sprængstoffer

Et højeksplosivt stof er kendetegnet ved, at den kemiske reaktion udbreder sig i stoffet med en hastighed (detonationshastigheden), der er langt højere end lydens hastighed. Energifrigivelsen sker således meget hurtigt, i løbet af få milliontedele af et sekund. Det resulterende tryk (detonationstrykket) bliver derfor meget højt og kan nå en værdi på flere hundredtusinde atm. Højeksplosive stoffer har stor sprængkraft og benyttes som ladninger i bomber, granater, sprænghoveder og andet militært materiel samt i sprængladninger til brug i bygningsarbejde og minedrift. Et stofs sprængkraft, undertiden kaldet brisans, kan undersøges eksperimentelt ved den såkaldte blyblokmetode, ved hvilken en mindre mængde af stoffet bringes til at eksplodere i et aksialt hul i en blycylinder, hvorefter hullets rumfangsforøgelse udmåles. Sprængkraften er især afhængig af detonationshastigheden, men også af stoffets massefylde og energiindhold.

I et laveksplosivt stof (drivmiddel, skydemiddel) udbredes den kemiske reaktion med en hastighed, der er lavere end lydens hastighed, og eksplosionen har karakter af en hurtig forbrænding, en såkaldt deflagration. Sådanne stoffer benyttes til fremdrivning af projektiler, raketter og missiler, idet detonationstrykket, der maksimalt kan nå en værdi af nogle tusinde atm, er tilstrækkelig højt til at bibringe et projektil en ønsket hastighed. Samtidig er det ikke så højt, at der er væsentlig risiko for sprængning af gevær- eller kanonløb.

En særlig vigtig egenskab ved et sprængstof er den lethed, hvormed det bringes til at eksplodere, dvs. dets følsomhed (sensibilitet) over for slag, gnidning, elektricitet eller varme. Af hensyn til sikkerhed ved fremstilling, transport, opmagasinering og anvendelse er lav følsomhed ønskelig, således at der ikke er væsentlig risiko for utilsigtet eksplosion. Sprængstoffer, der benyttes som drivmidler eller indgår som hovedladning i civile og militære sprængladninger, har alle relativt lav følsomhed. Eksplosion af sådanne stoffer (lavfølsomme eller sekundære sprængstoffer) må derfor initieres ved foreksplosion af en lille mængde af et stof af høj følsomhed (initialsprængstof eller primært sprængstof). Andre væsentlige egenskaber er sprængstoffernes fysiske og kemiske stabilitet under opmagasinering og deres modstandsdygtighed over for kulde, varme og fugtighed. Endelig er fremstillingsprisen af stor betydning, ikke mindst i bygningsarbejde og minedrift, hvor der verden over årlig forbruges flere mio. t sprængstof.

I kemisk henseende er sprængstoffer ustabile stoffer, der kan undergå en exoterm sønderdeling (dekomposition), som tilfældet er for fx nitroglycerin og trinitrotoluen (TNT). Det kan også være ustabile stofblandinger, hvis bestanddele kan reagere exotermt, hvilket gælder fx sortkrudt.

Det er et relativt lille antal kemiske forbindelser, der udgør hovedgrundlaget for sprængstofindustriens virksomhed, men i blanding indbyrdes og med andre bestanddele indgår de i fremstilling af et meget stort antal forskellige sprængstoffer med egenskaber tilpasset vidt forskellige formål. De helt dominerende aktive stoffer hidrører fra fire kategorier af kemiske forbindelser, der alle er kendetegnet ved at indeholde nitrogrupper (-NO₂): 1) salte af salpetersyre, især ammoniumnitrat; 2) estere af salpetersyre, især nitroglycerin, nitroglykol og cellulosenitrat; 3) aromatiske nitroforbindelser, især trinitrotoluen (TNT, trotyl) samt 4) nitraminer, især cyclotrimethylentrinitramin (RDX, hexogen) og cyclotetramethylentetranitramin (HMX, oktogen). Uden for de fire kategorier er klorater og perklorater af betydning (især som iltningsmiddel i raketdrivmidler) tillige med de særlige stoffer, der benyttes som initialsprængstoffer, fx blyazid.

Indtil midten af 1800-t. fandtes kun én form for sprængstof, nemlig sortkrudt, en blanding af ca. 75 % kaliumnitrat (kalisalpeter), 10-15 % trækul og 10-15 % svovl, se krudt. Sortkrudt er af lav brisans og derfor velegnet dels som drivmiddel i skydevåben, dels som sprængstof til anvendelser, hvor der ikke ønskes særlig høj sprængkraft. Det kan være i stenbrud og kulminer, hvor vidtgående knusning af det løsnede materiale er uønsket. Bl.a. på grund af den kraftige røgudvikling, som skyldes, at ca. halvdelen af omdannelsesprodukterne er kaliumsalte på fast form, er sortkrudt som skydemiddel blevet erstattet af røgsvage, cellulosenitratbaserede produkter. I underjordisk kulminedrift er sortkrudt pga. den væsentlige risiko for antændelse og eksplosion af grubegas og kulstøv blevet erstattet af mere sikre ammoniumnitratbaserede produkter.

På ét felt er sortkrudt fortsat det foretrukne materiale, nemlig til fremstilling af langsomt brændende sikkerhedslunter. Disse blev opfundet i 1831 og anvendes for at opnå, at en eksplosion forsinkes en vis tid i forhold til tidspunktet for luntens antændelse. De består af en kerne af sortkrudt omviklet med tekstil og imprægneret med asfalt. Sammenlignet med tidligere er forbruget af sortkrudt dog faldet til et meget lavt niveau.

Moderne drivmidler, også kaldet røgsvagt krudt, til fremdrivning af projektiler i håndskydevåben og artilleri er baseret på cellulosenitrat af varierende nitreringsgrad (kollodium med ca. 12% nitrogen og/eller skydebomuld med over 13% nitrogen). Heri kan evt. blandes nitroglycerin (nitroglycerinkrudt, opfundet af A. Nobel i 1889) og tilsættes stabilisatorer, fx diphenylamin, der kan forebygge en accelererende kemisk nedbrydning af cellulosenitrat som følge af frigivelse af nitrogenoxid. Cellulosenitrat og blandinger heraf med nitroglycerin danner faste geler, som i fremstillingsprocessen bliver blødgjort ved tilsætning af ether eller ethanol. Materialet formgives ved ekstrudering, fx som cylindre perforeret på langs, og det tørres. Produkterne har væsentlige fordele frem for sortkrudt, ikke blot svag røgudvikling (omdannelsesprodukterne er på gasform og derfor usynlige), men også højere modstandsdygtighed over for fugtighed og bedre mulighed for fremstilling af produkter af høj ensartethed og med reproducerbare ballistiske egenskaber.

En særlig kategori af drivmidler er de brændsler, som bruges til fremdrivning af raketter, idet de udnytter den kemisk bundne energi i drivstoffet ved at lade brændstof (reduktionsmiddel) reagere med et medbragt oxidationsmiddel.

Anvendelse af sprængstoffer er af stor betydning i minedrift og ved anlæggelse af veje og jernbaner. Oprindelig blev sortkrudt benyttet, men efter A. Nobels opdagelse af dynamit i 1867 var markedet helt frem til 1950 domineret af produkter baseret på nitroglycerin, nitroglykol og cellulosenitrat, først gurdynamit (nitroglycerin absorberet i kiselgur) og senere de plastiske sprængstoffer sprænggelatine og geldynamit (nitroglycerin eller nitroglykol gelatineret med cellulosenitrat). Disse produkter har større sprængkraft end sortkrudt, og ved variation af blandingsforhold og tilsætning af andre bestanddele kan deres egenskaber tilpasses bestemte formål. Således kan sprængkraft og følsomhed reduceres ved tilsætning af større mængder inerte bestanddele, fx kogsalt.

Efter 2. Verdenskrig er dynamitprodukterne i meget stor udstrækning blevet erstattet af produkter baseret på ammoniumnitrat, især ANFO (Ammonium Nitrate Fuel Oil), normalt bestående af 94 % pelleteret ammoniumnitrat og 6 % brændselsolie. Disse er væsentlig billigere end dynamit, og de kan fremstilles med så lav følsomhed, at de uden særlige sikkerhedsforanstaltninger kan transporteres ad vej og jernbane. Hos storforbrugere, fx ved minedrift, kan produkterne fremstilles på stedet ved blanding af bestanddelene. En væsentlig ulempe ved ANFO er manglende modstandsdygtighed over for vand, og til brug i fugtige eller våde miljøer er der blevet udviklet en række vandbaserede plastiske sprængstoffer. Disse indeholder som regel ammoniumnitrat, aluminium og TNT, opløst og opslæmmet i vand og gelatineret ved tilsætning af carboxymethylcellulose eller andre fortykningsmidler.

Til militære formål stilles krav om bl.a. stor sprængkraft, god lagringsstabilitet og, ikke mindst, lav følsomhed og dermed lav risiko for eksplosion i utide: Granater skal ikke eksplodere under affyring, tidsindstillede bomber skal ikke eksplodere ved nedslag, og ammunitionsmagasiner skal ikke eksplodere, fordi de rammes af vildfarne projektiler. TNT besidder disse egenskaber, og forbruget af TNT har i mange år langt oversteget forbruget af andre militære sprængstoffer. Tidligere var også andre aromatiske nitroforbindelser af stor betydning, især picrinsyre, som dog nu er helt forladt pga. dets ustabilitet. Følsomheden af TNT er så lav, at antændelse undertiden må ske ved eksplosion af en forladning af et mere følsomt sprængstof, fx tetryl (tetranitromethylanilin). Temperaturintervallet mellem smeltetemperatur og dekompositionstemperatur er så stort, at TNT kan udstøbes i granater mv. ved påfyldning fra smeltet tilstand. Dette forhold muliggør en vidtgående automatisering ved ammunitionsfremstilling.

I dag anvendes TNT for det meste i blanding med andre stoffer. Det kan gøres for at opnå et billigere produkt, fx Amatol, en blanding af TNT og ammoniumnitrat. Oftest iblandes andre stoffer dog for at opnå forbedret funktion, hvilket især gøres ved blanding af TNT med nitraminsprængstoffet RDX, der udvikledes under 2. Verdenskrig. Herved opnås produktet Composition B (60 % TNT, 40 % RDX), det i dag mest udbredte sprængstof til militær brug. Andre væsentlige produkter er Cyclotol (40 % TNT, 60 % RDX) og Torpex (støbt blanding af TNT, RDX og aluminium, et særlig kraftigt sprængstof til brug i torpedosprænghoveder).

RDX er hovedbestanddel i moderne plastiske sprængstoffer med stor sprængkraft, således C-4, der består af 91 % RDX blødgjort med olie, voks o.a., og det beslægtede Semtex, berygtet for anvendelse i terroristaktioner verden over, bl.a. mod Pan Am-jumboflyet, der i 1988 styrtede ned ved Lockerbie i Skotland. Et andet væsentligt nitraminsprængstof er HMX, udviklet efter 2. Verdenskrig. Det har større sprængkraft end RDX, men fremstillingsprisen er flere gange højere.

En særlig krævende anvendelse af sprængstoffer er i kernevåben, hvor det fissile materiale (uran eller plutonium) bliver komprimeret ved eksplosion af en omgivende skal af et eller flere kemiske sprængstoffer. Udviklingen af effektive og kompakte kernevåben har bl.a. været betinget af udvikling af særlig kraftige sprængstoffer som de HMX-baserede produkter LX-04 og PBX-9404 med detonationshastighed over 8500 m/s og detonationstryk over 350.000 atm. Udviklingen af militære sprængstoffer må antages at bevæge sig i retning af stoffer, som kan påregnes at have endnu større sprængkraft såsom nitrerede derivater af cuban og tetrazin.

Sprængstofindustrien er en del af den kemiske industri, og den er baseret på brug af operationer og processer, der også anvendes i andre grene af industrien. Af central betydning er nitreringsprocesser til fremstilling af salpetersyreestere og organiske nitroforbindelser, fx nitrering af bomuld eller træcellulose til cellulosenitrat, nitrering af glycerol til nitroglycerin og nitrering af toluen til TNT. Ligeledes er de derpå følgende processer til blanding og dannelse af de færdige produkter af stor betydning.

Sprængstoffremstilling er forbundet med betydelige risici, og alvorlige eksplosionsulykker forekom tidligere med ganske stor hyppighed. Industrien er i dag underkastet en vidtgående kontrol med henblik på forebyggelse af ulykker. Sprængstoffremstilling har til tider været særdeles profitabel og har dermed kunnet danne grundlag for store formuer, fx for A. Nobel i Sverige og for familien du Pont i USA.