Експлозиви за граѓански апликации - Спектар на наука
Експлозиви за граѓански апликации
Експлозивите се концентрирана енергија во материјална форма. Со соодветен пристап, може да се ослободи на таргетиран начин со цел да се заврши работа што во спротивно би била крајно макотрпна и целосно неекономична. Додека римскиот император Нерон (37-68 г. н.е.) не успеал да го изгради Коринтскиот канал дури и со илјадници робови, динамитот и експлозивниот желатин овозможиле да се спроведе проектот во рок од две години - од 1891 до 1893 година. За поставување на Панамскиот канал во годините 1879-1890 и 1903-1914 биле потребни 30 000 тони динамит. И без овој експлозив, тунелите Сент Готхард и Тауерн тешко може да бидат завршени за неколку години со тогашната технологија (од 1872 до 1882 и од 1901 до 1907, соодветно).
Освен за вакви градежни проекти, експлозивите се користат за извлекување на суровини, бидејќи чисто механичко вадење руди, минерали или јаглен би било многу поскапо (слика 1). Важна апликација е рушење на згради и технички системи; Дури и ризомите можат да се исчистат и да се олабави почвата со експлозии.
Секоја мешавина од запаливи и супстанции што снабдуваат кислород може да ослободи енергија по соодветна стимулација; хемичарот зборува за редукција-оксидација или кратко реакција на редокс. Ако конверзијата е побрза од брзината на звукот во предметната супстанција, тоа се нарекува детонација. Меѓу другото, големината на реактивниот интерфејс помеѓу компонентите е одлучувачка за ова: Парче дрво во огништето гори полека и го зголемува чувството на благосостојба, додека истата количина дрва, земјата до ситна прашина и ставена во пламенот, би предизвикала експлозија на огништето.
Кога се активираат, експлозивите се распаѓаат во гасовити супстанции - идеално јаглерод диоксид, вода и елементарен азот како производи за согорување на органски супстанции, но исто така и азотни оксиди, јаглерод моноксид и други нецелосно оксидирани производи. Покрај тоа, се создаваат високо реактивни честички како радикали, јони и електрони, кои се забрзуваат во нереагиран материјал и таму стимулираат понатамошна конверзија. По одредено растојание за возење, се собира ударен бран со исклучително висок притисок и температурни вредности; Во зависност од експлозивот и условите на затворање, ова растојание е долго од дел од милиметар до многу сантиметри.
Процесот останува стабилен сè додека има доволно енергија во зоната за детонација. Но, ако енергијата се дистрибуира премногу широко, реакцијата повторно доаѓа до застој. Она што е важно е односот на волуменот што произведува енергија до површината што зрачи со енергија; Бидејќи станува неповолно кон мали дијаметри, постои критичен дијаметар за секој експлозив, над кој само експлодира.
Воените апликации бараат брзина на активирање до 9000 метри во секунда; за цивилни цели, таквите високи вредности не се потребни, па дури и непожелни. Со цел ударниот бран да се шири што е можно повеќе непроменет во материјалот што треба да се разнесе, отпорноста на бранот на експлозивот и материјалот - т.е. производите на густината и ударниот бран или брзината на звукот - мора да бидат добро координирани. Брзините на детонација околу 2000 до 4000 метри во секунда се најпогодни за повеќето апликации. Особено е важно да се развие голем волумен на гас, така што растворените маси ќе се истуркаат.
Експлозивен динамит од карпа
Нитроглицерин, откритие на италијанскиот хемичар Асканио Собреро (1812 до 1888 година) во 1847 година има голема експлозивна моќ, но е непредвидливо чувствителен на вибрации и удари, така што самиот пронаоѓач наскоро се откажа од обидите да го користи како експлозив. Исто така, беше особено вознемирувачко што нитроглицеринот, за разлика од црниот прав, кој се користи во Европа уште од 13 век - според денешното разбирање, е мешавина од калиум нитрат, јаглен во прав и сулфур во сооднос на маса од околу 75:15:10 часот - лесно преку отворен пламен активиран.
Години подоцна, семејството Нобел започна со експерименти со нитроглицерин. Развојот на активирач на барут од страна на Алфред Нобел (1833 до 1896 година) го промовирал ширењето на новиот експлозив, но опасната супстанција повеќепати тврдела смрт при производство, транспорт или употреба. Во 1866 година, Алфред Нобел го најде решението за проблемот во делата на Крумел во близина на Хамбург: се покажа дека идеалниот адсорбент е диатомејска земја (кизелгур), која не реагира со мрсна течност нитроглицерин. Со 75 делови од експлозив и 25 делови од кизелгур, се појави цврст материјал кој, преработен во цилиндрични тела и завиткан во хартиени ракави, требаше да се дозира во дупките за дупчење, додека нитроглицеринот беше едноставно истурен во нив. И покрај високата содржина на инертна супстанција, се покажа дека новиот материјал е пет пати по експлозивен од црниот прав и значително побезбеден за ракување отколку само нитроглицеринот. Гурдинамитот (од грчки динамис за моќ) стана огромен економски успех.
Сепак, материјалот растворен во вода и неговата експлозивна моќност беа за една четвртина помалку од оној на чистиот нитроглицерин. Во 1875 година, Алфред Нобел го раствори маслото за минирање во пиштол памук (нитроцелулоза), многу запалива супстанца слична на памучна волна што професорот по хемија во Базел, Кристијан Фридрих Шонбејн (1799-1868) за првпат ја произведе во 1846 година, третирајќи памук со азотна и сулфурна киселина. Тој доби желатинозна супстанција која е водоотпорна, помалку чувствителна на механички стрес и, како резултат на повисоката содржина на нитроглицерин, е значително поенергична од гурдинамитот: детонирачки желатин.
Сепак, толку голема густина на енергија не беше ни потребна во пракса. Може да се намали нешто со додавање на чилес нитрат во желатин и запаливи органски материјали, како што се струготини или јагленовата прашина. Во исто време, ова ја стабилизира целата мешавина од удари и вибрации. По кратко време, чиленскиот нитрат беше заменет со амониум нитрат, кој се распаѓа целосно во гасовити производи и го зголемува експлозивниот ефект како резултат на дополнителниот притисок на гасот. Експлозивите од цивилен желатинозен амониум нитрат сè уште се произведуваат според овој принцип и се прилагодени само на барањата на современата технологија на минирање со употреба на адитиви.
Карпести експлозиви без нитроглицерин
Бидејќи безбедното производство на нитроглицерин е многу сложено, наскоро се бараа алтернативи. Особено, од осумдесеттите години на минатиот век е познато дека оксидирачкиот агенс амониум нитрат е способен самостојно да се активира при високи енергии на возбуда. Мешавината со запаливи материи како дизел масло (амониум нитрат плус мазут, ANFO) е полесно да се направи за да се реагира. Додека компонентите првично се мешаа во сооднос на тежина од 1: 1 - ова одговараше на вреќа со амониум нитрат и конзерва дизел гориво - а експлозивите можеа да активираат само во големи дупнатини со дијаметар од 200 и повеќе милиметри со зголемување на полнењата на почувствителните експлозиви, со текот на годините Запаливоста значително се подобри со непроменета мала механичка чувствителност.
Гранулат од амониум нитрат со порозност што може да се контролира со процесот на производство - во форма на таканаречени дупчиња - подобро го апсорбира минералното масло и има поголем интерфејс помеѓу реактантите. Казните произведени со абразија за време на производството, исто така, ја подобруваат запаливоста до одредена количина. Сепак, на крајот го попречува протокот на експлозивот, кој се пренесува во дупнатини со завртки или пневматски. Иако ANFO не ја постигнува експлозивната моќ на производи што содржат нитроглицерин, тој е најевтиниот масовен експлозив досега и затоа сочинува околу 80 проценти од пазарот на експлозиви ширум светот.
Како и да е, експлозивите брзо се раствораат во дупнатини што содржат вода. Ако нивото на водата не е премногу високо, раствор или паста за сол се создава само на дното, додека експлозивите во горната област сè уште можат да се користат. Во овој случај, станицата за полнење може да се запали со доволно силно засилувачко полнење.
Принципот беше систематски рафиниран. Молекуларни експлозиви како што се тринитотолуен (ТНТ) или хексоген се додаваат во пулпата (т.е. чувствителни, експлозивни материи без дополнителни компоненти). Шеќер, минерално масло, прашина од јаглен и - што е најважно - алуминиумски прав се додаваат како компоненти што се оксидираат. Неговата голема топлина на согорување ги загрева гасовите произведени за време на детонацијата и со тоа се обезбедува висок притисок на гасот. За да не се одделат компонентите, се користат агенси за оток, како што се агар-агар, скроб, брашно од гуар или полиакриламид, чии макромолекули ги вметнуваат течните компоненти и можат да бидат меѓусебно поврзани со соли од антимон (V) или хром (VI).
Во зависност од составот, се создаваат експлозиви што течат како тиња, таканаречени кашеста маса - или гелови од цврста вода што можат да се полнат во касети. Запаливоста на материјалот исто така може да варира во широки граници. Водата е инертна на горивните и оксидирачките агенси и затоа ги стабилизира кашестите материи од удари и триење. Сепак, на почетокот на развојот требаше да се научи дека алуминиумот кој не бил претходно третиран против корозија е нападнат од солениот раствор и дека неговото распаѓање може дури и да се разгори до детонација.
Емулзивни експлозиви
Реактивната површина на амониум нитрат може драстично да се зголеми со растворање на солта во вода. Водата повторно делува како инертен агенс. Со цел да се задржи неговиот дел што е можно понизок, се користи фактот дека неговата моќ на растворање се зголемува нагло со температурата: на околу 80 степени Целзиусови може да апсорбира многу пати повеќе сол отколку собна температура. Концентрираниот раствор е - сè уште во топлина - емулгиран во минерално масло; ова резултира со голем интерфејс. Оваа термодинамички нестабилна состојба може да се стабилизира со соодветни емулгатори. Големината на капките на оваа емулзија вода во масло може да биде помала од десет микрометри (илјадити дел од милиметар). Ако ви требаат цврсти експлозиви, додавате соодветни восоци за да го поставите вискозитетот колку што сакате. Типичната содржина на вода во готовиот експлозив е околу 10 до 20 проценти.
Емулзијата не е способна за детонација сама по себе, туку станува активна само со додавање на сензибилизатори. Сепак, овие не мора да бидат експлозиви или слично; нереактивните состојки служат и на целта. На пример, емулзија со голема количина гасни меури е многу способна за детонација. Ударниот бран ги компресира меурчињата толку брзо што не може да се случи размена на топлина, и со тоа екстремно ги загрева (види Spektrum der Wissenschaft, април 1995 година, страница 50). Реакцијата на амониум нитрат со гориво секогаш може повторно да се запали на овие жаришта. Овој механизам исто така ја подобрува детонацијата на експлозивите што содржат нитроглицерин. Гасните меури може да се генерираат хемиски - особено со конвертирање на натриум нитрит со уреа или тиуреа за да се формира азот. За да не се шират премногу брзо низ експлозивот, восоците му даваат многу цврста конзистентност.
Можете исто така да користите шупливи микросфери направени од стакло или пластика, бидејќи тие често се користат за намалување на тежината на обликуваните делови. Горат и пластични сфери, а брзината на детонација е значително поголема од онаа направена од стакло. Сепак, експлозивите со емулзија со шупливи микросфери складираат помалку енергија од експлозивите со желатинозен амониум нитрат, што може да биде проблематично под тешки услови, како на пример во цврста карпа и со голема напнатост.
Составот на експлозивите од емулзија може да се менува во широки граници. Спектарот се движи од проточни материи за големи дијаметри на дупнатини (Слика 3), кои треба да се запалат со засилувач, до цврсти материи за мали касети. Исто така, беше можно да се направат лепливите материјали толку суви со додавање силиконски масла што можат да се полнат во хартиени ракави со машините за кертриџи развиени за желатински експлозиви.
Експлозиви за подземно рударство
„Времето за тепање“, експлозии на мешавини на метан и воздух, кои ја разбрануваат прашината од јаглен насекаде во експлоатацијата на јаглен, а потоа го активираат, веќе ги чинеше животот многу рудари. Главната причина зошто тие се толку опасни е што нивните ударни бранови не се шират во сите правци и умираат, туку можат да се шират низ тунелскиот систем со километри. Покрај тоа, јаглеродот не гори целосно и се произведува високо токсичен јаглерод моноксид - повеќе рудари честопати се жртви на мински несреќи отколку бранот притисок.
Мешано-воздушните мешавини може да се запалат со мали количини на енергија во широки граници на концентрација - почнувајќи со пропорции од околу 5 до 15 проценти метан. Се разбира, една детонација е секогаш доволна. Дотолку повеќе е зачудувачки што беше можно да се развијат специјални експлозиви што можат да се користат и покрај опасноста од запалена оган.
Се употребува фактот дека времето со палење и експлозија на мешавини од метан-воздух, во кое реактивните радикали и јони ја продолжуваат реакцијата, се зголемува со намалена температура. Релативно голема количина сол, на пример трпезарија, се додава во фина форма во мешавината на нитроглицерин, амониум нитрат и гориво. Неговата релативно висока специфична топлина извлекува енергија од врелиот перо, така што крајната температура на експлозивните гасови паѓа и евентуално повеќе не е доволна за да се запали мешавината метан-воздух. Уште поважен е ефектот на овие фини, цврсти честички на солта како анти-катализатори, кои ги пресретнуваат реактивните честички на нивната површина, така што согорувањето не се спроведува и експлозијата не може да се собере. Содржината на сол исто така ја намалува вкупната енергија на експлозивот, а со тоа и максималниот притисок во ударниот бран.
Временските експлозиви со обратни солени парови се особено безбедни: Наместо експлозивен амониум нитрат и, на пример, натриум хлорид, овие содржат безопасни соли амониум хлорид и натриум нитрат. Ако детонира нитроглицерин, кој е присутен само во мали пропорции, неговата енергија останува концентрирана во дупчотината и може да започне распаѓање на двете супстанции таму, со амониум нитрат и натриум хлорид повторно да се формираат за кратко време, кои потоа продолжуваат да реагираат на познат начин. Ако станицата за полнење не се активира во дупнатината, туку отворено е во контакт со мешавината метан-воздух, на пример затоа што соседното полнење веќе ја раскинало карпата, инертната мешавина од инверзната сол сол се фрла само, а енергијата на нитроглицеринот во голема мера се троши и на тој начин се избегна експлозија на запален оган. Врз основа на овој принцип, најбезбедните метеоролошки експлозиви во светот се произведуваат во Германија.
Современата технологија на минирање би била незамислива без безбедни и сигурни детонатори (слика 2). Во сите методи на минирање, полнежите не се запалат истовремено, но со мало задоцнување, така што, на пример, wallидот на пробив се отвора како патент (слика 1). Поради помалата ослободена енергија по временски чекор, експлозивните вибрации исто така може да се минимизираат. Нашата компанија неодамна ги надополни детонаторите за време со пиротехнички комплети за одложување со оние со единица за електронско одложување. Неелектрични системи се исто така достапни. Големата точност на електронските детонатори и можноста за избор на доцнење помеѓу одделните временски нивоа во широк опсег овозможуваат системот за минирање да се прилагоди на материјалот што треба да се минира.