Sprengstoff

Ein Sprengstoff oder auch Explosivmittel ist eine chemische Verbindung oder eine Mischung chemischer Verbindungen, die unter bestimmten Bedingungen sehr schnell reagieren und dabei eine relativ große Energiemenge in Form einer Druckwelle (oft mit Hitzeentwicklung) freisetzen (Detonation). Die Geschwindigkeit, mit der sich die Reaktion innerhalb des Sprengstoffes ausbreitet, liegt dabei über der innerstofflichen Schallgeschwindigkeit. Ein Stoff, der detonieren kann, wird sprengkräftig genannt, welches insbesondere Zündmittel einbezieht.

Die Sprengstoffe gehören zusammen mit den Initialsprengstoffen, Treib- und Schießstoffen (Schwarzpulver und Schießpulver oder Treibladungspulver), Zündmitteln und pyrotechnischen Erzeugnissen zu den explosionsgefährlichen Stoffen (Explosivstoffen).

Einführung

Sprengstoffe basieren auf energiereichen Verbindungen. Dies sind teilweise organische Verbindungen, welche Atome der Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff(H), Stickstoff(N) und Sauerstoff(O) enthalten und thermodynamisch wenig stabil sind, oder starke Oxidationsmittel in Verbindung mit reduzierbaren Stoffen, beispielsweise anorganische Chlorate in Mischung mit organischen Stoffen, Metallen, Kohlepulver oder Schwefel. Typischerweise weisen die meisten organischen Sprengstoffe Nitrogruppen auf. Bei der Explosion entstehen sehr stabile, gasförmige Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid CO₂, Wasserdampf und Stickstoff N₂. Bei dieser Umsetzung wird innerhalb weniger Mikro- oder Millisekunden eine große Wärmemenge freigesetzt, außerdem sind die bei der Umsetzung des Sprengstoffs entstehenden Reaktionsprodukte auch wegen der entstehenden Hitze von mehreren tausend Grad Celsius gasförmig. Die plötzliche Entstehung sehr heißer Gase mit großem Raumbedarf, aus einem Feststoff oder einer Flüssigkeit, hat dann die für Sprengstoffe typische Druckwelle zur Folge. Die Sprengwirkung wird durch die hohe Temperatur der Gase drastisch verstärkt, denn je mehr Hitze der Sprengstoff bei der Detonation freisetzt, desto stärker der Gasdruck. Eine möglichst hohe Temperatur trägt somit zur größeren Sprengwirkung bei. Der Druck ist aber auch von anderen Faktoren abhängig.

Einigen Sprengstoffen werden auch Sauerstoffträger zugesetzt, einerseits um die Sauerstoffbilanz zu verbessern, andererseits um Hochleistungssprengstoffe zu strecken und auf diese Weise einen hohen Bedarf zu decken. So wurden in Deutschland gegen Ende des Zweiten Weltkriegs in militärisch verwendeten Sprengmitteln die Anteile an Hochleistungssprengstoffen immer weiter gesenkt und durch alle verfügbaren Salpeter sowie sauerstoffarmen Ersatzsprengstoffe ersetzt. Kurz vor Kriegsende wurden dann sogar alkalichloridhaltige Wettersprengstoffe zur Füllung von Munition verwendet.

Sowohl die zivilen als auch militärischen Sprengstoffe enthalten mitunter noch Metalle wie Aluminium oder Zink. Während feingepulvertes Aluminium durch höhere Temperatur die Gasschlagwirkung steigert, dienen Aluminium- oder Zinkgrieß in Flak-Munition zur Erhöhung der Brandwirkung im Ziel.

Zur Initiierung von Sprengstoffen werden Sprengzünder verwendet. Es gibt elektrische, nicht-elektrische und elektronische Zündsysteme. Weltweit führender Hersteller von Zündsystemen für den zivilen Bereich ist der Orica-Konzern mit Sitz in Melbourne, Australien. Daneben werden gelegentlich noch Sprengkapseln eingesetzt, die mittels Sicherheitsanzündschnur gezündet werden. Wenn die Hauptladung aus einem sehr unempfindlichen Sprengstoff besteht, so ist zwischen Sprengzünder und Hauptladung noch eine zusätzliche Verstärkungsladung (Booster, Schlagverstärker) erforderlich.

Geschichte

Der erste Sprengstoff – Schwarzpulver – wurde schon sehr früh in der Menschheitsgeschichte hergestellt, da alle Komponenten (Kalisalpeter, Schwefel und Holzkohle) leicht verfügbar sind. Der „Liber Ignium“ (das Buch des Feuers) von Marcus Graecus aus dem 11. Jahrhundert, mit noch erhaltenen Abschriften vom Beginn des 13. Jahrhunderts, enthält noch mehrere Rezeptvarianten. Aber erst in der zweiten Hälfte des 14. Jahrhunderts wurde es vermehrt eingesetzt, hauptsächlich in Feuerwaffen und als Sprengstoff. Die ersten synthetischen Sprengstoffe waren 1847 Glycerintrinitrat (Nitroglycerin), entdeckt von Ascanio Sobrero in Turin sowie 1846 Zellulosenitrat (Nitrozellulose bzw. Schießbaumwolle). Da Glycerintrinitrat sehr erschütterungsempfindlich ist und ungenügend neutralisiertes Zellulosenitrat zur Selbstentzündung neigt, deren Ursache zunächst nicht erkannt wurde, war die Handhabung zunächst sehr gefährlich. 1862 erfand Alfred Nobel die Initialzündung und 1867 gelang es ihm in Krümmel bei Geesthacht, durch Aufsaugen von Glycerintrinitrat in Kieselgur Dynamit herzustellen. 1875 fand Nobel durch Gelatinieren des flüssigen Glycerintrinitrat mit 6 bis 8 % festem Zellulosenitrat die Sprenggelatine, den damals stärksten gewerblichen Sprengstoff. Da auch die Sprenggelatine noch ziemlich schlagempfindlich und teuer war, wurden durch Zumischen von Holzmehl und Nitraten die sogenannten gelatinösen Sprengstoffe entwickelt. Sie sind handhabungssicher und sprengkapselempfindlich. Mittlerweile werden sie, gerade im Bereich der Gewinnungssprengungen, von Ammoniumnitrat-Sprengstoffen vom Typ ANC/ANFO verdrängt, die zu Sprengschlämmen und Emulsionssprengstoffen weiterentwickelt wurden.

Zu den ältesten militärischen Brisanzsprengstoffen zählten die Pikrinsäure und das m-Trinitrokresol, deren Ausgangsstoffe aus Steinkohleteer gewonnen wurden. Diese hatten jedoch den großen Nachteil, dass sie an der Innenwandung der Granaten stoßempfindliche Schwermetallpikrate bildeten, die zu Rohrkrepierern führten. Aus diesem Grund wurden die Granaten vor dem Befüllen innen lackiert. Als die Erdöldestillation genügend Toluol bereitstellen konnte, verdrängte TNT seine Vorgänger als häufig genutzter, sehr handhabungssicherer, brisanter Militärsprengstoff.

Moderne Sprengstoffe mit höherer Brisanz basieren oft auf Basis von Hexogen, Nitropenta oder Ethylendinitramin. Octogen gilt als einer der brisantesten Sprengstoffe, ist aber in der Herstellung aufwendig und sehr teuer. Es wird fast ausschließlich für Spezialladungen verwendet, zum Beispiel Hohlladungen, wenn sehr hohe Brisanz gefragt ist.

Parameter zur Charakterisierung von Sprengstoffen

Sauerstoffbilanz

Die Sauerstoffbilanz gibt an, ob zu viel oder zu wenig Sauerstoff zur vollständigen Oxidation des Sprengstoffes zu Verfügung steht. Je ausgeglichener die Sauerstoffbilanz (je näher bei Null), umso höher die Temperatur und umso stärker die Sprengwirkung. Bei militärischen Anwendungen von Sprengstoffen ist die Sauerstoffbilanz nebensächlich, bei Sprengstoffen für gewerbliche Zwecke sollte sie grundsätzlich positiv sein, um die Bildung brennbarer oder giftiger Reaktionsprodukte zu vermeiden. Die Sauerstoffbilanz von Sprengstoffen, die in reiner Form eine negative Sauerstoffbilanz aufweisen, kann durch Zuschlag von Sauerstoffträgern (z.B. Ammoniumnitrat) beeinflusst werden.

Spezifisches Schwadenvolumen (Normalgasvolumen)

Das Spezifische Schwadenvolumen ist das Gasvolumen in Litern, das bei der vollständigen Umsetzung von 1 kg Explosivstoff unter Normbedingungen entstünde.

Mit der Stoffmenge der gasförmigen Detonationsprodukte (Schwaden) pro Gramm Sprengstoff (in mol/g) ergibt sich das spezifische Schwadenvolumen (in l/kg) wie folgt:

Beispiel: Aus 1 Gramm Ammoniumnitrat entstehen bei seiner vollständigen Explosion ca. 43,73 mol Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff.

Gemäß obiger Formel ergibt sich ein spezifisches Schwadenvolumen bzw. Normalgasvolumen für reines Ammoniumnitrat mit 980 l/kg.

Spezifische Energie

Die Spezifische Energie ist die Energiemenge in Kilojoule, die bei der vollständigen Umsetzung von 1 kg Explosivstoff frei wird.

Ihrer in der Praxis gebräuchlichen Maßeinheit MPa·l/kg zufolge kann man sie zahlenmäßig aber auch als den Druck in Megapascal auffassen, den 1 kg des betreffenden Explosivstoffes bei seiner vollständigen Umsetzung in einem Volumen von 1 Liter erzeugen würde (1 MPa·l = 1 kJ). Spezifische Energie, spezifisches Schwadenvolumen und Explosionstemperatur hängen daher engstens zusammen.

Ladedichte

Verhältnis der Masse des Explosivstoffes zum Volumen des Explosionsraumes. Die Detonationsgeschwindigkeit ist von der Ladedichte abhängig.

Schlagempfindlichkeit

Die Empfindlichkeit von Sprengstoffen gegen mechanische Einwirkung (Schlag, Stoß) kann durch Zusatz von phlegmatisierenden Stoffen wie Paraffin herabgesetzt werden. Die Phlegmatisierung explosionsfähiger Gemische wird als Inertisierung bezeichnet. Desgleichen kann durch Zugabe sogenannter Sensibilisierer die Empfindlichkeit erhöht werden.

Daten einiger Sprengstoffe

Kenndaten einiger ausgewählter Sprengstoffe, wie sie meist empirisch aus standardisierten Experimenten wie der Bleiblockausbauchung ermittelt werden:

	Schwarzpulver	Propantriol- trinitrat (Nitroglycerin)	Ethandiol- dinitrat (Glykoldinitrat)	Schieß- baumwolle	Pentaerythrit- tetranitrat (Nitropenta)	Trinitrotoluol (TNT)
Schmelz- temperatur °C	--	13,5	–22	zersetzt bei 180	141	81
Dichte g/cm³	1,1	1,6	1,49	1,67	1,77	1,65
Sauerstoff- bilanz %	–18	+3,5	±0	–29,6	–10,1	–74,0
Explosions- wärme kJ/kg	2784	6238	6615	4396	5862	3977
Schwaden- volumen l/kg	337	740	737	869	780	740
Spezifische Energie MPa · l/kg	285	1337	1389	1003	1327	821
Detonations- geschwindigkeit m/s	400	7600	7300	6800	8400	6900
Explosions- temperatur K	2380	4600	4700	3150	4200	2820

nach Ammedick

Nutzung

Zivile Sprengstoffe werden zum größten Teil im Bergbau Bergbau verwendet. Die Produktion gewerblicher Sprengstoffe in Deutschland betrug im Jahre 2004 rund 65.000 Tonnen. ANC-Sprengstoffe machten davon ca. 36.000 Tonnen aus, gelatinöse Sprengstoffe auf NG-Basis ca. 10.000 Tonnen, gepumpte und patronierte Emulsionssprengstoffe ca. 16.000 Tonnen. Die restliche Menge verteilt sich auf Wettersprengstoffe für den Steinkohlenbergbau und auf Schwarzpulver für die Werksteingewinnung. Führende Hersteller industrieller Sprengstoffe in Deutschland sind Orica (Troisdorf und Würgendorf), Westspreng (Finnentrop), Sprengstoffwerk Gnaschwitz und WASAG AG (Sythen, Maxam ).

Militärische Sprengstoffe werden als Füllmittel für Granaten, Bomben, Minen, Gefechtsköpfe von Raketen und Torpedos, sowie als Bestandteile von Treibsätzen verwendet.

Für terroristische Zwecke werden sowohl militärische- und zivile Sprengstoffe als auch selbst hergestellte Sprengstoffe (Selbstlaborate) verwendet. Beispiele sind das Gemisch aus Puderzucker und einem chlorathaltigen Unkrautvernichtungsmittel oder Gemische auf Ammonsalpeterbasis. Das Mischen solcher Sprengstoffe ist sehr gefährlich, da sie dabei unvorhersehbar detonieren können.

Rechtliches

Der Umgang, dazu gehören das Herstellen, Bearbeiten, Verarbeiten, Verwenden, Verbringen, der Transport und das Überlassen innerhalb der Betriebsstätte, das Wiedergewinnen und Vernichten, der Verkehr (Handel) und die Einfuhr werden aufgrund der möglichen Gefährdung im Sprengstoffrecht geregelt.

Sprengstoffarten

Technisch verwendete Sprengstoffe sind in der Regel Stoffgemische aus energetischen chemischen Verbindungen, Bindemitteln, Plastikatoren und anderen Zusatzstoffen. Sie werden in folgende Gruppen eingeteilt:

• Initialsprengstoffe
• Sekundärsprengstoffe
• Booster/Detonator
• Mischsprengstoffe

Nach DIN 20163 werden Sprengstoffe gemäß ihrer Verwendung unterteilt in:

• militärische Sprengstoffe (z. B. TNT)
• gewerbliche Sprengstoffe
  • Wettersprengstoffe (Verwendung unter Tage)
  • Sprengstoffe für sonstige Zwecke
  • Gesteinssprengstoffe
    • Pulversprengstoffe (hierzu zählt nur Schwarzpulver)
    • brisante Gesteinssprengstoffe
      • Gelatinöse Sprengstoffe
      • Pulverförmige Sprengstoffe (außer Schwarzpulver)
      • Emulsionssprengstoffe und Sprengschlämme

Beispiele:

• Schwarzpulver (der älteste bekannte Explosivstoff) wird als Sprengpulver, je nach Verwendung, den Sprengstoffen oder den Schießstoffen bzw. den pyrotechnischen Sätzen zugeordnet.
• Gelatinöse Sprengstoffe bestehen aus Sprengölen wie Glycerintrinitrat, Ethylenglykoldinitrat oder Diethylenglykoldinitrat bzw. deren Gemischen die zur Verringerung der Schlagempfindlichkeit mit 6 bis 8 % Cellulosenitrat oder Kollodiumwolle gelatiniert sind.
• ANC-Sprengstoffe bestehen im einfachsten Fall aus 94,5 % Ammonsalpeter und 5,5 % Heizöl.
• Die Pikrinsäure ist einer der am längsten bekannten brisanten Sprengstoffe, wurde später aber weitgehend durch das TNT ersetzt. Moderne Sprengstoffe enthalten oft noch das brisantere Hexogen, Ethylendinitramin oder Nitropenta.

Grundsubstanzen für Sprengstoffe von praktischer Bedeutung

• Trinitrotoluol (TNT, Fp.02)
• Trinitrophenol (Pikrinsäure, Granatfüllung 88)
• Glycerintrinitrat (Nitroglycerin)
• Nitropenta(PETN, Pentrit, Pentaerythrittetranitrat)
• Cellulosenitrat
• Oktogen (HMX)

Grundsubstanzen für Sprengstoffe von geringerer Bedeutung

• Trinitrobenzol (TNB)
• Trinitroanisol
• Nitromethan

Grundsubstanzen für Ersatzsprengstoffe

• Ammoniumnitrat
• Acetonperoxid (APEX)

Sauerstoffträger für Mischsprengstoffe

• Kaliumnitrat (Kalisalpeter)
• Natriumnitrat (Natronsalpeter)
• Calciumnitrat (Kalksalpeter)
• Kalkammonsalpeter (Mischung aus Kalk und Ammonsalpeter)
• Kaliumchlorat
• Natriumchlorat
• Kaliumperchlorat
• Ammoniumperchlorat
• Distickstofftetroxid (in Panclastit)
• Wasserstoffperoxid

Grundsubstanzen im experimentellen Stadium

• Diaminodinitroethylen (DADE oder FOX-7)
• Trinitroazetidin(TNAZ)
• Octanitrocuban
• poröses Silicium: ein 2001 durch Zufall an der TU München entdeckter Sprengstoff mit extrem schneller und heftiger Reaktion.

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 10.02. 2024