mini|GHS-Piktogramm für instabile explosive Stoffe, Gemische und Erzeugnisse mit Explosivstoff(en) Ein pyrotechnischer Satz ist ein Stoffgemisch zur Erzeugung akustischer, optischer, thermischer oder mechanischer Effekte. Sie sind die Funktionsträger von pyrotechnischen Gegenständen und finden in sehr verschiedenen Produkten, wie Streichhölzern, Feuerwerkskörpern und Airbags Verwendung. In der Regel enthalten sie mindestens ein brandförderndes Oxidationsmittel und einen Brennstoff. Als explosionsgefährliche Stoffe unterliegen sie entsprechenden rechtlichen Regelungen (Sprengstoffrecht, Pyrotechnikgesetz).
Grundlagen Ein pyrotechnischer Satz ist ein Stoff oder Stoffgemisch (pyrotechnische Mischung), dessen Zweck darin besteht, eine akustische (Schall), optische (Licht, Nebel, Rauch), thermische (z. B. Wärme), oder mechanische (Druck, Bewegung) Wirkung zu entwickeln. Der Gesetzgeber klassifiziert Substanzen und Objekte nicht nach ihren chemischen Eigenschaften, sondern inwiefern sie eine solche pyrotechnische Wirkung hervorrufen. Brennstoffe im allgemeinen Sinne etwa zählen nur dann zu den Pyrotechnika, wenn sie in einem Gegenstand explizit eingesetzt werden, um eine beabsichtigte Wirkung (den pyrotechnischen Effekt) zu erzielen.
Wie bei allen energetischen Materialien ist auch beim pyrotechnischen Satz die exotherme Umsetzung (wie Abbrand, Deflagration) nicht an die Anwesenheit von Luftsauerstoff gebunden. Diese Umsetzung genannte Reaktion eines pyrotechnischen Satzes erfolgt spontan und selbstunterhaltend, aber meist langsamer (weniger brisant) als beim Sprengstoff – die Begriffe Deflagration (langsamer als die Schallgeschwindigkeit im Material) und Detonation (schneller) unterscheiden die Begriffe Pyrotechnikum und Sprengstoff.
Im Unterschied zu den typischen technischen Sprengstoffen (ausgenommen die als Zündmittel verwendeten Initialsprengstoffe und die sogenannten Böller) erfolgt die Umsetzung nicht nur durch eine Explosion, sondern in der Regel durch offene Flamme (Feuer), Hitze, Reibung, elektrostatische Aufladung, Funken, Schlag (Erschütterung) und bei manchen Sätzen auch Feuchtigkeit. Pyrotechnische Sätze gelten darum – obwohl ihre Schadwirkung meist deutlich geringer ist – in der Handhabung als besonders gefährlich. Daher wird das Hantieren mit offenen pyrotechnischen Sätzen vermieden. Als Anzündmittel für kontrolliertes Auslösen des Abbrands (Anzünden) dienen Elektrozünder (elektrische Zündung) oder Reibeköpfe, Abreißanzünder, Zündschnüre (Lunten), Anzündlitzen und anderes (pyrotechnische Anzündung bzw. Anfeuerung).
Aufbau einer pyrotechnischen Mischung Oxidationsmittel Wichtigste Komponente eines pyrotechnischen Satzes ist das Oxidationsmittel.
Typische Oxidationsmittel der Pyrotechnik sind: Nitrate (NO3−), Chlorate (ClO3−), Perchlorate (ClO4−), Peroxide (O22−), Dinitramide (N(NO2)2−), Chromate (CrO42−) und Permanganate (MnO4−) der Alkali- und Erdalkalimetalle Oxide der Metalle Chrom (Chromate), Wolfram (WO3), Molybdän (MoO3), Mangan (MnO2), Eisen (Fe3O4), Kupfer (Cu2O), Zink (ZnO2), Bismut (Bi2O3), und Zinn (SnO2) Halogenkohlenwasserstoffe wie Hexachlorethan (C2Cl6), Hexachlorbenzol (C6Cl6), Polytetrafluorethylen [(C2F4)n], Graphitfluorid [(CF)n] 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, dafür aber sichereren Perchlorate ein. Lediglich bei wenigen Ausnahmen wie grünen Leuchtsternen hoher Farbreinheit kommt man an der Verwendung von Bariumchlorat nicht vorbei.
Voraussetzung für einen Elektronenakzeptor ist lediglich, dass der betreffende Brennstoff als Donor eine niedrigere Elektronegativität aufweist als der 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.
Brennstoffe Als Brennstoffe (chemisch als Reduktionsmittel bezeichnet) kommen in der Pyrotechnik praktisch alle brennbaren und leicht entzündlichen festen Stoffe zum Einsatz, beispielsweise Metalle, deren Legierungen und metallhaltige Verbindungen wie Hydride, diverse Nichtmetalle und die umfangreiche Gruppe der organischen Verbindungen. Klassisch beim Schwarzpulver: Holzkohlepulver und Schwefel Bindemittel, wie natürliche Harze, Leim, Zucker, Gummi arabicum und synthetische Polymere wie Polyacrylate, Polyolefine, Polyurethane erfüllen eine Doppelfunktion: Sie fungieren als Brennstoff und halten den Satz mechanisch zusammen. Viele pyrotechnische Sätze bestehen ausschließlich aus Bindemittel, Oxidator und (Farb-)Zusätzen, z. B. Zündköpfe. Typische metallische Brennstoffe sind: Magnesium, Aluminium, Calciumsilicid, Titan, Zirconium, Eisen und Silicium Nitrozellulose kann sowohl in polymerisierter Form (Nitrolack, Zelluloid) als energiereiches Bindemittel, wie auch als pulverigere Schießbaumwolle direkt als eigenständiger Treibsatz ohne zusätzliches Oxidationsmittel verwendet werden. Das Abbrennverhalten hängt vom Grad der Nitrierung ab. Für Nitrozellulose wird daher immer der Stickstoffgehalt angegeben, der als Maß für die Anzahl der Nitratgruppen dient. Sie verbrennt mit nur minimaler Rauchentwicklung. In letzter Zeit gewinnen auch andere stickstoffreiche Verbindungen als Brennstoff in raucharmen und farbreinen Applikationen an Bedeutung. Hier spielen das Hexamethylentetramin, Guanidinnitrat, Nitroguanidin, Dicyandiamid, und viele Tetrazolate eine wichtige Rolle. Unter den Metallhydriden finden besonders Magnesiumdihydrid und Zirconiumhydrid Anwendung als Brennstoff. Weitere Brennstoffe sind z. B. Sulfide: Arsen(III)-sulfid (As2S3), Antimon(III)-sulfid (Sb2S3) und Bismut(III)-sulfid (Bi2S3). Unter den organischen Verbindungen besitzen die Derivate der aromatischen Carbonsäuren besondere Bedeutung (Benzoate, Phthalate, Trihydroxybenzole, Pikrate). Harzreiche feine Bärlappsporen werden weniger in pyrotechnischen Sätzen, sondern unmittelbar für Feuereffekte, insbesondere auf Bühnen, verwendet. Bei diesen Effekten handelt es sich um kontrollierte, zur Vorführung geeignete Staubexplosionen.
Hilfsstoffe Weiterhin können pyrotechnische Sätze je nach ihrem Einsatzzweck noch eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthalten: Abbrandmoderatoren wie Oxide der Übergangsmetalle Phlegmatisierungsmittel wie Graphit, Wachse, Zinkstearat flammenfärbende Zusätze wie Alkali- und Erdalkalimetallsalze oder Kupfer- und Molybdänsalze Silikatzusätze wie Glasmehl und Sand dienen verschiedensten Zwecken: In Streichholzzündköpfen hilft ein Tropfen geschmolzenen Glases das Verspritzen der Rückstände zu verhindern und diese in Schlacke einzuschließen. Das Glas dient als Funkenfänger.Alexander P. Hardt: Pyrotechnics, Pyrotechnica Publications, Post Falls Idaho USA 2001, ISBN 0-929388-06-2. In Reibflächen und Knallerbsen werden Silikate als Friktionsmittel verwendet. Aerosolbildner wie organische Farbstoffe, Roter Phosphor.
Spezielle Anwendungen Durch Variation der Zusammensetzung, Beimischen von Katalysatoren und den Abbrand moderierenden Zusätzen werden die Mischungen auf den jeweiligen Anwendungszweck optimiert. Dabei wird beispielsweise besonderer Wert gelegt auf große Wärmeentwicklung (Pyrolant), Gasentwicklung, Rauchentwicklung, eine konstante und stabile Abbrandgeschwindigkeit, zuverlässige Entzündbarkeit auch bei tiefer Temperatur, gute Lagerbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit oder die toxikologischen Eigenschaften der Verbrennungsgase.
Schwarzpulver, Schwarzer Satz: 75 % KNO3 + 10 % S + 15 % CSalpeter (Kaliumnitrat), Schwefel (zusammen Salpeterschwefel) und Kohle – klassische pyrotechnische Mischung, wird heute kaum mehr verwendet. Fundamentalsatz, Feuerwerksschwarzpulver oder Grauer Satz: ist der am häufigsten verwendete pyrotechnische Satz in der Feuerwerkerei: ein Gemenge von 75 Teilen Salpeter, 18 Teilen Schwefel und 7 Teilen Kohle bzw. MehlpulverFranz Sales Meyer (Hrsg.): Die Feuerwerkerei als Liebhaberkunst.Es findet vor allem als Ausstoßladung und Zerlegerladung Verwendung.
Nach der Abbrandgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit der Umsetzung, und der daraus resultierenden Brisanz unterscheidet man in fauler Satz und rascher Satz.
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 auf, sondern basiert auf der Tatsache, dass das Gemisch schichtenweise – bis zu mehreren tausend Mal pro Sekunde – abbrennt, siehe Abschnitt Heulsatz.
Einteilung der Sätze Je nach Zusammensetzung und Anwendung unterscheidet man entsprechend: Normalsatz: Treibsatz, Ausstoßsatz, Trennsatz Anfeuerungssatz, Verzögerungssatz Effektsatz: Knallsatz, Leuchtsatz, Pfeifsatz, Sprühsatz Nebelsatz, Rauchsatz Gassatz (Gasgeneratorsatz), Heizsatz, pyrotechnischer Satz für spezielle Effekte.
Normalsatz Normalsätze sind die grundlegenden pyrotechnischen Sätze. Sie stellen die thermische, und damit die mechanische Energie zur Verfügung.
Treibsatz und Ausstoßsatz Der Treibsatz (Propellant) dient der kontinuierlichen Schuberzeugung und brennt gleichmäßig ab: Er ist als Treibladung in Raketen eingebaut; siehe Treibsatz (Modellrakete).
Der pyrotechnische Satz bei Base-Bleed-Geschossen ähnelt einem Treibsatz, ist jedoch schwächer. Er dient nicht zur Schuberzeugung, sondern soll lediglich mit seinen Verbrennungsgasen den Unterdruck hinter dem fliegenden Geschoss „auffüllen“, um den Luftwiderstand zu verringern und damit die Reichweite zu erhöhen.
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 Cargomunition werden Ausstoßsätze verwendet, um die Submunition über dem Ziel aus der Geschosshülle auszustoßen.
Trennsatz und Zerlegersatz Trennsätze zerlegen den Gegenstand in einzelne Teile, um die gewünschten Effekte zur Geltung zu bringen.
Die Trennladung zerlegt zum Beispiel einen Feuerwerkseffekt in mehrere Teileffekte, die Zerlegerladung befördert die Effektladungen in einen gewünschten Abstand, den Effektradius. Sie bewirkt den eigentlichen, gemeinhin „Explosion“ genannten Effekt (etwa die typische Kugelgestalt einer Feuerwerksrakete).
Die Zerlegerladung darf deutlich brisanter sein als eine Ausstoßladung, weil sie nur die kompakten Sterne (die bis 1 cm großen Effektkügelchen) und ähnliche Effekte befördert, außerdem hält man damit die auszustoßende Masse geringer, und erreicht bessere Steighöhen.
Anfeuerungssatz Er 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 für Sprengmittel.
Typische Mischungen für Anfeuerungssätze: 70 % KNO3 + 24 % B + 6 % PMMAKaliumnitrat, Bor, Polymethylmethacrylat – Sehr zuverlässige Anzündmischung; brennt auch bei 77 K (– 196 °C) 43 % KClO4 + 57 % ZrKaliumperchlorat und Zirconium, Kurzbezeichnung: ZPP – pyrotechnische Zünder für Feststoffraketen (NASA), dieser Zünder wird mit einem Laserpuls gezündet
Verzögerungssatz