Springstoffen zijn chemische verbindingen die met een zeer sterke warmteontwikkeling en onder het vrijkomen van veel gas verbranden of ontleden. Omdat deze reactie uiterst snel verloopt, ontstaat er in een gesloten systeem een zeer snelle opbouw van een extreem hoge druk, die uiteindelijk de oorzaak is van de explosieve werking.
Het klassieke buskruit
Roger Bacon beschreef de bereiding van de eerste explosieve stof, het
buskruit, in 1249. Rond 1300 was het door geheel Europa bekend en
werd het ook gebruikt. In Europa wordt de eer van de uitvinding gegeven aan een monnik in Freiburg, Constantine Anelzin, die wij beter kennen als Broeder Berthold der Schwartze, de legendarische en denkbeeldige Duitse uitvinder van het buskruit.
Buskruit is een mengsel van drie bestanddelen: kaliumnitraat (ook wel salpeter genoemd) zwavel en houtskool. De benaming
zwart kruit is tamelijk modern. Het komt voort uit het feit dat men het wilde onderscheiden van het rookzwak buskruit, dat licht van kleur was. Voordien werd zwart kruit gewoon buskruit genoemd.
In de loop van de tijd heeft men de samenstelling verschillende malen gewijzigd, en aangepast aan de gewenste mondingsnelheid van de kogel en de maximum druk die wordt toegestaan in het wapen. Een moderne gemiddelde verhouding is
75 : 11 : 14, maar andere verhoudingen komen ook voor.
Een klein beetje theorie:
Verbranding van hout, papier e.d. verloopt vrij langzaam. Voor de verbranding van deze materialen is zuurstoftoevoer noodzakelijk, zodat de
verbrandingssnelheid geregeld kan worden door meer of minder lucht (zuurstof) toe te laten. Wij noemen dit een (gewone) verbranding.
Anders wordt het bij materialen die zelf zuurstof bevatten zoals buskruit en andere springstoffen. Daar is toevoer van lucht helemaal niet nodig om de verbranding te onderhouden. De verbranding verloopt ook veel sneller dan bij een gewone verbranding. Een verbranding die zich zelf kan onderhouden noemen wij een explosieve verbranding of
deflagratie. Buskruit bijvoorbeeld is voor de verbranding niet afhankelijk van lucht-zuurstof omdat het de benodigde zuurstof in de vorm van salpeter bevat. Hoe meer salpeter het mengsel bevat, hoe sneller en feller het brandt.
Wanneer wij buskruit aansteken komt er een reactie op gang - een verbranding van het kruit - die hoe langer hoe sneller gaat verlopen en in zeer korte tijd kan overgaan in een explosieve verbranding. De tijdsduur hangt af van allerlei omstandigheden bijvoorbeeld hoe dicht het kruit is opgesloten. In ieder geval ontstaan daarbij heel veel gassen en komt er heel veel energie in de vorm van warmte vrij. Deze warmte geeft een enorme verhoging van de temperatuur en daardoor gaan de ontstane gassen ook heel snel uitzetten. Zolang deze gassen opgesloten zijn in een ruimte, wordt er in deze ruimte steeds meer druk opgebouwd - de verbranding gaat zeer snel over in een explosieve verbranding - totdat de druk zo hoog wordt dat de afsluiting met kracht wordt weggeblazen zoals bijvoorbeeld bij een kanon met de kogel gebeurt.
Als dit proces zich voltrekt in een volledig afgesloten
metalen ruimte, dan spreken wij over een bom. Zodra de druk binnen de bom zo hoog wordt dat de wand van de bom openscheurt, dan barst de bom met een luide knal onder vorming van vele scherven.
Bij de deflagratie (explosieve verbranding)
van buskruit wordt door de ontwikkeling van de gassen het volume ongeveer 4000
maal zo groot, en dat betekent dat in een geladen kanon in zeer korte tijd een zeer hoge druk wordt ontwikkeld in de ruimte achter de kanonskogel. Daardoor wordt de kogel met steeds groter wordende snelheid door de loop geduwd en verlaat de loop met grote snelheid.
Bij het verlaten van de loop zetten de achter de kogel onder hoge druk staande gassen plotseling uit en deze snelle uitzetting veroorzaakt dan een geweldige knal.
Bij buskruit zijn de reactieproducten voor 40% gasvormig en voor 60% vast.
De vaste deeltjes worden uitgestoten als een dichte witte rookwolk, waardoor het kanon zijn plaats aan de vijand kan verraden.
De verbrandingssnelheid wordt ruwweg gedefinieerd als de snelheid waarmee het vlamfront zich door een massa brandbaar materiaal beweegt. Reeds is gezegd dat er verschil is tussen een gewone verbranding en een explosieve verbranding
(deflagratie) en dat dit samenhangt met de snelheid van de verbranding. Bij hout bijvoorbeeld is deze snelheid vrij laag mede omdat deze verbranding afhankelijk is van de toevoer van luchtzuurstof. Bij buskruit ligt de verbrandingssnelheid veel hoger juist omdat het materiaal zelf zeer veel zuurstof bevat.
Zou de verbrandingssnelheid nog groter worden, dat wil dus zeggen dat het vlamfront zich met een zeer hoge snelheid door het materiaal beweegt, dan kan het vlamfront overgaan in een drukgolf of schokgolf, waarbij het gehele materiaal als het ware in een fractie van een seconde totaal verbrandt. Dit verschijnsel noemen wij detonatie en komt voor bij de brisante
(snel ontploffende) springstoffen. Hoe sneller de explosieve verbranding overgaat in detonatie, hoe groter de explosiviteit van de betrokken springstof is.
Algemeen geldt dus dat hoe sneller de reactie is - dus hoe groter de verbrandingssnelheid - hoe krachtiger de explosie. Springstoffen kunnen daarom gemakkelijk ingedeeld worden volgens hun verbrandingssnelheid
c.q. detonatiesnelheid. Bij zwak-explosieve stoffen liggen deze snelheden bij een aantal cm per seconde, terwijl bij hoog-explosieve stoffen snelheden van 900 tot 10.000 meter per seconde zijn gemeten. |
Rookzwak buskruit
In 1845 ontdekten Schönbein en Böttger geheel onafhankelijk van elkaar dat bij het nitreren van katoen een hele reeks van stoffen ontstaan die alle nitrocellulose (of juister: cellulose nitraat) worden genoemd. Zij hebben allemaal met elkaar gemeen dat zij bij ontsteking explosief verbranden.
De katoenvezel bestaat nagenoeg geheel uit zuivere cellulose, een normaal brandbare stof. Een nitrogroep bevat 30% stikstof en 70% zuurstof. Hoe meer nitrogroepen in de cellulose worden ingebracht hoe meer zuurstof de ontstane nitrocellulose bevat. Nitrocellulose is explosiever naarmate het gehalte aan nitrogroepen hoger is, of anders gezegd, naarmate het stikstofgehalte hoger is. Schietkatoen bevat 12.5% tot 13.5% stikstof en kan beschouwd worden als een mengsel van cellulose dinitraat en cellulose trinitraat. Collodium bevat tussen 11,0 en 12,5 % stikstof; het vroeger veel gebruikte celluloid bevat tussen 9,0 en 11,0 % stikstof.
De uitvinders onderkenden spoedig de militaire mogelijkheden van hun product en samen werkten zij aan de ontwikkeling van een daarvoor geschikt type nitro-cellulose dat zij
schietkatoen noemden. Na 1860 werd het klassieke buskruit op grote schaal vervangen door schietkatoen dat van nature relatief langzaam brandt en daardoor goed als voortdrijvende lading of propellant bruikbaar is. Schietkatoen produceert praktisch alleen gasvormige producten, zodat weinig rook wordt
geproduceerd vandaar de naam rookzwak buskruit. De basisgrondstof is nog steeds katoen dat in hoofdzaak bestaat uit zuivere cellulose, maar ook houtpulp wordt veel gebruikt.
Nog een klein stukje theorie:
We nemen aan dat de chemische formule van schietkatoen bij benadering beschreven kan worden als
[C6H7O2(ONO2)3]2.
Voor het verloop van de deflagratie of explosieve verbranding van schietkatoen schrijven wij de volgende reactie vergelijking:
[C6H7O2(ONO2)3]2
=> 4 CO2 ^ + 8 CO ^ + 6 H2O
^ + H2 ^ + 3 N2 ^
Alle reactieproducten zijn gasvormig - hier aangegeven met ^ - waarvan er twee brandbare gassen zijn, namelijk waterstof
H2 en koolmonoxide CO. De andere gassen - koolstofdioxide
CO2, water H2O en stikstof N2 - zijn niet brandbaar.
Door de hoge temperatuur van de twee brandbare gassen ontvlammen zij zodra zij de loop van het kanon verlaten en met luchtzuurstof in aanraking komen. Zo dragen zij bij aan het mondingsvuur van het kanonvuur, dat vooral ‘s nachts op veel grotere afstand zichtbaar is dan het gebulder van het geschut kan worden gehoord.
N.B. Omdat alle reactieproducten gasvormig zijn, zou schietkatoen bij afwezigheid van vaste deeltjes al geheel rookvrij zijn.....
Wanneer schietkatoen meer zuurstof zou bevatten zouden er minder brandbare gassen
ontstaan en ook zou de reactiewarmte groter zijn vanwege de meer volledige verbranding van koolstof en waterstof. Het resultaat zou zijn een hogere temperatuur van de gassen en mede daardoor zou de kracht van de explosie groter zijn.
Die extra benodigde hoeveelheid zuurstof zou in het mengsel kunnen worden gebracht door toevoeging van een springstof die een grotere hoeveelheid zuurstof heeft ingebouwd dan nodig is voor de complete verbranding
(men spreekt hierbij dan van een 'positieve zuurstofbalans'). Nitroglycerine is zo'n springstof en explodeert ongeveer volgens de volgende reactie vergelijking:
4 C3H5(NO3)3
=> 12 CO2 ^ + 10 H2O ^ + 6
N2 ^ + O2 ^
De overmaat zuurstof O2 kan gebruikt worden om het tekort aan zuurstof van schietkatoen te compenseren en het koolstofmonoxide CO en het waterstof
H2 volledig tot koolzuur CO2 en water
H2O te verbranden. Ter illustratie: in 1888 ontwikkelde Alfred Nobel een rookzwak buskruit dat hij Ballistiet
noemde. Dit was een gegelatineerd mengsel van nitroglycerine en rookzwak buskruit.
Zo’n combinatie-springstof wordt een double base kruit genoemd in tegenstelling tot een kruit dat alleen nitrocellulose
bevat en dan ook een single base kruit wordt genoemd.
De voordelen van de double base kruit zijn:
- hogere energie
- gelijkmatiger ballistische eigenschappen
- vermindering van het mondingsvuur
De nadelen van de double base kruit zijn:
- iets gevaarlijker tijdens de fabricage
- iets meer erosie in de loop van het vuurwapen
N.B. Erosie is het wegslijten van het metaal aan de
binnenzijde van de loop door het voorbij komen van de hete gassen.
|
Hoog-explosieve springstoffen
Sedert de uitvinding van het buskruit (vanaf ongeveer 1250) tot het begin van de negentiende eeuw werd geen enkele andere springstof in de praktijk gebracht, alhoewel picrinezuur en kwikfulminaat
in de tussenliggende eeuwen wel bekend werden.
Na 1800 groeide de belangstelling voor de chemie en daarmede werden ook steeds meer nieuwe springstoffen gevonden. Dat begon
al in 1800, toen Edward Howard de bereidingsmethode van kwikfulminaat
Hg(OCN)2, ook wel knalkwik genoemd, uitvoerig beschreef en de eigenschappen van deze stof grondig onderzocht.
De bereiding van deze stof is tot op de dag van heden in hoofdzaak dezelfde gebleven. Omdat kwik vooral in tijden
van oorlog moeilijk is te krijgen wordt vaak in plaats van kwikfulminaat het
loodazide Pb(N3)2 gebruikt. Zilverazide,
AgN3 is net als het kwikfulminaat zeer explosief.
Kaliumperchloraat KClO4 en andere perchloraten zijn krachtiger oxidatie-middelen dan nitraten. Deze verbindingen - perchloraten, aziden en fulminaten - zijn in tegenstelling tot schietkatoen zeer schokgevoelig en worden
initiaalsprinstoffen genoemd. Zij worden in zeer kleine hoeveelheden gebruikt om de ontploffing van andere springstoffen, die relatief ongevoelig zijn voor een schok, te initiëren
(te laten ontstaan). Initiaalspringstoffen worden gewoonlijk tot het moment van gebruik gescheiden van de springstoflading bewaard.
Tot de brisante (hoog-explosieve) springstoffen behoren onder meer de volgende
stoffen: nitroglycerine, dat door Sobrero is uitgevonden in 1846 (hetzelfde jaar dat schietkatoen is uitgevonden), is zeer brisant.
Alfred Nobel heeft in 1867 een manier uitgevonden om er in de vorm van dynamiet toch een veilig gebruik van te maken
Picrinezuur C6H3N3O7 werd al in 1742 door Glauber genoemd en heeft, naast een intens nare geur, een gele kleur. Het werd als (gele) kleurstof in de textiel-industrie voor het verven van stoffen gebruikt. Werklieden die ermee in aanraking komen hebben vaak een gele
huid-verkleuring, vandaar dat zij de bijnaam 'kanaries'
droegen, dezelfde bijnaam die ook werd gegeven aan de (vaak
vrouwelijke) arbeiders in de munitiefabrieken in de Eerste
Weredloorlog. In 1841 vond men de synthese (bereidingsmethode) uitgaande van fenol als grondstof en in 1873 bleek
ook deze stof hoog-explosief te zijn. In 1884 vond Eugène Turpin een methode om picrinezuur in granaten te gebruiken.
Trinitrotolueen (TNT, trotyl) is in 1891
ontdekt door E. Haussermann en is de bekendste springstof
geworden. Het heeft later de rol als brisante springstof voor een groot deel van picrinezuur overgenomen en heeft ook voor dit doel beter geschikte eigenschappen. Het smeltpunt ligt tussen 72 en 82 graden Celsius en
kan in zuivere toestand veilig gehanteerd worden. Het heeft een voordeel boven picrinezuur omdat het bij ontploffing de granaat in grotere stukken uiteen
doet springen in plaats van het te verpulveren.
Trotyl wordt vaak gebruikt als referentie om verschillende explosieve stoffen met elkaar te kunnen vergelijken. Wanneer het wordt aangestoken in de open lucht kan trotyl opbranden zonder te ontploffen. Het heeft krachtige brisante eigenschappen en kan gemakkelijk geïnitieerd worden door
kwikfulminaat, tetryl en andere brisante springstoffen. In de Eerste Wereldoorlog was trotyl de meest gebruikte springstof.
Tot de modernste hoog-explosieven behoren de volgende drie verbindingen:
Tetranitromethylaniline (tetryl). Dit tetryl kan geïnitieerd worden door een vlam, door wrijving, door een schok en door
vonken. Het brandt snel en is gemakkelijk tot detonatie te brengen als het in een grote hoeveelheid brandt. Tetryl is de standaard booster springstof en is voldoende ongevoelig wanneer het wordt samengeperst.
Het is echter wel gemakkelijker tot detoneren te brengen dan
trotyl en ongeveer zo gevoelig als picrinezuur. De detonatiesnelheid is 7300 meter per seconde.
Hexogeen (RDX of Cyclonit) [1,3,5-Trinitro-hexahydro-1,3,5-triazine]
Hexogeen is naast trotyl één van de meest gebruikte brisante springstoffen van deze tijd. Het wordt meestal in mengsels met andere springstoffen gebruikt. Ook in slagpijpjes wordt hexogeen veel gebruikt.
Pentriet (PETN of Nitropenta) officieel
genaamd: pentaerythriet tetranitraat. Dit is een van de krachtigste militaire springstoffen, vergelijkbaar met
nitro-glycerine. Het wordt veel gebruikt in slagsnoer dat met een snelheid van 6.400 meter per seconde detoneert.
In de Tweede Wereldoorlog zijn deze brisante springstoffen (hexogeen, pentriet en
tetryl) naast de oudere springstoffen in gebruik gekomen.
Mengsels van springstoffen
Enkele springstoffen zoals Trotyl zijn weinig gevoelig voor schok of wrijving en kunnen daarom gemakkelijk en betrekkelijk veilig worden gehanteerd. Andere springstoffen zoals nitroglycerine zijn zo gevoelig dat zij alleen bruikbaar zijn in mengsels met andere stoffen. Vaak mengt men verschillende springstoffen om bepaalde eigenschappen te verkrijgen. Bijvoorbeeld is een mengsel van hexogeen met trotyl en aluminium bekend onder de naam
Torpex en wordt in torpedo's gebruikt. Dit mengsel is onder water 50% krachtiger dan trotyl alleen.
In tegenstelling tot zwart kruit is het rookzwak buskruit tamelijk onstabiel omdat het resten bevat van zuren en spontaan tot ontbranding kan komen. Zowel nitraten als
nitro-verbindingen, maar in het bijzonder de nitraten, zijn minder stabiel in de aanwezigheid van zuren. Zeer zorgvuldig uitwassen na het nitreren is daarom noodzakelijk en vaak is de toevoeging van stabilisatoren noodzakelijk. Dit geldt vooral voor schietkatoen. De katoen vezel is buisvormig en de buisjes zijn in het schietkatoen nog aanwezig. Voor de verwijdering van de laatste resten zuur uit het schietkatoen moeten de vezels gesneden en gedurende vele uren gekookt en gewassen worden. Stabilisatie van schietkatoen blijft echter altijd nog nodig.
Kneedbare springstoffen ("plastics") zijn de laatste zestig jaar erg populair geworden, zowel bij militairen als bij burgers en ..... terroristen. Plastics bestaan in principe uit één of meer
springstof(fen) gemengd met olie en dergelijke, waarbij een kneedbare massa wordt verkregen. Een bekende "plastic" is
Semtex, dat in Tsjechië wordt gefabriceerd, en bestaat uit
pentriet, hexogeen, rubber en paraffine olie. Het is oranje gekleurd en ruikt naar rubber; het voelt vettig aan. Andere "plastics" bevatten alleen één springstof zoals in het Amerikaanse materiaal
(hexogeen) of in het Franse materiaal (pentriet). De "plastics" hebben een zeer brisante werking; Semtex bijvoorbeeld is ongeveer 30% krachtiger dan trotyl. Zij worden vooral voor demolitie
('opblazen' van gebouwen e.d.) gebruikt.
In de volgende tabel zijn de stootgevoeligheid en de detonatiesnelheid van enkele springstoffen opgenomen. Hoe schokgevoeliger, hoe kleiner de valhoogte en hoe
brisanter, hoe hoger de detonatiesnelheid.
| |
Gevoeligheidstest
(2 kg val test in cm)
|
Detonatie snelheid
in meter /seconde
|
|
Kwikfulminaat (los)
|
2
|
1200
|
|
Kwikfulminaat (geperst)
|
3 |
5000
|
|
Nitroglycerine
|
4
|
7800
|
|
IJzer picraat
|
7
|
5000
|
Dynamiet
(75% nitroglycerine)
|
7
|
5000
|
Schietkatoen
(los en droog) |
7
|
3800
|
|
Pentriet
|
20
|
8000
|
|
Hexogeen
|
30
|
8500
|
|
Picrinezuur
|
36
|
7480
|
|
Tetryl |
50
|
7300
|
|
Trotyl (granulair) |
90
|
4800
|
|
Trotyl (gegoten) |
150
|
5700
|
|
Ammonium picraat
|
> 150
|
5700
|
|