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Pyrotechnischer SatzEin pyrotechnischer Satz ist ein explosionsgefährliches Stoffgemisch, das mindestens ein Oxidationsmittel und einen Brennstoff enthält (pyrotechnische Mischung). Er ist chemischer Funktionsträger eines pyrotechnischen Gegenstandes, der die pyrotechnische Wirkung entfaltet. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Chemische GrundlagenEin Pyrotechnischer Satz ist ein Stoff oder Stoffgemisch, dessen Zweck darin besteht, eine akustische (Schall), optische (Licht, Nebel, Rauch), thermische (Wärme, Heizwirkung), oder mechanische (Druck, Bewegung) Wirkung zu entwickeln. Als explosionsgefährliche Stoffe unterliegen Sätze entsprechenden rechtlichen Regelungen (Sprengstoffrecht, Pyrotechnik). Wie bei allen energetischen Materialien ist auch beim pyrotechnischen Satz die exotherme Umsetzung (wie z. B. Abbrand, Deflagration oder Detonation) nicht an die Anwesenheit von Luftsauerstoff gebunden. Die Umsetzung eines pyrotechnischen Satzes erfolgt spontan und selbstunterhaltend: Es gilt sowohl für die Änderungen der Gibbschen freien Enthalpie ΔG < 0 als auch die Enthalpie ΔH < 0. Als Zündmittel dienen Elektrozünder oder Reibeköpfe, Abreißzünder, Zündschnüre (Lunten), Anzündlitzen. OxidationsmittelWichtigste Komponente eines pyrotechnischen Satzes ist das Oxidationsmittel. Voraussetzung für einen Elektronenakzeptor ist lediglich, daß der betreffende Brennstoff als Donor eine niedrigere Elektronegativität aufweist als das zur Wahl stehende Oxidator. Neben Sauerstoff-, Chlor- und Fluorabspaltenden Stoffen können auch Stoffe wie Bor, Kohlenstoff, Schwefel oder Phosphor in Kombination mit elektropositiveren Metallen als Oxidationsmittel fungieren, obschon sie alle selbst nach thermischer Anregung bereitwillig durch den elektronegativeren Sauerstoff lebhaft und unter Flammenerscheinung oxidiert werden (Verbrennung). Typische Oxidationsmittel der Pyrotechnik sind:
Weitere Oxidationsmittel sind Ammoniumnitrat, Ammoniumperchlorat und Ammoniumdinitramid. Diese zählen aber schon als Reinstoffe zu den explosionsfähigen bzw. explosionsgefährlichen Stoffen. Während früher oftmals Chlorate als Oxidationsmittel in Leucht- und Pfeifsätzen verwendet wurden, setzt man heute die thermisch beständigeren und nicht ganz so reaktionsfreudigen, aber dafür sichereren Perchlorate ein. Lediglich bei wenigen Ausnahmen wie z. B. grünen Leuchtsternen hoher Farbreinheit kommt man an der Verwendung von Bariumchlorat nicht vorbei. BrennstoffeAls Brennstoffe kommen in der Pyrotechnik praktisch alle brennbaren und leicht entzündlichen festen Stoffe zum Einsatz, beispielsweise Metalle, deren Legierungen und metallreiche Verbindungen wie z. B. Hydride, diverse Nichtmetalle und die umfangreiche Gruppe der organischen Verbindungen.
HilfsstoffeWeiterhin können pyrotechnische Sätze je nach ihrem Einsatzzweck noch eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten:
Spezielle AnwendungenDurch Variation der Zusammensetzung, Beimischen von Katalysatoren und abbrandmoderierenden Zusätzen werden die Mischungen auf den jeweiligen Anwendungszweck optimiert. Dabei wird beispielsweise besonders Wert gelegt auf große Wärmeentwicklung, Gasentwicklung, Rauchentwicklung, eine konstante und stabile Abbrandgeschwindigkeit, zuverlässige Entzündbarkeit auch bei tiefer Temperatur, gute Lagerbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit oder die toxikologischen Eigenschaften der Verbrennungsgase.
Nach der Abbrandgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit der Umsetzung, und der daraus resultierenden Brisanz unterscheidet man in fauler Satz und rascher Satz [1] Sätze können aber durchaus auch Sprengstoffcharakter haben. Das ungepresste und patronierte Pulver eines Luftheulers explodiert beispielsweise mit einem lauten Knall; während es im stark gepressten Originalzustand nur unter hellem Pfeifen abbrennt. (Dieser Effekt tritt nicht durch eine Pfeife o. Ä. auf, sondern basiert auf der Tatsache, dass das Gemisch schichtenweise – bis zu mehreren tausend Mal pro Sekunde – abbrennt, siehe Abschnitt Heulsatz.) Einteilung der SätzeJe nach Zusammensetzung und Anwendung unterscheidet man entsprechend:
NormalsatzNormalsätze sind die grundlegenden pyrotechnischen Sätze. Sie stellen die thermische, und damit die mechanische Energie zur Verfügung. Treibsatz und AusstoßsatzDer Treibsatz (Propellant) dient der kontinuierlichen Schuberzeugung und brennt gleichmäßig ab [2]: Er ist als Treibladung (Treibstoff) in Raketen eingebaut; siehe etwa Treibsatz (Modellrakete) Der Ausstoßsatz (Expellant) treibt den Gegenstand durch plötzliche Druckerzeugung aus einem Abschussrohr: Als Ausstoßladung beim Mörser (Geschütz), einer Bombette oder Bombe (Feuerwerk), oder auch, um militärische Raketen aus ihrer Halterung so weit in die Luft zu katapultieren, dass der eigentliche Treibsatz gefahrlos gezündet werden kann. Bei Granaten in militärischen Anwendungen und bei Munition bezeichnet man die Ausstoßladung aber auch als „Treibladung“ Trennsatz und ZerlegersatzTrennsätze zerlegen den Gegenstand in einzelne Teile, um die gewünschten Effekte zur Geltung zu bringen. Die Trennladung zerlegt zum Beispiel einen Feuerwerkseffekt im mehrere Teileffekte, die Zerlegerladung befördert die Effektladungen in einen gewünschten Abstand, den Effektradius. Sie bewirkt den eigentlichen, vom Laien „Explosion“ genannten Effekt (etwa die typische Kugelgestalt einer Feuerwerksrakete). AnfeuerungssatzEr dient dazu, den Gegenstand anzuzünden, also die Reaktion in Gang zu bringen.
Dabei handelt es sich um Zündmittel wie die Zündschnur, einen Elektrozünder (Zündpille) oder eine Initialzündung. VerzögerungssatzEin Verzögerer dient dazu, entweder den Start eines fliegenden Gegenstandes hinauszuzögern, nach Auslösen der Zündung einen Zeitabstand zu erzeugen (z. B. bei Sprengungen), oder nach dem Zünden des Ausstoß- oder Treibsatzes die Steigzeit zu überbrücken, damit der Effektsatz in gewünschter Effekthöhe zünden kann (wie beim Höhenfeuerwerk), oder um mehrere Effekte zu kuppeln, also mit einer gemeinsamen Zündung zu verbinden (etwa in Feuerwerksbatterien).
Typische Verzögerungszeiten im Feuerwerk sind etwa 2 oder 3 Sekunden, bei Handgranaten 1,5 bis 4 Sekunden, bei Sprengzeitzündern in der Sprengtechnik 25 Millisekunden. EffektsatzLeuchtsatz, FarbsatzDie charakteristischen Leucht- und Farbeffekte entstehen durch Zusatz von verschiedenen Stoffen zu den pyrotechnischen Sätzen:
Die Farben entstehen durch Anregung von Atomen in der Hitze, welche sofort wieder in einen Zustand niedrigerer Energie zurückfallen, und die zuvor aufgenommene Energie dabei als Licht abstrahlen. Da die möglichen Energiedifferenzen quantenmechanisch genau festgelegt sind, haben Atome verschiedener Elemente – bedingt durch den Aufbau ihrer Elektronenhülle – unterschiedliche Emissionsfarben. Dabei gilt Kupfer als die schwierigste Farbe, da der Farbton auch von der vorliegenden Verbindung abhängt. Die meisten Kupferverbindungen färben jedoch grün, nur wenige, die aber bei hohen Temperaturen leicht zerfallen, färben tatsächlich blau. Sehr heiß abbrennende Stoffe erhöhen die Leuchtkraft und die Intensität der Flamme. Um die Brillanz und die Farbintensität zu verstärken, werden den Sätzen verschiedene chlorhaltige Stoffe (z. B. PVC) beigemischt. Es gibt natürlich auch noch andere Reaktionen die für das Leuchten eine Rolle spielen. So entstehen helle Funken durch Reaktionen, bei denen Metalle wie Magnesium, Aluminium, Titan und andere bei mehreren tausend Grad Celsius verbrennen. Goldene Funken – meist von Holzkohle oder Eisen erzeugt – verbrennen schon bei niedrigen Temperaturen von etwa 1500 Grad Celsius. Typische Leuchteffektsätze sind Flittersatz („firefly“), Glittersatz, Blinksatz („strobe“), Funkensatz, Brilliantfeuersatz, Flammensatz (etwa bei Schweifeffekten), Doppel- oder Zwittersatz (Funken- und Flammsatz kombiniert), Sprühsatz (etwa bei der Wunderkerze). Diese Reaktionen sind teils äußerst komplex. Blitzsatz und KnallsatzKnallsätze dienen der Geräuscherzeugung.
Knall- oder Knistersätze finden als Knallladung , oder Knatterladung, Knisterladung (Crackersatz) in entsprechenden Effekten Verwendung. Mischungen aus Oxidatoren und Metallpulvern nennt man Blitzsätze (oder auch ggf. Blitzknallsatz (BKS), wenn sie primär zur Erzeugung eines Knalls bestimmt sind). Ein Blitzsatz explodiert mit einem hellen Lichtblitz – und einem lauten Knall – unter enormer Energieabgabe, wobei manche Blitzsätze auch in Detonation übergehen können. Eine weitere wesentliche Eigenschaft dieser Explosivstoffe ist es, ohne Verdämmung zu explodieren, was von der Art und der Zusammensetzung der Mischung abhängt. Diese Eigenschaft macht sie für die Pyrotechnik sehr interessant, da man mit geringen Mengen einen vielfach lauteren Knall erzeugen kann, als das mit Schwarzpulver möglich ist: Eine geringe Verdämmung des Pulvers reicht für einen „satten“ Knall, da der knallerzeugende Überdruck nicht durch bei der Reaktion entstehende Gase, sondern im Wesentlichen durch eine Erhitzung der Umluft erzeugt wird. So befindet sich in der einseitig offenen Papphülse eines Vogel- oder Starenschrecks nur eine Menge von 1,8 g BKS. Trotzdem kann eine solche in der Hand explodierende Patrone mehrere Finger abreißen. Blitzknallsatz
Das fast ausschließlich in der Pyrotechnik angewandte Gemisch besteht aus Kaliumperchlorat und sehr feinteiligem Aluminiumpulver. Bei diesem Satz muss das Aluminium als dunkles Aluminium (Aluminiumpyroschliff, dark aluminium, Dark Pyro Alu) vorliegen, welches das feinste der erhältlichen Aluminiumpulver ist. Die stöchiometrische Mischung liegt bei etwa 75 % Kaliumperchlorat und 25 % Aluminium. Alternativ kommen auch Magnesiumpulver als Brennstoff, sowie diverse Nitrate und Chlorate als Oxidationsmittel zum Einsatz. Er verbrennt mit extrem hoher Reaktionsgeschwindigkeit und kann ab Mengen von 100 bis 200 g nach Zündung von Deflagration zu Detonation übergehen. Er explodiert bereits in geringer Menge offen gezündet mit einem ohrenbetäubenden Knall, obwohl die Reaktions-Endprodukte (KCl und Al2O3) hochschmelzende Feststoffe sind. Diese Eigenschaft macht die Handhabung von Blitzknallsatz gefährlich, zumal das Gemisch empfindlich auf statische Aufladung reagiert. Zu finden ist diese Mischung in Knallkörpern von Alarmanlagen, Vogelschreckpatronen oder Salutbomben in der Großfeuerwerkerei, sowie in manchen Böllern. Ferner werden Flashmischungen aus Bariumnitrat, Schwefel und hochfeinem Aluminiumpulver in kleinen Bombetten als Zerlegerladung eingesetzt. Feuerwerksartikel der Feuerwerksklasse 1 und 2 dürfen aufgrund ihrer Gefährlichkeit keine Blitzknallsätze enthalten. In anderen Ländern werden jedoch häufig Feuerwerksartikel mit Blitzpulver/Flashpulver verkauft. Zu nennen sind auch frei verkäufliche Knallkörper aus Österreich, der Schweiz, Frankreich und Belgien, die teilweise gar in Deutschland für den Export produziert wurden. Bekannt sind etwa die von die Medien als „Polenböller“ bezeichneten Feuerwerkskörper aus Osteueropa, welche entgegen der geläufigen Berichterstattung BKS, und nicht Industriesprengstoff, enthalten. Pfeifsatz (Heulsatz)Pfeifsätze (Heulsätze) enthalten meist Chlorate oder Perchlorate als Oxidationsmittel sowie Salze organischer Säuren (Salicylsäure, Benzoesäure). Die Geräuschentwicklung entsteht nicht durch Form der Austrittsöffnung, sondern durch oszillierend pulsierenden Abbrand mit etwa 3000–4000 Hz in offener Papphülse. Durch die vielen kurz nacheinander auftretenden Schallereignisse entsteht ein hoher Ton, den wir als Pfeifen charakterisieren. Außer in Raketen finden Pfeifsätze Verwendung in Luftheulern. RechtlichesDer Umgang mit pyrotechnischen Sätzen und pyrotechnischen Gegenständen, 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 gesetzlich streng geregelt.
Literatur
Quellen |
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| Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Pyrotechnischer_Satz aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |
