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Die Pulverwaffen
1.Das Schwarzpulver
1.1 Einleitung
1.2 Herstellung und Sorten
1.3 Die Chemische Reaktion
1.4 Die Nachteile
2. Rauchschwache Pulver
2.1 Einleitung
2.2 Entwicklung und Geschichte
2.3 Nitrocellulose
2.4 NC-Pulver / Klassen und Zusammensetzung
Schwarzpulver ist ein mechanisches Gemenge aus 10 % Schwefel, 15% Holzkohle und 75% Salpeter (Kaliumnitrat).
Schwarzpulver war der erste Explosivstoff der Geschichte, der in der Form von Sprengpulver für Explosivkörper, als Schiesspulver für Treibladungen von Schusswaffen, und als Korn oder Mehlpulver für den Antrieb von Raketen verwendet wurde. Als Sprengpulver wird es noch Heute als Sprengmittel, und als Korn oder Mehlpulver hauptsächlich in der Pyrotechnik (Feuerwerk) verwendet.
1.2 Die Herstellung
Die drei Chemischen Hauptbestandteile müssen in feuchtem Zustand fein zermahlen und gleichmässig vermischt werden. Diese Prozedur dauert je nach Qualität der Ausgangsstoffe und des Endproduktes mehrere Stunden (vier bis zwanzig) und findet meistens in einer Pulvermühle (Läufer) statt.
Danach wird das Gemisch in Kuchenform gepresst und getrocknet. Anschliessend werden die Kuchen wieder zerstossen und entweder gekörnt, oder als Mehlpulver belassen.
Beim Körnen wird das Pulver erneut angefeuchtet und, wieder in Bewegung, zu Kügelchen geformt. Damit wird ein Entmischen der Bestandteile verhindert. Über die Grösse der Kügelchen kann die Abbrandgeschwindigkeit in gewissen Grenzen reguliert werden.
Zum Schluss wird das fertige Pulver getrocknet, unter Zugabe von geringen Mengen Graphit (der sich über der Oberfläche der Pulverkörner verteilt) mattpoliert und damit auch (bis zu einem gewissen Grad) gegen Feuchtigkeit geschützt. Das fertige Pulver kann nun abgefüllt bzw. verpackt werden. Es hält sich luftdicht verpackt über Jahrhunderte völlig unverändert.
1.3 Die Chemische Reaktion
16C + 4S + 10KNO3 → 15CO + K2SO3 + 5N2
Diese Reaktionsgleichung (sehr vereinfacht) ist angenähert an Schwarzpulver mit 15 % Holzkohle-, 10 % Schwefel- und 75 % Kalisalpeteranteil. Nicht berücksichtigt wurde dabei die Restfeuchtigkeit sowie der Sauerstoff-, Wasserstoff- und Ascheanteil in der Holzkohle. Der Salpeter dient hierbei als Sauerstofflieferant, das Kohlepulver als Brennstoff und der Schwefel als Brennstoff und Sensibilisierer damit die Schwarzpulvermischung bei dem geringsten Kontakt mit Funken zu brennen beginnt.Die Schwarzpulvermischung verbrennt rasend schnell, überschreitet hierbei jedoch die innerstoffliche Schallgeschwindigkeit nur unwesentlich, weswegen statt von einer Detonation (Zerfall auf Molekularer Basis) wie bei modernen Sprengstoffen, nur von einer Deflagration oder auch Explosion (hochrasanter Abbrand) gesprochen wird. Bei der Verbrennung entsteht kurzzeitig eine Temperatur von ungefähr 2000 bis 2400 °C. Schwarzpulver deflagriert mit einer Abbrandgeschwindigkeit von 300 bis 500 m/s und entwickelt dabei einen maximalen Druck von ca. 700 Bar. Dabei spielen die Restfeuchtigkeit, die Gründlichkeit der Mahlung und Vermischung der Bestandteile, die Größe und Dichte der Ladung sowie die Körnung eine entscheidende Rolle.
Während bei Handwaffen feinkörniges Pulver verwendet wird, um überhaupt eine akzeptable Schussleistung zu erreichen, muss bei großkalibrigen Geschützen entsprechend grobkörniges Pulver verwendet werden, um den Enddruck zu begrenzen und damit Rohrsprengungen zu vermeiden. Allgemein gilt, je grösser die Feuerwaffe, desto gröber die Körnung. Bei Feuerwerkskörpern wird eine Verdämmung aus Karton, Papier, Kunststoff oder ähnlichen Materialien verwendet.
Schwarzpulver ist an und für sich wenig schlagempfindlich, jedoch kann es sich durch Reibung sehr rasch entzünden, da hierbei die zur Reaktion der Bestandteile miteinander benötigte Aktivierungsenergie in Form von Reibungswärme leicht erreicht werden kann. Statische Elektrizität (Funkenschlag) kann es nur äußerst schwer entzünden, da die enthaltene Holzkohle und der Graphit auf der Oberfläche der Körner gute Leiter sind und der Strom dadurch abfließen kann. Die Zündtemperatur liegt, je nach Pulversorte und Qualität, sehr niedrig (ca. 240 bis 300 °C). Schwarzpulver ist Massenexplosiv. Das heisst, ab einer Menge von ca. einem Kilogramm ist keine Verdämmung mehr erforderlich, damit das Pulver nicht mehr nur kontrolliert abbrennt, sondern in jedem Fall explodiert.
1.4 Die Nachteile
Die Nachteile von Schwarzpulver waren, die nach heutigen Masstäben, niedrige Leistung und ein durch die brennbaren Gase bedingtes, starkes Mündungsfeuer (Blitz). Ausserdem ergaben sich durch die großen Mengen fester Kaliumsalze eine starke Rauchentwicklung und eine verhältnissmässig grosse Menge von Rückständen beim Abbrand. So liefert ein Kilogramm Schwarzpulver bei der Verbrennung etwa 560 Gramm Salzgemisch, hauptsächlich Kaliumsulfit und Kaliumcarbonat. Diese Rückstände verschmutzten schon nach relativ kurzer Zeit die Waffen dermassen, dass eine Reinigung unumgänglich wurde um eine weitere störungsfreie Funktion zu gewährleisten. Des Weiteren waren diese Salze auch hygroskopisch, dass heisst, sie zogen die Feuchtigkeit aus der Luft an. Auf diese Weise hatten sie bei nicht regelmässig und gründlich ausgeführter Reinigung eine stark korrosive Wirkung (Rost) auf die Metallteile der Waffen (vor allem die Läufe).
Für die Verwendung in großkalibrigen Geschützen war Schwarzpulver nur begrenzt geeignet, weil es zu offensiv war. Die Treibladungen waren bereits abgebrannt, ehe die Geschosse das Rohrende erreicht hatten, und verursachten so eine stark ansteigende Druckkurve. Diese führte beispielsweise, bei den sich in Gefechten stark erhitzenden Geschützen, oftmals zum Explosiven zerreissen der Kanonenrohre (die gefürchteten Rohrkrepierer, Bild rechts). Versuche, die Abbrandgeschwindigkeit zunächst durch gröbere Körnung des Schwarzpulvers, danach durch höhere Verdichtung der Rohpulvermasse zu verringern, zeigten nur begrenzte Erfolge. Aus diesen Gründen wurde das Schwarzpulver gegen Ende des 19. Jahrhunderts durch rauchschwache Schießpulversorten auf der Basis von Nitrozellulose verdrängt.
2. Rauchschwache Pulver
2.1 Einleitung
2.2 Entwicklung und Geschichte
2.3 Nitrocellulose
2.4 NC-Pulver / Klassen und Zusammensetzung
2.1 Einleitung
Rauchschwache Pulver sind eine Gruppe von Explosivstoffen deren Hauptbestandteil Cellulosenitrat ist; oft auch Nitrocellulose, Schießbaumwolle oder engl. Guncotton genannt. Es wird zwischen einbasigen, zweibasigen und dreibasigen Treibmitteln unterschieden. Paul Vieille entwickelte die erste Treibladung, das rauchlose Pulver B, aus Schießbaumwolle, indem er sie mit einer Mischung aus Alkohol und Äther behandelte. Aber erst Alfred Nobel gelang es ende des 19. Jahrhunderts, ein progressiv abbrennendes Pulver herzustellen. Er ließ die mit Salpeter behandelte Baumwolle mit Nitroglycerin gelieren. Diese Bestandteile bilden heutzutage die Grundlage der meisten modernen rauchlosen Pulversorten und Sprengstoffe.
NC-Pulver sind heute das Standardpulver für Feuerwaffen. Für militärische Zwecke wird ausschließlich rauchloses Pulver eingesetzt, da es neben der geringeren Verschmutzung den Vorteil hat, dass die Position des Schützen nicht durch Rauchschwaden verraten wird. Die in Feuerwaffen eingesetzten Pulver benötigen eine Initialzündung. Dieses wird bei Feuerwaffen vom Zündhütchen übernommen. Das Pulver brennt jedoch nur relativ langsam ab, wenn man es beispielsweise mit dem Feuerzeug anzündet, und entfaltet seine volle Wirkung erst von einer bestimmten Zündtemperatur an.
2.2 Entwicklung und Geschichte
Entwickelt wurden die rauchschwachen Schießpulver am Ende des 19. Jahrhunderts, als das bis dahin hauptsächlich als Treibmittel verwendete Schwarzpulver den Anforderungen moderner Waffen nicht mehr genügte.
Für die Verwendung in großkalibrigen Geschützen war Schwarzpulver wenig geeignet, weil es zu offensiv war: Die Treibladung war bereits abgebrannt, ehe das Geschoss das Rohrende erreicht hatte, und verursachte so eine stark ansteigende Druckkurve. Versuche, die Abbrandgeschwindigkeit zunächst durch gröbere Körnung des Schwarzpulvers, danach durch höhere Verdichtung der Rohpulvermasse zu verringern, zeigten nur begrenzte Erfolge. Weitere Nachteile waren die starke Rauchentwicklung und die starke Verschmutzung der Rohre durch Salze, die bei der Verbrennung von Schwarzpulver entstehen. So liefert ein Kilogramm Schwarzpulver bei der Verbrennung etwa 560 Gramm Salzgemisch, hauptsächlich Kaliumsulfit und Kaliumcarbonat. Die Salzverschmutzung bereitete besonders Probleme bei Gewehren (bei denen die Offensivität des Schwarzpulvers nicht störte) und war hinderlich beim Übergang zu kleineren Kalibern.
Nach wenig erfolgreichen Versuchen auf der Basis von Kaliumpikrat und einem Gemisch von Kaliumchlorat, Blutlaugensalz und Zucker begannen Versuche mit nitrierter Zellulose. Diese entwickelte kaum Rauch und hinterließ keinen Rückstand, war jedoch auch bei Gewehren zu offensiv. Abhilfe für diese unerwünschte Offensivität wurde durch das Gelatinieren mit verschiedenen Lösemitteln und das Phlegmatisieren gefunden. Durch das angewendete Gelatinierungsverfahren, Variation der Zusätze sowie Größe und Form der Pulverteile konnte nun das Abbrandverhalten weitgehend beeinflusst werden, jedoch nahm durch die verwendeten Zusätze die Rauchentwicklung zu und das Pulver verbrannte nicht mehr komplett rückstandsfrei. Das wurde jedoch aufgrund der sonstigen Vorteile in Kauf genommen.
Nitrocellulosepulver wurde von Alfred Nobel entwickelt und von 1887 an als Ballistit vermarktet. In diesem Zusammenhang gab es Patentstreitigkeiten zur Parallelerfindung Kordit. Die rauchschwachen Pulver haben in der Folgezeit das Schwarzpulver als Treibladungsmittel fast völlig verdrängt, da sie gegenüber dem Schwarzpulver den Vorteil haben, den Lauf kaum zu verschmutzen und sicherer in der Handhabung zu sein.
2.3 Nitrocellulose
NC, Nitrocellulose, Cellulosenitrat, Schießbaumwolle, (Nitrated cotton)
NC, der Salpetersäureester der Cellulose, wird durch Behandlung von Baumwolle oder Holzzellstoff mit Nitriersäure (einem Gemisch aus Salpetersäure, Schwefelsäure und Wasser) hergestellt. Dieser Herstellungsvorgang wird Nitration genannt. Dabei werden die Wasserstoffatome der Hydroxylgruppen der Cellulose durch NO2-Gruppen ersetzt. Je nach Mischungsverhältnis der Nitriersäure erhält man das Mononitrat (ca. 7 %N), das Dinitrat (ca. 11% N) oder das Trinitrat (ca. 14% N) bzw. beliebige Mischungen daraus. Die in der Pyrotechnik eingesetzte NC hat einen maximalen zugelassenen Nitrierungsgrad von 12,6% (auch als Collodiumwolle bezeichnet). NC ist in Wasser unlöslich, in Alkohol mäßig und anderen org. Lösungsmittel gut löslich und brennt weitgehend rauchfrei und mit einer intensiven, natriumgelben Flamme ab. NC ist in verschiedenen Formen erhältlich, u.a. als Pulver, Plättchen, Pellets, Pyrowatte, Pyroschnur, Pyropapier und Lösung in Aceton.
NC findet in der Pyrotechnik vor allem Anwendung als rauchfreies Pulver für Ausstoßladungen von Indoor-Pyrotechnik und Bühnenfeuerwerk, z.B. für Tischfeuerwerk, Feuertöpfe und Flammenprojektoren. Darüber hinaus wird NC als Brennstoff bzw. Reduktionsmittel sowie als Bindemittel in pyrotechnischen Sätzen verwendet. Pyroschnur, Pyrowatte und Pyropapier werden u.a. für Zaubertricks und Spezialeffekte, Pyroschnur darüber hinaus für das Verleiten von Lichterbildern im Indoorbereich verwendet.
Trockene NC ist extrem leicht entzündlich. Pyrowatte, Pyroschnur und Pyropapier werden daher zur Lagerung in der Regel mit demineralisiertem Wasser angefeuchtet und erst unmittelbar vor der Verwendung an der Luft getrocknet. Im Handel sind auch mit Weichmachern phlegmatisierte stabile Produkte erhältlich.
NC wird in Pulver- oder Stangenform (zahlreiche verschiedene Formen und Varianten) auch als Treibladungsmittel für Munition (z.B. Pistolen-/Gewehrpatronen, Panzer-/Artilleriegranaten) verwendet und hat Schwarzpulver als Treibladung im militärischen Bereich nahezu vollständig verdrängt.
2.4 Nitrocellulose-Pulver Klassen und Zusammensetzung
Nach der Zusammensetzung werden die NC-Schießpulver in drei Klassen eingeteilt:
Einbasige Schießpulver (Cellulosenitrat-Pulver):
Mischungen von 80 % Schießbaumwolle und 20 % Kollodiumwolle, die mit Alkohol-Ether (Äther)-Gemischen gelatiniert und nach dem Formen und Trocknen mit Weichmachern wie Centraliten, Campher, Dibutylphtalat und ähnlichem phlegmatisiert werden.
Zweibasige Schießpulver:
Mischungen von Glycerintrinitrat (meist Nitroglycerin) und Cellulosenitrat die man mit Aceton/Alkohol gelatiniert, anschließend zu Schnüren formt und dann das Lösemittel entfernt. Ein typisches Beispiel ist das britische Kordit, das der Schnurform seinen Namen verdankt.
Dreibasige Schießpulver:
Mischungen von Diethylenglykoldinitrat oder Triethylenglykoldinitrat und Cellulosenitrat, denen Nitroguanidin als dritte Komponente zugesetzt wird; diese Pulver haben einen niedrigen Energiegehalt bei großem Gasvolumen. Sie schonen durch die niedrigere Verbrennungstemperatur die Rohre und werden besonders bei Feldartillerie (Dauerfeuer) und Flak (hohe Kadenz) verwendet.
Mehrbasige Schießpulver:
Dazu zählen Mischungen ab drei Komponenten; Mischungen mit mehr als drei Komponenten werden selten hergestellt.
Pyroxilinpulver / Nitroglyzerinpulver
Die rauchschwachen (rauchlosen) Pulver teilt man in Pyroxilin- und Nitroglyzerinpulver auf. Die Chemiker nennen sie kolloidale Pulver und unterscheiden zwischenPulver basierend auf flüchtigen Lösungsmitteln, Pulver basierend auf schwer flüchtigen Lösungsmitteln.
Die Pyroxilinpulver werden hauptsächlich in den Patronen der Schusswaffen eingesetzt, die Nitroglyzerinpulver mit der größeren Sprengleistung z.B. in Minen und Geschossen. Das moderne Pyroxilinpulver besteht aus gallertartigem Pyroxilin. Das Pyroxilin wird gewonnen, indem man das Zellgewebe (z.B. Holz, Watte, Lein, Hanf u.ä.) mit dem Gemisch aus Salpeter- und Schwefelsäuren behandelt, Nitroglyzerin nach der Bearbeitung des Glyzerins mit dem Gemisch aus Salpeter- und Schwefelsäuren. Das Nitroglyzerinpulver stellt man aus der Mischung des Pyroxilins und Nitroglyzerins her. Das Pyroxilin gehört zu den Brisanzsprengstoffen, deren Charakteristiken die sehr hohe Abbrandgeschwindigkeit und zerschmetternde Splitterwirkung sind, verursacht durch die sich rasch ausdehnenden heißen Gase. Zur Verringerung der Brisanz und Umwandlung in das Pulver wird Pyroxilin mit Lösungsmitteln behandelt. Das Pyroxilin quillt unter der Einwirkung des Lösungsmittels auf und vermischt sich teilweise mit ihm. Dabei zerfällt seine faserige Struktur bis zu einem gewissen Grad und es verwandelt sich in eine teigartige plastische Masse, die eine beliebige Form annehmen kann. Diese Eigenschaft macht das Pyroxilin besonders wertvoll. Nach dem Entfernen des flüchtigen Lösungsmittels wird die Masse fest.
Als POL-Pulver (Pulver ohne [organische] Lösemittel) werden zwei- oder dreibasige Treibladungspulver für Artillerie oder auch als Raketentreibstoffe bezeichnet. Die Gelatinierung und Homogenisierung erfolgt mit Wasser durch Walzen-, Strangpress- oder Schneckenpress-Prozesse, wobei Diethylenglykoldinitrat oder Glycerintrinitrat als „Lösungs- und Quellmittel“ für Cellulosenitrat fungiert. Dann wird das Wasser bis auf etwa 1 % verdampft und anschließend das Pulver maschinell geformt.
Für die so genannten Tropenpulver wurde in Deutschland wegen der geringeren Flüchtigkeit Triethylenglykoldinitrat statt Diethylenglykoldinitrat verwendet. Glycerintrinitrat war während beider Weltkriege wegen der Knappheit an Fetten und Ölen als Rohstoff nur begrenzt verfügbar.
Zusatzstoffe
Zur Verringerung der Rauchentwicklung und Erhöhung der Lagerstabilität können 0,5 % bis 2 % Diphenylamin zugegeben werden.
Ein Zusatz von 1 % Natriumoxalat oder 2 % Kaliumsulfat verhindert die Entzündung der Rauchgase und somit den Mündungsblitz.
Dinitrotoluol kann als Ersatz für Glycerintrinitrat oder Diethylenglykoldinitrat verwendet werden, ist allerdings bedeutend giftiger. Für denselben Zweck kann auch Ethylenglykoldinitrat verwendet werden, allerdings findet wegen des viel niedrigeren Siedepunktes durch Verdunstung und Rückkondensation eine langsame Entmischung statt. Deswegen ist dieses Pulver nicht lange lagerfähig.
Als Ersatz für Cellulosenitrat können bis zu 50 % Ammoniumnitrat zugegeben werden, allerdings ist das Schießpulver dann feuchtigkeitsempfindlich. Presslinge aus Kohlenstaub und Ammoniumnitrat wurden im 1. und 2. Weltkrieg in Deutschland als Treibmittel für die Artillerie eingesetzt.
Die fertigen Pulver werden graphitiert, um statische Aufladung beim Schütten und somit Funkenbildung zu vermeiden.
Oberflächengestaltung
Nach der Form unterscheidet man Röhrenpulver, Plattenpulver, Streifenpulver, Ringpulver, Nudelpulver und sonstige Formen. Die Form und Größe der Pulverteile wird weitgehend von der Größe und Form der Treibladung sowie dem gewünschten Abbrandprofil bestimmt. In großkalibrigen Kanonen verwendet man meistens Röhrenpulver, in Steilfeuergeschützen Plattenpulver, in Handfeuerwaffen hauptsächlich feinkörnige Pulver. Treibsätze für Raketen werden in Form zylindrischer Presslinge hergestellt, die zusätzlich Bohrungen und Rillen zur Vergrößerung der Abbrandoberfläche erhalten.
Um zu verhindern, dass eine Artillerietreibeladung detoniert statt zu deflagrieren, wird diese nicht direkt von der Initialladung gezündet, sondern über eine Schwarzpulverzwischenladung. Dadurch wird auch die gleichmäßige Zündung der Gesamtladung sichergestellt.