Explosivstoffsynthese

Die Explosivstoffsynthese stellt neue energetische Substanzen für die Erforschung und Entwicklung von Festtreibstoffen, Sprengstoffen und Treibladungspulvern bereit und liefert Proben für die Sicherheitsforschung. Sie gewährleistet eine unabhängige Versorgung mit energetischen Substanzen für F&E.

Explosivstoffsynthese

Arbeiten unter Sicherheit am Manipulator
© Foto Fraunhofer ICT

Arbeiten unter Sicherheit am Manipulator

50 l-Reaktor für die Explosivstoffsynthese unter Sicherheit
© Foto Fraunhofer ICT

50 l-Reaktor für die Explosivstoffsynthese unter Sicherheit

Entwicklungsziele bei der Synthese von neuen Explosivstoffen sind hohe Leistungsdichte, geringe Empfindlichkeit gegen Feuer, Beschuss und Detonationsstoß sowie hohe Bildungsenthalpie (durch Ringspannung, Nitro-, Nitratester-, Nitramino-, und Azidsubstituenten), hoher Stickstoffgehalt und eine sehr gute Lagerstabilität. Zunehmend gewinnen die Nicht-Toxizität und die Umweltverträglichkeit von Explosivstoffen an Bedeutung. Der Forschungsbereich verfügt über speziell ausgestattete Labore für Explosivstoffsynthesen unter Sicherheit (ferngesteuert in explosionssicheren Räumen), Automatisationssysteme für ferngesteuerte Explosivstoffsynthesen sowie einen mechanischen Manipulator (Modell A201, Firma Wälischmiller) für die Synthese und Handhabung von hochempfindlichen Explosivstoffen und deren Zwischenprodukten. Im Explosivstoffsynthesetechnikum werden bei Bedarf Synthesen mit Reaktionsvolumen von bis zu 50 Liter unter Sicherheit durchgeführt. Weitere Ausstattungen sind Reaktionskalorimeter RC1, ein Fest-Flüssig-Extraktor mit bis zu 30 Litern Aufgabevolumen, ein Flüssig-Flüssig-Extraktor (4-stufig/kontinuierlich) und eine Destillationsanlage.

Explosivstoffe werden nach Auftrag synthetisiert und charakterisiert. Die Syntheseplanung erfolgt nach umfassender Literaturrecherche unter Berücksichtigung von Umweltverträglichkeit und unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten. Weiterhin synthetisieren wir für unsere Kunden energetische Zwischenprodukte, wie sie für die feinchemische und pharmazeutische Industrie benötigt werden.

Energetische Polymere

Bindersysteme in Treib- und Explosivstoffen sind kautschukelastische Kunststoffe, die eine formgebende Matrix bilden, in der Füllstoffe wie Explosivstoffe, Oxidatoren und metallische Brennstoffe eingebettet sind. Energetische Bindersysteme liefern bei ihrer Umsetzung zusätzlich Energie und können somit die Leistung von Treib- und Explosivstoffen erhöhen und  bei gleicher Leistung Eigenschaften wie Abbrandverhalten, Detonationsfähigkeit und Empfindlichkeit günstig beeinflussen.

Energetische Binder werden nach Wunsch synthetisiert und charakterisiert. Kommerziell verfügbare Binder wie z. B. GAP werden entsprechend den Anforderungen für neue Einsatzgebiete modifiziert (Kettenverlängerung, Endgruppentransformation, Funktionalitätserhöhung). Außerdem synthetisieren wir energetische thermoplastische Elastomere (ETPE) die aus der Schmelze oder in Lösung verarbeitet werden.

Homemade Explosives

Strukturformel von TATP
© Foto Fraunhofer ICT

Strukturformel von TATP

Sprengkammer für max. 2 kg TNT Äquivalent
© Foto Fraunhofer ICT

Sprengkammer für max. 2 kg TNT Äquivalent

Zur Abwehr der Bedrohung durch so genannte Homemade Explosives werden am Fraunhofer ICT die Eigenschaften und Sicherheitskenngrößen von improvisierten Explosivstoffen bestimmt und bewertet. Desweiteren werden Proben für das Testcenter Explosivstoffdetektionssysteme bereitgestellt.

Homemade Explosives lassen sich mit improvisierten Mitteln relativ leicht herstellen und sind häufig Explosivstoffe, die im gewerblichen oder militärischen Bereich aufgrund mangelnder Stabilität oder zu geringer Handhabungssicherheit keine Anwendung gefunden haben. Die bekanntesten Vertreter sind das Triacetontriperoxid (TATP) und Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD), aber häufig werden auch einfach Mischungen von Oxidationsmitteln und Brennstoffen eingesetzt.

Ermittlung von Sicherheitskenngrößen von Homemade Explosives

Homemade Explosives (HMEs) sind häufig nicht lagerstabil und oftmals auch empfindlich gegenüber mechanischen oder thermischen Belastungen. Für praxisnahe Testreihen an Detektionssystemen, wie sie beispielsweise an Flughäfen oder Zugangskontrollen eingesetzt werden, ist aber die Bereitstellung dieser HMEs unverzichtbar. Am Fraunhofer ICT werden die relevanten Sicherheitskenngrößen wie Reib- und Schlagempfindlichkeit, thermische Stabilität und adiabatische Selbstaufheizungsrate bestimmt. Die Kenntnis dieser Größen ermöglicht die Definition von Bedingungen und Grenzen für den sicheren Umgang mit diesen Explosivstoffen.

Leistungsermittlung von Homemade Explosives

Über die Eigenschaften von Homemade Explosives (HMEs) sind in der wissenschaftlichen Literatur nur sporadisch Daten veröffentlicht. Speziell über das Umsetzungsverhalten, die Initiierbarkeit und die Leistungsfähigkeit von HMEs gibt es keine zugängigen Daten. Deshalb werden am Fraunhofer ICT solche Mischungen hergestellt und bezüglich Detonierbarkeit, Initiierungsschwellen und Leistung charakterisiert. Die Untersuchungen finden in einer geschlossenen Sprengkammer statt und die Leistung wird mittels Druck- und Temperatur- bzw. Wärmeflussmessungen bestimmt.

Explosivstoffcharakterisierung & Analytik

Reinheitsuntersuchungen
© Foto Fraunhofer ICT

Reinheitsuntersuchungen

Bei der Explosivstoffcharakterisierung werden chemische und strukturelle Basisdaten von neu im Fraunhofer ICT synthetisierten oder kommerziell erworbenen Stoffen bestimmt bzw. überprüft. Dies beinhaltet die Aufklärung von Reinheit, Molmassenverteilung und Spureninhaltsstoffen, die Identifikation von Nebenprodukten sowie Untersuchungen der thermischen Eigenschaften, des Migrationsverhaltens von Weichmachern, des Restlösemittelgehaltes und des Emissionsverhaltens von polymergebundenen Materialien.

Wir bieten eine effiziente Auftragsanalytik und Strukturuntersuchungen verbunden mit Beratungsdienstleistungen, schnelle Screening-Techniken sowie die Entwicklung und Applikation geeigneter analytischer Techniken, Untersuchungskonzepte und Charakterisierungsstrategien.

Thermochemische Datenbank und ICT-Thermodynamik-Code

Mit Hilfe des ICT-Thermodynamik-Codes und der Datenbank thermochemischer Werte werden Verbrennungs- und Reaktionsprozesse von Treib- und Explosivstoffen simuliert und deren Leistungsparameter berechnet. Die Datenbank thermochemische Werte wird regelmäßig aktualisiert, sie enthält Angaben zu über 14.000 Substanzen. Beide Produkte sind voneinander unabhängig.

Der ICT-Thermodynamik-Code ermöglicht Leistungsberechnungen von Raketentreibstoffen, Treibladungspulvern und Sprengstoffen, bzw. allgemein die Optimierung von Verbrennungsprozessen. Von besonderem Interesse ist die Berechnung der Explosionswärme, da die experimentelle Bestimmung in der kalorimetrischen Bombe bei hohen Temperaturen und/oder erosiven Reaktionsprodukten schwierig ist. Die Datenbank enthält neben Daten von Substanzen aus dem Bereich energetischer Substanzen auch viele andere chemische Substanzen und kann daher universell eingesetzt werden. Folgende Daten sind gespeichert: Summenformel, Strukturformel, Aggregatzustand, Namen, Molekulargewicht, Sauerstoffbilanz, Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt, Bildungsenthalpie, Bildungsenergie, Verbrennungswärme und Literaturangaben.