkal.
Összetételétől függően iszapszerű, folyékony robbanóanyagok - úgynevezett iszapok - vagy szilárd vizes gélek jönnek létre, amelyek tölténybe tölthetők. Az anyag gyulladhatósága tág határok között is változtatható. A víz inert az üzemanyaghoz és az oxidáló szerekhez, ezért stabilizálja az iszapot az ütés és a súrlódás ellen. A fejlődés kezdetén azonban meg kellett tanulni, hogy a korrózióval nem előkezelt alumíniumot megtámadja a sóoldat, és hogy bomlása akár detonációig is felépülhet.
Emulziós robbanóanyagok
Az ammónium-nitrát reaktív felülete drasztikusan növelhető a só vízben történő feloldásával. A víz ismét inert anyagként működik. Annak érdekében, hogy aránya a lehető legkisebb legyen, felhasználjuk azt a tényt, hogy oldóereje a hőmérséklet hatására hirtelen megnő: 80 Celsius fok körül sokszor több sót képes felszívni, mint a szobahőmérséklet. A tömény oldatot ezután - még melegben - emulgeáljuk ásványolajban; ez a nagy felületet eredményezi. Ez a termodinamikailag instabil állapot megfelelő emulgeálószerekkel stabilizálható. Ennek a víz-olaj-emulziónak a cseppmérete kisebb lehet, mint tíz mikrométer (ezredmilliméter). Ha szilárd robbanóanyagokra van szüksége, akkor megfelelő viaszokat adjon hozzá, hogy a viszkozitást a kívánt magasra állítsa. A kész robbanóanyag tipikus víztartalma 10-20 százalék körül mozog.
Maga az emulzió nem képes robbantani, de csak érzékenyítők hozzáadásával válik robbanthatóvá. Ezeknek azonban nem kell robbanóanyagnak vagy hasonlónak lenniük; a nem reaktív összetevők is ezt a célt szolgálják. Például egy nagy mennyiségű gázbuborékot tartalmazó emulzió robbantani képes. A lökéshullám olyan gyorsan összenyomja a buborékokat, hogy hőcsere nem történhet meg, és így rendkívül felmelegíti őket (lásd Spektrum der Wissenschaft, 1995. április, 50. oldal). Az ammónium-nitrát és az üzemanyag reakciója mindig újra meggyulladhat ezeken a forró pontokon. Ez a mechanizmus javítja a nitroglicerint tartalmazó robbanóanyagok robbanását is. A gázbuborékok kémiailag előállíthatók - különösen úgy, hogy a nátrium-nitritet karbamiddal vagy tiokarbamiddal nitrogénné alakítják. A viaszok nagyon szilárd állagot adnak annak érdekében, hogy ne terjedjenek túl gyorsan a robbanóanyagon keresztül.
Használhat üvegből vagy műanyagból készült üreges mikrogömböket is, mivel ezeket gyakran használják az öntött alkatrészek tömegének csökkentésére. A műanyag gömbök is égnek, és a detonációs sebesség lényegesen nagyobb, mint az üvegből készült. Az üreges mikrogömbökkel rendelkező emulziós robbanóanyagok azonban kevesebb energiát tárolnak, mint a kocsonyás ammónium-nitrát robbanóanyagok, ami nehéz körülmények között, például szilárd kőzetben és nagy feszültség mellett problémát okozhat.
Az emulziós robbanóanyagok összetétele széles határok között változtatható. A spektrum a fúrólyukak átmérőjén átfolyó anyagoktól (3. ábra), amelyeket emlékeztető töltéssel kell meggyújtani, a szilárd anyagoktól a kis patronokig. A ragacsos anyagokat szilikonolajok hozzáadásával olyan szárazra is lehet tenni, hogy a kocsonyás robbanóanyagok számára kifejlesztett patrongépekkel papírhüvelybe tölthessék őket.
Robbanóanyagok földalatti bányászathoz
A "verő idő", a metán-levegő keverékek robbanásai, amelyek felkavarják a szénbányászatban mindenütt jelen lévő szénport, majd felrobbantják, már sok bányász életébe kerültek. A legfőbb ok, amiért ilyen veszélyesek, az az, hogy lökéshullámaik nem terjednek minden irányba és holtan futnak, hanem kilométereken át terjedhetnek az alagútrendszeren keresztül. Ezenkívül a szén nem ég teljesen, és nagyon mérgező szén-monoxid keletkezik - gyakran több bányász esik áldozatul a bányabaleseteknek, mint a nyomáshullám.
A metán-levegő keverékek alacsony energiamennyiséggel, széles koncentrációs határok között gyulladhatnak meg - kezdve a metán körülbelül 5–15 százalékos arányával. Természetesen mindig elegendő egy robbanás. Annál megdöbbentőbb, hogy sikerült olyan speciális robbanóanyagokat kifejleszteni, amelyek a tűzeset veszélye ellenére is használhatók.
Az egyik azt a tényt használja, hogy a metán-levegő keverékek meggyulladása és robbanása közötti idő, amelyben a reaktív gyökök és ionok folytatják a reakciót, csökken a hőmérséklet csökkenésével. Ezért viszonylag nagy mennyiségű sót, például asztali sót adnak finom formában a nitroglicerin, az ammónium-nitrát és az üzemanyag keverékéhez. Viszonylag magas fajlagos hője a forró gólyából nyeri ki az energiát, így a robbanásgázok végső hőmérséklete csökken, és valószínűleg már nem elegendő a metán-levegő keverék meggyújtásához. Még ennél is fontosabb ezeknek a finom, szilárd sószemcséknek az anti-katalizátorként való hatása, amelyek elfogják a felületükön lévő reaktív részecskéket, így az égés nem folytatódik és a robbanás nem alakulhat ki. A sótartalom csökkenti a robbanóanyag teljes energiáját és ezáltal a maximális nyomást a lökéshullámban.
Az inverz sópárral rendelkező időjárási robbanóanyagok különösen biztonságosak: A robbanásveszélyes ammónium-nitrát és például nátrium-klorid helyett ezek az ártalmatlan sókat, ammónium-kloridot és nátrium-nitrátot tartalmazzák. Ha a csak kis mennyiségben jelen lévő nitroglicerint felrobbantják, energiája koncentrálva marad a fúrásban, és mindkét anyag szétesését megindíthatja, és rövid időre ismét ammónium-nitrát és nátrium-klorid képződik, amelyek azután ismert módon reagálnak. Ha egy töltőállomás nem a fúrásban robban, hanem nyíltan érintkezik a metán-levegő keverékkel, például azért, mert a szomszédos töltet már elszakította a kőzetet, akkor az inverz sópár inert keverékét csak eldobják, és a nitroglicerin energiája nagyrészt elfogy így elkerülhető volt a firedamp robbanás. Ezen elv alapján Németországban gyártják a világ legbiztonságosabb időjárási robbanóanyagát.
A modern robbantási technológia elképzelhetetlen lenne biztonságos és megbízható detonátorok nélkül (2. ábra). Minden robbantási módszernél a töltéseket nem egyszerre, hanem kis késéssel gyújtják meg, így például egy cipzárszerűen kinyitják a törőfalat (1. ábra). Az időnként felszabaduló alacsonyabb energia miatt a robbanásveszélyes rezgések is minimalizálhatók. Cégünk a közelmúltban kiegészítette az idődetonátorokat pirotechnikai késleltető készlettel elektronikus késleltető egységgel. Nem elektromos rendszerek is rendelkezésre állnak. Az elektronikus detonátorok nagy pontossága és az egyes időszintek közötti késleltetés lehetősége széles tartományban lehetővé teszi a robbantási rendszer alkalmazását a robbantandó anyaghoz.