Abbrandgeschwindigkeit
- Abbrandgeschwindigkeit
- (burning rate)
Die Abbrandgeschwindigkeit von pyrotechnischen Sätzen (und damit z.B. auch Schwarzpulver, Litzen bzw. Stoppinen) hängt im wesentlichen von vier Faktoren ab:
Umhüllung Relevant bei gedeckter vs. ungedeckter Stoppine. Die Umhüllung sorgt dafür, dass die heißen Verbrennungsprodukte im "Kanal" vorangetrieben werden und dies so zu einem sehr schnellen Abbrand insgesamt führt. Aber auch die meisten losen pyrotechnische Sätze brennen eingeschlossen heftiger ab als offen, der Effekt wird als Verdämmung bezeichnet (Details siehe dort).
Füllmenge und Druck Hoch verdichtete Sätze brennen deutlich langsamer ab als lose, daher explodieren Raketentreiber auch nicht, sondern brennen kontrolliert ab (verdichteter Satz) - und daher haben Salutbomben teilweise eine nicht geringe Menge Luft und sind nicht völlig (3/4) gefüllt oder mit groben Sägespänen aufgelockert. Die Sätze für manche Magesiumfackeln ähneln in der Zusammensetzung sehr stark Knallsätzen - lediglich das Verdichten führt zu einem langsamen Abbrand. Der Effekt ist in erster Linie auf die zur Verfügung stehende Oberfläche zurückzuführen, die gleichzeitig abbbrennen kann - die gleiche Menge (auch loser) Satz in einer Röhre mit geringem Durchmesser brennt langsamer als in einer Röhre mit größerem Durchmesser, da die brennende Oberfläche geringer ist. Risse in einem gepressten pyrotechnischen Satz, wie in Raketentreibern oder Vulkanen, können zur schlagartigen Umsetzung führen, die den pyrotechnischen Gegenstand meist mit lautem Knall zerlegt.
Ausnahmen sind nicht in der Gasphase verbrennende Sätze, wie sie nur sehr selten von den Thermit-Mischungen bekannt sind und als Verzögerungs- oder hitzeerzeugende Sätze verwendet werden. Diese Sätze brennen schneller ab, je dichter sie verpresst sind.
Zusammensetzung des Satzes Je nach Wahl des Oxidationsmittels oder des Verhältnisses von Oxidationsmittel zu Reduktionsmittel kann ein Satz langsamer oder schneller abbrennen. Üblicherweise wird die Abbrandgeschwindigkeit in mm pro Sekunde angegeben, bezieht sich aber dann meist auf gepresste Sätze oder Sterne, alternativ ist die Angabe von Gramm pro Sekunde gängig. Je nach Satz oder pyrotechnischem Gegenstand wird man nicht auf reaktivere Oxidationsmittel wie Chlorate anstelle von Nitraten zurückgreifen können, so dass man nur den Anteil an Oxidationsmittel erhöhen kann. Die Zugabe von Metallpulvern führt meist zu einer heisseren Temperatur während der Verbrennung und damit zu einer schnelleren Umsetzung.
Körnung des Satzes Die Größe der Oberfläche, die gleichzeitig abbrennen kann, hat entscheidenden Einfluss auf die Abbrandgeschwindigkeit, daher gibt es Schwarzpulver der gleichen chemischen Zusammensetzung in unterschiedlichsten Korngrößen und auch Geometrien (hexagonal, wohl nicht in der Pyrotechnik verwendet). Über die Wahl der Korngröße kann dabei die Abbrandgeschwindigkeit bestimmt werden. Pulver mit unregelmässiger oder angenähert runder Geometrie hat die Eigenart, beim Abbrand die Oberfläche zu verringern (und dann langsamer abzubrennen), was dessen Leistung einschränkt. Daher gibts es als Treibladungspulver spezielle Geometrien, verschiedene Korngrößen sind dagegen auch in der Pyrotechnik üblich.
Neben diesen Faktoren, die vom Satz und der Verabeitung abhängig sind, gibt es noch die externen Faktoren Druck und äußere Temperatur, die Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit fast jeder chemischen Reaktion haben.
Druck Der äußere Luftdruck wird bei der Umsetzung quasi immer gleich sein - die Reaktion an sich kann jedoch aufgrund der Freisetzung von Gasen zu einem höheren Druck führen und damit die Umsetzung beschleunigen, was einer der Gründe für die schnelle Umsetzung verdämmter Mischungen ist.
Messungen der Verbrennungsgeschwindigkeit bei konstanten äußeren Drücken zeigen die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei pyrotechnischen Sätzen, deren Umsetzung (teilweise) in der Gasphase stattfindet (fast alle Sätze mit Ausnahme von Thermit-Mischungen) bei steigendem Druck. So verdoppelt sich die Abbrandgeschwindigeit von Schwarzpulver bei einem Druck von ca. 18 bar. Ausnahme bilden auch hier wieder die sich nicht in der Gasphase umsetzenden Thermit-Mischungen - diese brennen vom äußeren Druck unbeeinflusst immer gleichschnell.
Temperatur Die Umgebungstemperatur ist relativ zur hohen Temperatur, bei der die eigentliche Reaktion stattfindet, auch als konstant anzunehmen. Trotzdem wird für Schwarzpulver eine Zunahme der Abbrandgeschwindigkeit um immerhin 15% angegeben, wenn die Reaktion bei 100°C statt 0°C gezündet wird (Conkling).
