Nejstarší známou výbušninou je černý střelný prach používaný u starých Číňanů již v době před n.l. Zaručené údaje známe teprve z 12.stol., kdy již byl znám černý prach o stejném složení, jak se používá dodnes. Dlouho se jej používalo ve vojenství a k trhacím účelům. V té době byl prach vyráběn značně primitivním způsobem v tzv. prašných mlýnech, kde se všechny složky drtily a mísily dohromady, je pochopitelné, že při tom docházelo k četným neštěstím.
V 70-80. letech 18.století Francouzští chemici A.Lavoasier a K.Berthollet popsali výbušné vlastnosti směsí obsahující chlorečnan draselný (nazvaný Bertolletova sůl) s organickými látkami. Velká exploze továrny na výrobu těchto výbušnin odsunula další výzkum a praktické použití na mnoho let. Ve stejném období byla objevena třaskavá rtuť, ale černý prach i nadále zůstával jedinou používanou výbušninou. K jeho zapalování sloužily různé nespolehlivé sirné šňůry, stébla a trubičky plněné prachem.
Teprve rok 1831 sestrojil Angličan Bickford první zápalnici plněnou prachovou duší, tento vynález znamenal již značný pokrok.
Roku 1771 P.Bulforn poprvé syntetizoval trinitrofenol (kyselina pikrová), výbušné vlastnosti kyseliny pikrové byly objeveny až o sto let později G.Sprenglem.
Roku 1846 Bedřich Schonlein poprvé vyrobil střelnou bavlnu, o 6 měsíců později (téhož roku) objevil Italský chemik Ascagre Sobrero nitroglycerin.
Roku 1854 Rusové Zinin a Petračeský přišli s nápadem použít nitroglycerin k trhacím pracím. Následovala éra používání nitroglycerinu pro těžbu nerostů a výkopovým pracím. Nitroglycerin se používal v čisté formě, tj. kapalný nebo ve směsi s černým prachem.
Švéd Alfréd Nobel roku 1864 patentoval výrobní postup nitroglycerinu a založil několik továren na jeho výrobu. Roku 1869 přišel Nobel náhodou na myšlenku mísit nitroglycerin s křemičitou (infusoriovou) hlinkou.
Vznikl tak první dynamit. 2 roky předtím vynalezl Nobel při svých pokusech rozbušku s náplní třaskavé rtuti (do té doby se nitroglycerin rozněcoval náloží černého prachu). Objevil vlastnosti želatinovaného nitroglycerinu a poprvé vyrobil trhací želatinu.
Po objasnění jevu detonace a jeho příčin následovalo období rychlého vývoje výbušinářského odvětví.
Roku 1863 I.Bilbrant poprvé připravil Trinitrotoluen, rok 1887 získal K.Martens Tetryl.
Roku 1879 Lenc vyrobil Hexogen a rok 1890 T.Kurcius Azid olovnatý. Tollen a Vigan roku 1894 připravili Pentrit.
Oktogen byl objeven až roku 1941 jako vedlejší produkt při výrobě hexogenu.
V 70. letech minulého století byly studovány výbušné vlastnosti směsí bezvodé kyseliny dusičné s uhlovodíky. Začalo se těchto směsí používat ve vojenství, ale pro svou složitost aplikace se neujaly.
V 50-60. letech byly prováděny rozsáhlé studie směsí kapalných uhlovodíků s oxidem dusičitým (dimer N2O4) a tetranitromethanem.
Roku 1897 byly v Německu K.Lindem zpozorovány výbušné vlastnosti kapalného kyslíku s organickými látkami. Od roku 1918 byly trhaviny obsahující kapalný kyslík a organické látky průmylově používány v trhací technice pod názvem Oxylikvity.
Oxylikvity se používaly až do 50. let, pak byly nahrazeny levnějšími a bezpečnějšími ammonledkovými trhavinami.
Výbušné vlastnosti dusičnanu amonného s organickými látkami a nitroderiváty byly objeveny již roku 1867 I.Olsenem. Jejich praktické použití bylo vytlačeno masivním používáním oxylikvitů a dynamitů.
První a zřejmě nejznámější trhavinou obsahující ledek amonný byl ruský Hromobij objevený roku 1886. Jednalo se o směs dusičnanu amonného s pikrátem amonným.
Poté následoval prudký vzestup zájmu o tyto směsi. Byly zkoušeny směsi NH4NO3 se všemi známými nitrolátkami (di- a trinitrobenzen, tnt, nitronaftaleny, nitroglycerin ...). Takto byly popsány vlastnosti ammonledkových trhavin.
Roky 1899-1901 Němec Kast (mimo jiné autor brizančních zkoušek a zkoušek citlivosti) zjistil výbušné vlastnosti kovového hliníku s dusičnany a energetickými výbušninami.
Až do roku 1960 činil objem výroby ammonledkových trhavin 10-20%. Po zavrhnutí oxylikvitů se staly nejpoužívanějšími výbušninami na celém světě. Jedny z prvních běžně používaných trhavin tohoto typu byly Ammonit č.2 a č.3 .
Roku 1936 byl vyroben Dinaftalit č.1, později používaný ve Francouzské armádě.
Ve stejném roce D.Ross navrhl Dynamon K (směs dusičnanu amonného a dřevné moučky).
Během následujícího desetiletí bylo navrženo a připraveno obrovské množství trhavin na bázi dynamonů a ammonitů.
V 50.letech se začali používat jednoduché kompozice NH4NO3 (minerální olej) hliník pod názvy Dynamon 12 a Nitrex (viz. Detonator).
Na základě ammonitů byly rozpracovány granulované a voduobsahující trhaviny (DAP, Akvatoly, Slurry...). Od 60.let se tyto směsi začali široce uplatňovat při těžbě rud a v současnosti jsou nejpoužívanějšími výbušninami. Jde o směsi NH4NO3 - palivo nazývané DAP (Anfo v Americe a AS-DT v Rusku). Současně se začali používat eutektické směsi dusičnanů s organickými látkami (původně objevené v 1. a 2. sv.).
Vývoj výbušnin ve vojenství byl ovlivněn především 2. světovou válkou. V tomto období vzniklo množství výbušnin, jež se používají dodnes. Na vojenské výbušniny jsou kladeny nároky na vysokou stabilitu, bezpečnost a účinek. Těmto kritériím vyhovuje většina aromatických nitrolátek a daleko menší množství esterů kyseliny dusičné a nitraminů.
Nejčastěji používanou výbušninou je dobře známý Trinitrotoluen. Čistý tritol se používá jen minimálně, jeho nízká teplota tání však umožňuje přípravu náloží litím. Výhodou litých trhavin je především snadnost jejich výroby bez použití vysokých lisovacích tlaků.
Samotný tritol není příliš výkonnou trhavinou a proto se kombinuje s Pentritem, Hexogenem, Tetrylem, Oktogenem (Pentolit, Hexolit, Tetrytol, Oktol) a spoustou dalších výbušnin.
Výhodné vlastnosti mají také směsi tritolu s dusičnanem amonným (Ammatoly).
Plastické trhaviny se ve vojenství začali používat mnohem později a v menší míře. Nitroglycerinové plastické trhaviny zde byly zavrhnuty pro svou vysokou citlivost a nízkou stabilitu. Mezi prvními plastickými trhavinami byly směsi práškového tritolu s kapalnými nitrolátkami. Směs však byla příliš málo citlivá a výkon také nebyl nijak veliký.
Průlom nastal až používáním Hexogenu a Pentritu plastifikovaného vazelínou a olejem.
Mnohem dokonalejšími byly "plastiky" obsahující jako plastifikátor elastomerní hmotu z dinitrátu celulózy a kapalných nitrolátek (známé kompozice typu C, Hexoplasty a Plastity). V osmdesátých letech se začali používat "nové" plastické výbušniny z trimethylolpropantrinitrátu (a jiných dusičných esterů) coby výbušného plastifikátoru a brizantních nitraminů (Oktogen a Hexogen) s příměsí hliníku. Směsi se označovali jako PBXN . V devadesátých letech byl objeven Hexanitrohexaazaisowurtzanit (CL-20), zatím nejúčinnější výbušnina.
Svého času měli určitý význam i tzv. Astrolity. Jednalo se o směsi práškového dusičnanu amonného s hydrazinem a nitromethanem. Používaly se hlavně pro svou vysokou detonační rychlost a obrovský účinek, který se vyrovnal lisovanému Hexogenu.
Teorie výbušnin a výbuchových dějů 1
(základní pojmy)
Výbušniny
Jsou fyzikální směsi nebo soustavy chemických sloučenin, které jsou při patřičném podnětu (mechanickým zásahem, tepelnou energií...) schopny prudkého rozkladu za současného uvolnění energie.
Rozdělení výbušnin
Výbušniny dělíme podle různých hledisek na několik skupin. Posuzujeme je při tom podle účinnosti (deflagrující a brizantní), podle způsobu roznětu (přímé a nepřímé), podle bezpečnosti (citlivé, netečné, důlně bezpečné), podle způsobu použití (střeliviny, trhaviny, třaskaviny), podle chemického složení (aromatické nitrolátky, nitraminy, dusičné estery, směsné trhaviny, třaskaviny). Pravděpodobně nejpřehlednější je rozdělení podle způsobu použití na:
- Střeliviny
Přímým zásahem plamene se zapalují a relativně rychle hoří, používají se v nábojnicích a výmetných náplních palných zbraní. Větší množství po zapálení v uzavřeném prostoru přechází ve výbuch, který se vyznačuje malou rychlostí (300-1000m/s). Vesměs jsou značně citlivé na tření a nárazy. Patří mezi ně např. černý prach, nitrocelulosové a nitroglycerinové střelné prachy, výbušné ledky a jím podobné směsi.
- Třaskaviny
Jsou extrémně citlivé látky nebo směsi, které i při nepatrném podnětu mohou vybuchovat. Výbušný rozklad může vyvolat plamen, zvýšení teploty, tření, slabý náraz, el.proud ( u některých dokonce i sluneční světlo či slabé akustické vlnění).
Všechny třaskaviny jsou z těchto důvodů velmi nebezpečné a k trhacím účelům se nikdy nepoužívají.
Důležitou vlastností třaskavin je jejich iniciační schopnost. Svou explozí mohou strhnout k výbuchu i méně citlivé trhaviny. Tohoto jevu se prakticky používá v rozbuškách, kde malé množství třaskaviny (primární náplň) přivede k explozi sekundární náplň z méně citlivé výbušniny (hexogen, pentrit) a ta pak iniciuje celou výbušnou nálož do níž je rozbuška vložena.
Z obrovského množství popsaných třaskavin se prakticky používá jen omezené množství, které vyhovují stabilitou, přiměřenou citlivostí a iniciační silou.
Patří mezi ně např. Azid olovnatý a stříbrný, Třaskavá rtuť a stříbro, Diazolátky (Dinol), Organické azidy, Acetylidy, Tetrazen, Tricinát olovnatý.
Dříve se též používali organické peroxidy (HMTD), ale pro vysokou citlivost a nižší bezpečnost byly zavrhnuty.
- Trhaviny
Výbuchová přeměna trhavin probíhá obvykle jako detonace. Protože jejich výbuchem vznikají silné rázové vlny, používají se k destrukčním účelům.
Trhaviny jsou vůči podnětům mnohonásobně méně citlivé než třaskaviny. Aby se vyvolala jejich detonace, je nutno použít silného podnětu, zpravidla detonace jiné výbušniny. K tomu slouží rozbušky a bleskovice.
Většinu vyráběných trhavin je možno považovat za manipulačně bezpečné. Obvyklými nárazy, třením nebo průstřelem z pušky nemohou explodovat.
Patří sem aromatické nitrolátky (tritol, kyselina pikrová, tetryl, hexyl), nitroestery (nitroglycerin, nitroglykol, pentrit), cyklické nitraminy (hexogen, oktogen) a jejich vzájemné kombinace nebo směsi s okysličovadly (dusičnany, chlorečnany, chloristany).
Výbuch
Výbuch by se dal zjednodušeně charakterizovat jako extrémně rychlá chemická reakce, při níž se vyvíjí velké množství tepla a plynů. Současně je tato reakce doprovázena uvolněním množství fotonů- světla.
Charakteristický účinek výbuchu (destrukce) je pouze následkem vzniku velkého množství plynů v krátkém časovém úseku a rozpínáním plynů vzniklým teplem. V okolí výbuchu tedy vzniká velké zhuštění plynů, které způsobují onen destrukční účinek.
Čím rychleji proběhne výbuch (detonace) trhaviny, tím větší vzniká přetlak plynů oproti okolnímu prostředí. Tato rychlost se označuje jako detonační rychlost (D).
Výbuchové hoření
Výbuchové (explozivní) hoření se výbušninou šíří menší rychlostí než detonace. Během explozivního hoření je stejný tlak jak ve výbušnině, tak i na jejím povrchu a v plynech, které výbušninu obklopují. Výbušná přeměna probíhá tak pomalu, že vzniklé plyny stačí z místa rozkladu odtékat bez výraznějšího vzestupu tlaku.
Výbušné hoření je charakteristické pro střeliviny, ale i trhaviny zapálené v uzavřeném prostoru mohou začít explozivně hořet.
Při velmi dobrém uzávěru výbušniny může tlak plynů prudce stoupat až ke kritické hranici a trhavina může nakonec detonovat.
Iniciace
Rozklad výbušniny způsobený vnějším popudem nastává jen v malé části nálože. V tomto místě dojde k přehřátí a vzniku výbušného rozkladu (reakce). K takové přeměně může dojít silným zvýšením tlaku a teploty v některé části nálože. Zvýšením teploty se molekuly výbušniny začnou intenzivně pohybovat a vzájemně na sebe narážet. Tyto molekuly se velmi rychle pohybují a svými nárazy mohou rozrušovat další molekuly výbušniny.
Zasáhne-li počáteční účinek dostatečně velký objem výbušniny, stačí vzniklé plyny předat energii výbuchu dále okolním částicím. Když výbuch zachvátí určitou část nálože, šíří se samostatně dál, dokud celá nálož nevybuchne. Roznět výbušniny vnějším vlivem se nazývá iniciací.
Iniciace je účinná jen tehdy, je-li počáteční impuls natolik silný, aby celá nálož detonovala.
Každá trhavina má svou charakteristickou citlivost, tj. jak velký impuls je nutné použít ke spolehlivé detonaci této výbušniny. Při použití slabšího podnětu (např. slabé rozbušky) mohou nastat v podstatě 3 případy:
a) výbušnina nevybuchne (rozmetá se beze změny do okolí)
b) dojde k deflagraci ( tzv. výbušné hoření)
c) nálož exploduje, ale pouze nejnižší detonační rychlostí a slabým tlakem plynů .
(pozn.Poslední případ se vykytuje u plastických nitroglycerinových trhavin)
Detonační vlna
Postupné šíření výbuchu v náloži výbušniny od místa, kde výbuch vznikl se nazývá detonací. V každém okamžiku šíření detonace existuje hranice mezi částí nálože, která se již přeměnila v plyny, a částí nálože dosud procesem výbuchu nezasaženou. Tato hranice se nazývá čelem detonační vlny. Bezprostředně za čelem detonační vlny dochází k uvolnění energie a k přeměně výbušniny v plyny.
Detonační vlna se ve výbušnině šíří rychlostí od 1 km/s do 9 km/s (u některých typů trhavin může být hranice 9 km/s překročena), podle chemického složení a hustoty. To jsou velmi vysoké rychlosti. Proto detonace zachvacuje celou nálož v stotisícině sekundy a v mnoha případech je možné výbuch považovat za prakticky okamžitou přeměnu v plyny o vysoké teplotě a tlaku.
Kritický průměr
Srovnáním různých výbušnin zjistíme, že pro každou z nich existuje určité nejmenší množství, které může detonovat. Kdybychom použili menšího množství, nemůže k výbuchu dojít.
Toto množství se vztahuje na určitou délku nálože, z čehož lze odvodit minimální průměr výbušniny označovaný jako kritický průměr. Kritický průměr se zjišťuje podle Chaitonovy metody. Zhotoví se několik táhlých náloží v podobě válců různého průměru a zjišťuje se mezní průměr, při kterém se ještě detonace v náloži šíří. Tyto zkoušky ukazují, že kritický průměr se v podstatě shoduje s citlivosti výbušniny. Čím citlivější je výbušnina, tím nižší má kritický průměr. Např. azid olovnatý má kritický průměr menší než 1 mm, zatímco TNT není schopný detonovat v průměru pod 9 mm.
Energie a výkon výbuchu
Při výbuchu působí velké tlakové síly plynů projevující se jako mechanická síla výbuchu. Energie, jež se při výbuchu uvolní je skryta ve výbušnině. Je však mnohem nižší než energie hořlavin. Benzin např. obsahuje 10 krát více E než TNT. Musíme však mít na zřeteli, že hořlavina potřebuje k svému hoření kyslík, který odebírá z atmosférického vzduchu. Hořlavina tedy potřebuje k uvolnění energie vnější kyslík.
Výbušnina naproti tomu nepotřebuje žádné vnější látky. Kyslík je uložen v molekule výbušniny (v NO2 skupině) nebo ve formě okysličovadla ve směsi. Hoření probíhá relativně pomalu, výbuch se šíří velmi rychle (přibližně 10 milionkrát rychleji). Právě tímto jsou dány charakteristické účinky výbuchu.
Energie (E) výbuchu se pohybuje zhruba v rozmezí 500-1500 kcal/kg. Přidáním práškových kovů (Al) lze dosáhnout hodnot převyšujících 2000 kcal/kg.
Výkon výbuchu náloží vzrůstá přiměřeně s jejich velikostí. Všeobecně je výkon výbuchu (W) přímo úměrný čtverci třetí odmocniny váhy nálože.
Samotná velikost energie sama o sobě však ještě nic neznamená. Důležité je, kolik energie se využije k praktickému účelu. U volně odpálené výbušniny se k trhacímu účelu využije okolo 15% E. Lepší využití nastane u nálože uzavřené. Když detonační vlna dosáhne povrchu nálože, která je obalena pevnou stěnou a narazí na tuto stěnu, může tlak prudce stoupat. Největšího koeficientu využití se dosahuje u kumulačních náloží. Zde se veškerá energie soustřeďuje do jediného bodu- kumulačního paprsku.
Teorie výbušnin a výbuchových dějů 2
Stabilita detonace
Schopnost detonovat po celé délce nálože neměnnou detonační rychlostí se označuje jako stabilita detonace. V souvislosti se stabilitou detonace má velký význam kritický průměr (viz.teorie 1). Pod kritickým průměrem nemůže výbušnina detonovat, při průměru nálože větším než je dolní kritický průměr pak dochází k nestabilní detonaci.
Nestabilní detonace je neideální detonací, to znamená, že nedosahuje své maximální detonační rychlosti. Zvětšováním průměru nálože se detonační rychlost zvyšuje až ke svému maximu, které leží v horním kritickém průměru. Je dobré připomenout, že většina průmyslových trhavin vybuchuje nestabilní detonací díky malým průměrům náloží.
Nad horním kritickým průměrem se detonace již šíří maximální možnou rychlostí (při dané hustotě) a již se dále nemůže zvyšovat. Tento jev označujeme jako ideální detonace.
Ideální detonace probíhá u průmyslových trhavin nad průměrem náloží 10-35 cm. Vždy záleží na hrubosti jednotlivých složek a jejich promíchání. Nakonec stupeň homogenity směsí ovlivňuje i detonační rychlost a brizanci. U vojenských výbušnin je horní kritický průměr 1-5 cm.
Metastabilní detonace nastává u průmyslových nitroglycerinových plastických trhavin. Tento jev souvisí s velikostí iniciačního impulsu. Při použití běžné rozbušky dojde u těchto trhavin ke vzniku pouze nižší detonační rychlosti (1500-4000 m/s). Teprve při roznětu malou přídavnou náložkou (10g lisovaného pentritu) probíhá detonace maximální rychlostí (5000-7000 m/s).
Velká většina průmyslových plastických trhavin (Perunit, Danubit aj.) odpálené pouhou rozbuškou detonují "jen" nižší rychlostí (hodnoty jež se uvádějí v jejich charakteristikách se dosahují jen za použití inic. tělíska).
Výbuchové teplo
Výbuchové teplo neboli energie výbuchu udává množství energie, které se uvolní při explozi 1 kg výbušniny. Stanovuje se v kilometrické bombě nebo výpočtem z termochemických konstant. Hodnoty se uvádějí v kJ/kg nebo kcal/kg a pohybují se od 100 kcal/kg až po 2000 kcal/kg, nejčastěji kolem 1000 kcal.
Zkratka: Q (E)
Objem výbušných zplodin
Tímto je myšlen objem plynů v litrech vzniklých výbuchem 1 kg výbušniny. Objem vzniklých plynů je v rozmezí 300-1100 l/kg, běžně kolem 800 l/kg.
Skutečný objem plynů je v důsledku rozpínání působením vysoké teploty asi desetkrát větší.
Zkratka: Vo
Výbuchová teplota
Teplota udávaná ve stupních celsia nebo kelvinech, jíž mohou dosáhnout plyny při výbuchu. Přímé měření je příliš obtížné, takže se tato hodnota stanovuje výpočtem. Ze známé hodnoty výbuchové teploty se pak dále vypočítávají detonační tlaky a skutečný objem plynů. Důležitou vlastností je teplota výbuchu pro bezpečnostní trhaviny v dolech a v prostředí s uhelným prachem nebo metanem. Hodnoty dosahují 1500-7000 stupňů celsia, nejčastěji kolem 3500 °C.
Kyslíková bilance
Rozlišujeme výbušniny s negativní, nulovou a kladnou kyslíkovou bilancí. Kyslíková bilance udává kolik gramů kyslíku chybí nebo přebývá k úplné oxidaci výbuchových plynů. Množství kyslíku se vztahuje na 100g výbušniny.
Má-li výbušnina přebytek kyslíku, je bilance kladná, a záporná v případě nedostatku kyslíku k úplné oxidaci složek výbušniny. Postačuje-li množství kyslíku k úplnému okysličení, je bilance nulová (vyrovnaná).
Většina výbušnin má kyslíkovou bilanci negativní (zápornou):
tritol -74%
hexogen -21,6%
Kladnou bilanci má např.
nitroglycerin +3,4%
oxidační látky +20%
Nulovou má např. nitroglykol
Zkratka: KB(%)
Teplota vzbuchu
Je nejnižší teplota, při níž výbušnina samovolně vybuchuje. Stanovuje se pomalým zahříváním výbušniny až k teplotě, kdy nastane výbuch zkoumané látky.
Teploty vzduchu některých výbušnin:
trinitrotoluen 295 °C
hexogen 230 °C
pentrit 215 °C
nitroglycerin 170 °C
nitrocelulosa 190 °C
černý prach 290 °C
azid olovnatý 340 °C
třaskavá truť 165 °C
Citlivost k nárazu
Citlivost k nárazu se stanovuje na zařízení simulujícím náraz tvrdého předmětu dopadajícího naplocho na malý vzorek výbušniny. Zkouška se provádí na Kastově padacím kladivu a zjišťuje se výška při níž závaží o určité hmotnosti způsobí při dopadu explozi výbušniny. Výška pádu v cm a hmotnost závaží v kg jsou měřítkem citlivost výbušniny k nárazu.
Hmotnost závaží bývá standardně nastaveno na 2,0 kg. U málo citlivých výbušnin (dusičnan amonný) se používá závaží 5 nebo 10 kg.
Citlivost některých výbušnin na Kastově padacím kladivu(2 kg) :
trinitrotoulen 100 cm
trinitrofenol 70 cm
hexogen 35 cm
pentrit 30 cm
nitroglycerin 5 cm
nitroglykol 8 cm
nitrocelulosa (13,4% N) 15 cm
černý prach 80 cm
třaskavá rtuť 3 cm
azid olovnatý 4 cm
2. červen 2008
11 459×
2884 slov
