Výbušniny pre civilné použitie - Spektrum vedy
Výbušniny na civilné použitie
Výbušniny sú koncentrovanou energiou v hmotnej forme. Vhodným prístupom je možné ho cielene uvoľniť za účelom vykonania práce, ktorá by inak bola mimoriadne namáhavá a úplne nehospodárna. Zatiaľ čo rímsky cisár Nero (37 až 68 n. L.) Nedokázal vybudovať Korintský prieplav ani s tisíckami otrokov, dynamit a výbušná želatína umožnili uskutočniť projekt do dvoch rokov - od roku 1891 do roku 1893. Stavba Panamského prieplavu v rokoch 1879-1890 a 1903-1914 si vyžiadala 30 000 ton dynamitu. A nebyť tejto výbušniny, tunely St. Gotthard a Tauern by sotva mohli byť s vtedajšou technológiou dokončené v priebehu niekoľkých rokov (od 1872 do 1882, respektíve od 1901 do 1907).
S výnimkou takýchto stavebných projektov sa na ťažbu surovín používajú výbušniny, pretože čisto mechanická ťažba rúd, minerálov alebo uhlia by bola oveľa nákladnejšia (obr. 1). Dôležitou aplikáciou je demolácia budov a technických systémov; Aj rizómy môžu byť vyčistené a pôda uvoľnená výbuchmi.
Akákoľvek zmes horľavých látok a látok dodávajúcich kyslík môže po vhodnej stimulácii uvoľniť energiu; chemik hovorí skrátka o redukčno-oxidačnej alebo redoxnej reakcii. Ak je premena rýchlejšia ako rýchlosť zvuku v príslušnej látke, nazýva sa to detonácia. Okrem iného je pre to rozhodujúca veľkosť reaktívneho rozhrania medzi komponentmi: Kmeň dreva v krbe horí pomaly a zvyšuje komfort, zatiaľ čo rovnaké množstvo dreva, rozomletého na jemný prach a umiestnené v plameni, by spôsobilo výbuch krbu.
Po výbuchu sa výbušniny rozpadnú na plynné látky - ideálne na oxid uhličitý, vodu a elementárny dusík ako produkty spaľovania organických látok, ale aj oxidy dusíka, oxid uhoľnatý a ďalšie neúplne oxidované produkty. Okrem toho sa vytvárajú vysoko reaktívne častice, ako sú radikály, ióny a elektróny, ktoré sa urýchľujú na nezreagovaný materiál a stimulujú ďalšiu premenu. Po určitej dobehu sa vytvorí nárazová vlna s extrémne vysokými hodnotami tlaku a teploty; V závislosti od podmienok výbušniny a uväznenia je táto vzdialenosť dlhá zlomok milimetra až veľa centimetrov.
Proces zostáva stabilný, pokiaľ je v detonačnej zóne dostatok energie. Ale ak je energia distribuovaná príliš ďaleko, reakcia sa opäť zastaví. Dôležitý je pomer objemu produkujúceho energiu k povrchu vyžarujúcemu energiu; Pretože sa stáva nepriaznivým pre malé priemery, pre každú výbušninu existuje kritický priemer, nad ktorým iba exploduje.
Vojenské aplikácie vyžadujú detonačnú rýchlosť až 9000 metrov za sekundu; na civilné účely nie sú také vysoké hodnoty potrebné alebo dokonca nežiaduce. Aby sa rázová vlna v tryskanom materiáli šírila čo najmenej nezmenená, musia byť vlnové odpory výbušniny a materiálu - teda produktov hustoty a rázovej vlny alebo rýchlosti zvuku - dobre koordinované. Pre väčšinu aplikácií sú preto najvhodnejšie detonačné rýchlosti okolo 2 000 až 4 000 metrov za sekundu. Je obzvlášť dôležité, aby sa vyvinul veľký objem plynu, aby sa rozpustené hmoty vytlačili od seba.
Skalný výbušný dynamit
Nitroglycerín, objav talianskeho chemika Ascania Sobrera (1812 až 1888) v roku 1847, má veľkú výbušnú silu, je však nepredvídateľne citlivý na vibrácie a nárazy, takže samotný vynálezca sa čoskoro vzdal pokusov o jeho použitie ako výbušniny. Obzvlášť nepríjemné bolo, že nitroglycerín, na rozdiel od čierneho prášku, ktorý sa v Európe používa od 13. storočia - je to podľa dnešného chápania zmes dusičnanu draselného, dreveného uhlia a síry v hmotnostnom pomere okolo 75:15:10 - ľahko otvoreným ohňom. odpálený.
Po rokoch začala Nobelova rodina experimentovať s nitroglycerínom. Vývoj detonátora na strelný prach Alfreda Nobela (1833 až 1896) podporil šírenie novej výbušniny, ale nebezpečná látka si opakovane vyžiadala smrť počas výroby, prepravy alebo používania. V roku 1866 našiel Alfred Nobel riešenie problému v závodoch Krümmel neďaleko Hamburgu: ako ideálny adsorbent sa ukázala kremelina (kremelina), ktorá nereaguje s olejovou kvapalinou nitroglycerínom. So 75 dielmi výbušnín a 25 dielmi kremeliny vznikol pevný materiál, ktorý sa spracoval na valcovité telesá a zabalil do papierových puzdier, ktoré sa museli dávkovať do vrtných otvorov, pričom sa do nich jednoducho nalial nitroglycerín. Napriek vysokému obsahu inertných látok sa ukázalo, že nový materiál je päťkrát výbušnejší ako čierny prášok a je s ním manipulácia podstatne bezpečnejšia ako so samotným nitroglycerínom. Gurdynamit (z gréckeho dynamis for power) sa stal obrovským ekonomickým úspechom.
Materiál sa však rozpustil vo vode a jeho výbušná sila bola o štvrtinu menšia ako v prípade čistého nitroglycerínu. V roku 1875 Alfred Nobel rozpustil výbušný olej v bavlnenej pištoli (nitrocelulóza), vysoko horľavej látke podobnej vate, ktorú bazilejský profesor chémie Christian Friedrich Schönbein (1799 až 1868) prvýkrát vyrobil v roku 1846 úpravou bavlny kyselinou dusičnou a sírovou. Dostal želatínovú látku, ktorá bola vodotesná, ešte menej citlivá na mechanické namáhanie a kvôli vyššiemu obsahu nitroglycerínu bola výrazne energickejšia ako gurdynamit: trhací želatína.
Takáto vysoká hustota energie však v praxi ani nebola potrebná. Dalo by sa to trochu znížiť pridaním chilského dusičnanu do želatíny a horľavých organických materiálov, ako sú piliny alebo uhoľný prach. To zároveň celú zmes stabilizovalo proti nárazom a vibráciám. Krátko nato bol čílsky dusičnan nahradený dusičnanom amónnym, ktorý sa úplne rozkladá na plynné produkty a zvyšuje výbušný účinok v dôsledku dodatočného tlaku plynu. Civilné želatínové výbušniny dusičnanu amónneho sa stále vyrábajú podľa tohto princípu a sú prispôsobené iba požiadavkám modernej technológie tryskania s použitím prísad.
Horninové výbušniny bez obsahu nitroglycerínov
Pretože bezpečná výroba nitroglycerínu je veľmi zložitá, čoskoro sa hľadali alternatívy. Najmä od osemdesiatych rokov minulého storočia je známe, že oxidačné činidlo dusičnan amónny je schopné detonácie samo osebe pri vysokých excitačných energiách. Reakcia zmesi s horľavými látkami, ako je nafta (dusičnan amónny plus vykurovací olej, ANFO), je ľahšia. Zatiaľ čo komponenty boli pôvodne zmiešané v hmotnostnom pomere 1: 1 - to zodpovedalo vrecu s dusičnanom amónnym a plechovke motorovej nafty - a výbušniny boli schopné odpáliť iba vo veľkých vrtoch s priemerom 200 a viac milimetrov za zvýšenia nálože citlivejších výbušnín. Zápalnosť sa významne zlepšila pri nezmenenej nízkej mechanickej citlivosti.
Granulát dusičnanu amónneho s pórovitosťou, ktorú je možné riadiť výrobným procesom - vo forme takzvaných perličiek - lepšie adsorbuje minerálny olej a má väčšie rozhranie medzi reaktantmi. Jemné častice vyrobené oderom počas výroby tiež zlepšujú zápalnosť do určitého množstva. Nakoniec to však bráni toku výbušniny, ktorá sa dopravuje do vrtov skrutkami alebo pneumaticky. Aj keď ANFO nedosahuje výbušnú silu výrobkov obsahujúcich nitroglycerín, je to najlacnejšia hromadná výbušnina vôbec, a preto predstavuje asi 80 percent trhu s výbušninami na celom svete.
Avšak perličky sa rýchlo rozpúšťajú vo vrtoch obsahujúcich vodu. Ak nie je hladina vody príliš vysoká, vytvorí sa roztok alebo soľná pasta iba na dne, zatiaľ čo výbušniny v hornej oblasti sa môžu ešte použiť. V takom prípade je možné nabíjaciu stanicu zapáliť dostatočne silným pomocným nabíjaním.
Princíp sa systematicky zdokonaľoval. Do buničiny sa pridávajú molekulárne výbušniny, ako je trinitrotoluén (TNT) alebo hexogén (tj. Citlivé, výbušné látky bez ďalších zložiek). Ako oxidovateľné zložky sa pridávajú cukor, minerálny olej, uhoľný prach a - čo je najdôležitejšie - hliníkový prášok. Jeho vysoké spaľovacie teplo ohrieva plyny vznikajúce pri detonácii a zaisťuje tak vysoký tlak plynov. Aby sa zložky neoddelili, používajú sa bobtnavé prostriedky ako agar-agar, škrob, guarová múka alebo polyakrylamid, ktorých makromolekuly obsahujú tekuté zložky a môžu byť zosieťované soľami antimónu (V) alebo chrómu (VI).
V závislosti od zloženia sa vytvárajú kalné tekuté výbušniny - takzvané kaše - alebo tuhé vodné gély, ktoré sa dajú plniť do náplní. Vznietiteľnosť materiálu sa tiež môže meniť v širokom rozmedzí. Voda je inertná voči palivu a oxidačným činidlám, a preto stabilizuje kal proti nárazom a treniu. Na začiatku vývoja sa však muselo naučiť, že hliník, ktorý nebol predbežne ošetrený proti korózii, je napadnutý soľným roztokom a že jeho rozklad môže viesť dokonca k detonácii.
Emulzné výbušniny
Reaktívny povrch dusičnanu amónneho je možné drasticky zvýšiť rozpustením soli vo vode. Voda opäť funguje ako inertné činidlo. Aby sa udržal čo najmenší podiel, využíva sa skutočnosť, že jeho rozpúšťacia schopnosť prudko rastie s teplotou: okolo 80 stupňov Celzia dokáže absorbovať mnohonásobne viac soli ako izbová teplota. Koncentrovaný roztok sa potom ešte za tepla emulguje v minerálnom oleji; to má za následok veľké rozhranie. Tento termodynamicky nestabilný stav je možné stabilizovať vhodnými emulgátormi. Veľkosť kvapiek tejto emulzie typu voda v oleji môže byť menšia ako desať mikrometrov (tisíciny milimetra). Ak potrebujete tuhé výbušniny, pridajte vhodné vosky, aby ste nastavili viskozitu na požadovanú hodnotu. Typický obsah vody v hotovej výbušnine je okolo 10 až 20 percent.
Emulzia sama o sebe nie je schopná detonácie, ale stane sa detonovateľnou až po pridaní senzibilizátorov. Nemusia to však byť výbušniny a podobne; ingrediencie, ktoré nereagujú, slúžia aj účelu. Napríklad emulzia s veľkým množstvom plynových bublín je veľmi schopná detonácie. Rázová vlna stláča bubliny tak rýchlo, že nemôže dochádzať k nijakej výmene tepla, a tým ich extrémne zahrieva (pozri Spektrum der Wissenschaft, apríl 1995, strana 50). Reakcia dusičnanu amónneho s palivom sa môže na týchto horúcich miestach vždy znovu vznietiť. Tento mechanizmus tiež zlepšuje detonáciu výbušnín obsahujúcich nitroglycerín. Plynové bubliny môžu byť generované chemicky - najmä konverziou dusitanu sodného s močovinou alebo tiomočovinou za vzniku dusíka. Vosky mu dodávajú veľmi pevnú konzistenciu, aby nedochádzalo k rýchlejšej difúzii výbušninou.
Môžete tiež použiť duté mikroguľôčky vyrobené zo skla alebo plastu, pretože sa často používajú na zníženie hmotnosti tvarovaných častí. Horia aj plastové guľôčky a detonačné rýchlosti sú podstatne vyššie ako rýchlosti zo skla. Emulzné výbušniny s dutými mikrosférami však uchovávajú menej energie ako želatínové výbušniny na báze dusičnanu amónneho, čo môže byť problematické za zložitých podmienok, napríklad v pevnej hornine a pri vysokom napätí.
Zloženie emulzných výbušnín sa môže meniť v širokom rozmedzí. Spektrum sa pohybuje od tekutých látok pre veľké priemery vrtov (obr. 3), ktoré sa musia zapáliť pomocou posilňovacej nálože, až po tuhé látky pre malé kartuše. Bolo tiež možné vyrobiť lepivé materiály tak suché pridaním silikónových olejov, ktoré je možné plniť do papierových obalov pomocou kazetových strojov vyvinutých pre želatínové výbušniny.
Výbušniny na ťažbu v podzemí
„Bijúce počasie“, výbuchy zmesí metánu a vzduchu, ktoré rozvíria všade prítomný uhoľný prach pri ťažbe uhlia a potom ho odpália, už stáli mnoho baníkov život. Hlavným dôvodom, prečo sú tak nebezpeční, je to, že ich nárazové vlny sa nerozšíria do všetkých strán a neutíchajú, ale môžu sa šíriť tunelovým systémom niekoľko kilometrov. Uhlík navyše nespáli úplne a produkuje sa vysoko toxický oxid uhoľnatý - obeťami mínových nehôd je často viac baníkov ako tlaková vlna.
Zmesi metánu a vzduchu je možné zapáliť pri malom množstve energie v širokom rozmedzí koncentrácií - počnúc pomermi okolo 5 až 15 percent metánu. Samozrejme, vždy stačí jedna detonácia. O to viac je zarážajúce, že bolo možné vyvinúť špeciálne výbušniny, ktoré sa dajú použiť aj napriek nebezpečenstvu odpaľovania.
Jeden využíva skutočnosť, že čas medzi vznietením a výbuchom zmesi metánu a vzduchu, v ktorom reakčné radikály a ióny pokračujú v reakcii, rastie s klesajúcou teplotou. Do zmesi nitroglycerínu, dusičnanu amónneho a paliva sa preto pridáva relatívne veľké množstvo soli, napríklad kuchynskej. Jeho relatívne vysoké špecifické teplo extrahuje energiu z horúceho oblaku, takže konečná teplota výbušných plynov klesá a pravdepodobne už nestačí na zapálenie zmesi metánu a vzduchu. Ešte dôležitejší je účinok týchto jemných pevných častíc solí ako antikatalyzátorov, ktoré zachytávajú reaktívne častice na ich povrchu, takže nedochádza k spaľovaniu a k hromadeniu výbuchu. Obsah soli tiež znižuje celkovú energiu výbušniny a tým aj maximálny tlak v rázovej vlne.
Obzvlášť bezpečné sú poveternostné výbušniny s inverznými pármi solí: Namiesto výbušného dusičnanu amónneho a napríklad chloridu sodného obsahujú tieto neškodné soli chlorid amónny a dusičnan sodný. Ak dôjde k detonácii nitroglycerínu, ktorý je prítomný iba v malom množstve, zostáva jeho energia koncentrovaná vo vrte a môže dôjsť k rozpadu obidvoch látok, pričom sa na krátky čas opäť vytvorí dusičnan amónny a chlorid sodný, ktoré potom pokračujú v reakcii známym spôsobom. Ak nabíjacia stanica nedetonuje vo vrte, ale je v otvorenom kontakte so zmesou metánu a vzduchu, napríklad preto, že susedná vsádzka už odtrhla horninu, inertná zmes dvojice inverzných solí sa iba vyhodí a energia nitroglycerínu sa vo veľkej miere spotrebuje a sa tak vyhlo explózii vystreleného plynu. Na základe tohto princípu sa v Nemecku vyrábajú najbezpečnejšie výbušniny na svete.
Moderná technológia tryskania by bola nemysliteľná bez bezpečných a spoľahlivých rozbušiek (obr. 2). Pri všetkých spôsoboch otryskávania sa nálože nezapália súčasne, ale s miernym oneskorením, takže sa napríklad otvorí zlomová stena ako zips (obr. 1). Vďaka nižšej energii uvoľnenej za časový krok možno tiež minimalizovať výbušné vibrácie. Naša spoločnosť nedávno doplnila rozbušky času o pyrotechnické oneskorovacie súpravy s elektronickými oneskorovacími jednotkami. K dispozícii sú tiež neelektrické systémy. Vysoká presnosť elektronických rozbušiek a možnosť voľby oneskorenia medzi jednotlivými časovými úrovňami v širokom rozmedzí umožňujú prispôsobiť tryskací systém tryskanému materiálu.