Pušný prach

Pušný prach (správne čierny strelný prach, čierny prach) je viaczložková výbušná zmes so širokým použitím v pyrotechnike na trhacie práce a výrobu zábavnej pyrotechniky, delobuchov alebo zápalníc.

Bezdymový pušný prach

Bezdymný strelný prach je založený na nitrocelulóze a používa sa pri výrobe nábojov do strelných zbraní.

Zloženie

Súčasti pôvodnej receptúry na čierny pušný prach sú

• draselný liadok – t. j. dusičnan draselný (KNO₃)
• drevné uhlie – t. j. uhlík
• síra

Zloženie čierneho strelného prachu je premenlivé, mení sa podľa účelu prachu – iné zloženie má prach pre lovecké zbrane, iné pre vojenské zbrane, iné pre delá a zasa iné pre trhacie práce či pre časovacie účely, tiež v rôznych krajinách sa používalo rôzne zloženie čierneho prachu.
Okrem klasického čierneho strelného prachu sa ako strelivina používali aj iné podobné zmesi:

• prach bez síry – obsahuje 80 % KNO₃ a 20 % drevného uhlia
• amonný alebo „amidový“ prach – obsahuje 35 – 38 % NH₄NO₃, 40 – 45 % KNO₃ a 14 – 22 % drevného uhlia. Tento druh prachu sa pomerne ťažko zapaľuje a za 1. svetovej vojny sa používal spoločne s nitrocelulózovým prachom
• pikrátový prach – obsahuje 40 – 45% pikrátu amónneho a 55 – 60% KNO₃
• biely prach ("raschit")- obsahuje 65 – 70% NaNo₃ a 30 – 35% kresolsulfonátu sodného

Neskôr vynájdený bezdymný strelný prach obsahuje ako hlavnú zložku nitrocelulózu čiže strelnú bavlnu želatinovanú nitroglycerínom alebo inými nitroglykolmi.

História

Čierny pušný prach je najstaršou známou výbušninou na svete. Vynašli ho v období siedmeho až 9. storočia v Číne. Najskôr sa využíval na pohon rakiet, náplň granátov a dokonca aj bambusovej pušky.

V 13. storočí prenikol pušný prach do Európy. Už v 14. storočí tu existovala prosperujúca výroba strelných zbraní. Vo veľkom ich začali používať v 15. storočí husiti. Husitská terminológia raných strelných zbraní tak prenikla do mnohých svetových jazykov. Dnes je už takmer zabudnutý výraz arkebúza (ľahší variant muškety) vzniknutý prešmyčkami z českej hákovnice. Stále je však živý výraz pištoľ (angl. pistol), ktorý vznikol z českého slova píšťala (najľahší variant ručných strelných zbraní), alebo anglické howitzer (nem. Haublitze) z pôvodnej českej húfnice.

V roku 1887 si Alfred Nobel nechal patentovať bezdymný strelný prach pod názvom ballistit a jeho ďalším zdokonalením vznikol dnes najpoužívanejší kordit. Hlavnou zložkou je strelná bavlna kombinovaná s nitroglycerínom a inými nitroglykolmi. Tento nový prach sa vďaka svojím lepším vlastnostiam dnes používa v prakticky všetkých strelných zbraniach.

Zloženie a vlastnosti

Typické zloženie čierneho strelného prachu je: 75 % KNO₃, 10 % síry a 15 % drevného uhlia. V praxi sa pušný prach vyrába pre trhacie práce s nižším obsahom KNO₃ v rozmedzí 60 – 70 % a pre vojenské využitie s obsahom KNO₃ 74 – 75 %.

• Nemecko: 73,9 % NaNO₃ (dusičnan sodný), 11,5 % síra, 14,6 % drevné uhlie
• Francúzsko: 75 % KNO₃, 10 % síra, 15 % drevné uhlie
• USA: 75 % KNO₃, 12,5 % síra, 12,5 % drevné uhlie

Urbansky uvádza tieto zloženia prachu:

• Delostrelecký: 73 % KNO₃, 12,5 % síra, 12,5 % drevné uhlie, zrná priemeru 7 – 21 mm
• Lovecký: 78 % KNO₃, 10 % síra, 12 % drevné uhlie, zrná 0,1 – 1 mm
• Normálny: 75 % KNO₃, 10 % síra, 15 % drevné uhlie
• Zlepšený delostrelecký: 78 % KNO₃, 3 % síra, 19 % drevné uhlie, lisovaný prizmatický
• časovací: 75 % KNO₃, 10 – 12% síra, 13 – 15 % drevné uhlie
• Francúzsky trhací „Poudre forte“ (rýchly): 75 % KNO₃, 10 % síra, 15 % drevné uhlie
• Francúzsky trhací „Poudre lente“ (pomalý): 40 % KNO₃, 30 % síra, 30 % drevné uhlie

Výbušninárske vlastnosti čierneho strelného prachu majú veľký rozptyl, čo vyplýva z premenlivého zloženia rôznych druhov prachu i z rôznych spôsobov spracovania.

Výroba

Priemyselne vyrábaný čierny strelný prach sa vyznačuje vysokou homogenitou zmesi s presným pomerom zložiek a presne definovanou veľkosťou jednotlivých častíc. Presný postup je pochopiteľne predmetom chráneného „know-how“ jednotlivých výrobcov.

Výroba čierneho strelného prachu začína prípravou surovín:

• Dusičnan draselný (draselný liadok) má byť čistý, s obsahom najmenej 99 % KNO₃, pre surovinu I. triedy 99,8 % KNO₃, liadok nemá obsahovať žiadne chloristany a jodičnany, obsah vlhkosti má byť menej než 0,2 %. Čistenie sa obvykle robí rekryštalizáciou z horúcich roztokov. Pred ďalším spracovaním sa suší pri teplote 100 – 120 °C.
• Síra obsahuje bežne 2 – 5% nečistôt, preto sa destiluje pri 400 °C a zachytávacie zariadenie musí mať teplotu nad 120 °C, aby bola stále tekutá a odlieva sa do foriem. Pri destilácii nesmie vznikať sírny kvet, ktorý obsahuje SO₂ a H₂SO₄ a je nežiaduci, pretože znižuje dlhodobú stabilitu prachu a tým aj jeho balistické vlastnosti, ktoré sa majú v čase meniť čo najmenej.
• Drevné uhlie sa pripravuje z drevných štiepkov. Použité drevo musí mať málo živice a musí byť mäkké. Vhodné je drevo jelše, topoľ, lieska, na prípravu drevného uhlia sú vhodné aj konopné lodyhy. Drevo sa používa bez kôry. Pálenie drevného uhlia prebieha v retortách. Podľa teploty pri pálení (suchej destilácii) sa získavajú tri druhy drevného uhlia:
  • červené drevné uhlie vzniká pri teplotách 150 – 200 °C a obsahuje 52 – 54 % uhlíku
  • hnedé drevné uhlie vzniká pri teplotách 280 – 350 °C a obsahuje 70 – 75 % uhlíku
  • čierne drevné uhlie vzniká pri teplotách 350 – 450 °C a obsahuje 80 – 85 % uhlíku

Vyrobené drevné uhlie sa nechá v uzatvorenej retorte niekoľko dní chladnúť (bežne 4 i viac dní).

Pripravené suroviny sa melú v guľových alebo špeciálnych mlynoch. V stredoveku sa suroviny mleli v mažiaroch. Podľa miestnych zvykov sa melie buď každá surovina osobitne, alebo dve zložky spoločne (bináry) – obvykle uhlie so sírou a uhlie s liadkom (pomer 1:15). Občas sa tiež melie síra s malým množstvom liadku, pretože samotná síra sa pri mletí ľahko elektrizuje a zvírený prach by mohol vo vzduchu ľahko vybuchnúť. Pred zavedením tohto opatrenia (v roku 1881) a zavedením uzemnenia boli výbuchy prachární veľmi časté.

Zomleté suroviny alebo bináry sa na špeciálnych miešačkách zmiešajú dohromady. Je to nebezpečná operácia. Miešací bubon s vnútornými rampami je obvykle z dreva, miesi sa v ňom 100 – 200 kg prachoviny a miesenie podporuje 100 – 150 kg bronzových guličiek o priemere 7 – 15 mm. Miešanie trvá niekoľko hodín. Potom sa obsah bubnu vysype na pohyblivé sitá, ktoré zachytia bronzové guličky. Takáto prachovina – prachová múčka je priamo použiteľná len na niektoré pyrotechnické účely.

Pre použitie prachu ako streliviny alebo trhaviny sa prachovina ďalej spracováva na kolobehoch alebo v bubnových mlynoch, v stredoveku sa prachovina spracovávala v mažiaroch. Pri spracovaní v bubnových mlynoch s drevenými guľami sa prachovina mierne navlhčí (8 – 10 % vody). Po spracovaní sa lisuje do dosiek alebo sa pokračuje spracovaním na kolebehu.

Kolobeh je zariadenie s miskovitou nádobou z ocele alebo častejšie z bronzu a dvomi ťažkými (cca 500 kg) oceľovými kolesami zavesenými na hriadeli. Kolesá sú zavesené, teda nepohybujú sa priamo po dne misky, medzera musí byť najmenej 4 mm a dá sa regulovať. Pri každom kolese je dvojica bronzových škrabákov, ktoré nahŕňajú prachovinu od okrajov a od stredu miska pod kolesá. Na zariadení je aj prívod vody – vlhkosť spracovávanej zmesi nemá klesnúť pod 4 %. Spracovanie na kolobehu trvá 1 – 7 hodín podľa požadovanej hustoty prachoviny. Prachovina sa po spracovaní lisuje v lisoch alebo v kolobehu.

Lisovanie prachu umožňuje dosiahnuť vysokú hustotu prachu. Vlhká prachovina sa nasype vo vrstvách do 10 cm na medené alebo bronzové dosky, v niekoľkých vrstvách vloží do lisu a lisuje sa tlakmi 2,5 – 11 MPa po dobu niekoľkých desiatok minút až niekoľko hodín. Po lisovaní sa sa prachovina suší. Vysušená prachovina v doskách sa spracováva na zrnidlách, špeciálnych strojoch, v ktorých je prachovina rozdrvená, preosiata na pohyblivých sitách a roztriedená na zrná požadovanej veľkosti. Existuje niekoľko spôsobov zrnenia. Po zrnení sa prachové zrná hladia v kožených bubnoch s malým prídavkov grafitu. Takto spracovaný prach má hladký povrch, dobre sa sype a dobre vypĺňa priestor. Hladenie trvá až 24 hodín. Po hladení sa prach preoseje, opäť roztriedi podľa veľkosti a suší.

Sériovanie prachu zabezpečuje homogenitu vlastností väčší sérií prachu. Ako je zrejmé z popisu, výroba prachu nie je kontinuálna a jednotlivé dávky spracovávaného prachu nemajú zaručené úplne rovnaké vlastnosti. Preto sa niekoľko (až desiatok) výrobných dávok prachu navrství do kužeľovitej nádoby a zospodu vypustí (presype) do ďalšej. Keďže hladené a grafitované prachu zrná po sebe ľahko kĺžu, chovajú sa skoro ako kvapalina a pri presýpaní sa dobre premiešajú. toto sa obvykle trikrát opakuje.

Pre delá, ale aj pre trhacie práce a špeciálne účely je potrebný prach vo väčších telieskach, ako sú bežné zrná (do 10 mm). Takýto prach sa vyrába sekaním dosiek prachoviny po opätovnom lisovaní a sušení najprv na pásky a potom na kocky. Prachové kocky sa leštili, aby sa zrazili a zaguľatili hrany. Druhým spôsobom bolo lisovanie zrneného prachu – lisovalo sa vysokými tlakmi a vznikol tak prach vysokej hustoty, ktorý horel v približne rovnobežných vrstvách. Telieska mali tvar šesťuholníku s centrálnym otvorom, výška telieska bola asi 25 mm a priemer 40 mm. Takýto prach sa používal napríklad pre námorné delá.

Zrná čierneho strelného prachu

Zrná čierneho strelného prachu

• a – d – zrná nepravidelného tvaru rôznej veľkosti – získavajú sa pri zrnení na zrnidlách a preosiatím na sitách
• e, h – zrno kockovitého tvaru – získa sa rozsekaním dosky alebo pásky z prachoviny a následným hladením v bubne
• f – g – zrno tvaru šesťbokého hranolu s jedným alebo siedmimi otvormi – získava sa lisovaním menších prachových zŕn
• i – pravidelné teleso čierneho prachu – vyrába sa lisovaním menších prachových zŕn
• k – nepravidelné teleso z čierneho prachu – získava sa rozdrvením dosiek lisovaného čierneho prachu

Výbušninárske vlastnosti

• Výbuchová teplota – 2 400 °C
• Detonačná rýchlosť – maximálne 340 m/s
• Energia výbuchu – 720 kcal/kg
• Objem plynov – 280 l/kg
• Tlak plynov – 6 900 atm
• Sypná hustota 0,9 g/cm³ (pre Vesuvit LC)
• veľkosť prachových zŕn je 0,28 až 0,71mm (pre Vesuvit LC)

Použitie

Klasický čierny strelný prach má zo všetkých bežných výbušnín najnižšiu detonačnú rýchlosť, ktorá je blízka rýchlosti zvuku. Zároveň je jeho výroba veľmi lacná a pyrotechnické vlastnosti sú detailne preskúmané. Z týchto dôvodov sa stále používa ako priemyselná trhavina pri práci v lomoch a iných trhacích prácach, kde sa požaduje, aby nedochádzalo k vzniku nežiaducich prasklín – napríklad pri ťažbe kvalitného mramoru. Hlavné uplatnenie mu však patrí v oblasti zábavnej pyrotechniky, kde je jeho základnou prednosťou vysoká stálosť voči mechanickým podnetom, jednoduchá inicializácia výbuchu a dlhý plameň s dostatočnou iniciačnú mohutnosťou na zapálenie svetlíc.

Naopak v súčasnosti prakticky úplne skončilo využitie čierneho strelného prachu v moderných strelných zbraniach ako hlavnej výmetnej náplne. Príčinou je najmä jeho malý výkon a dostatok iných strelivín s omnoho lepšími výbušninárskymi vlastnosťami. Okrem toho vzniká pri horení klasického prachu veľa veľmi korozívnych plynov, najmä oxid siričitý SO₂, ktorý rýchlo napadá a ničí kovové súčasti strelných zbraní a zároveň zostáva v hlavni po jeho zhorení až 50% pevných zvyškov, ktoré ovplyvňujú presnosť streľby. Tento fakt (malý výkon) ho prakticky vylučuje z výroby streliva pre rýchlopalné zbrane. V tejto oblasti má naopak veľmi významné postavenie bezdymový pušný prach – nitrocelulózový (jednozložkový – obsahuje len nitrocelulózu) alebo nitroglycerínový (dvojzložkový – obsahuje nitrocelulózu a nitroglycerín), prípadne trojzložkový – obsahuje navyše aj nitroguanidín; tieto druhy prachu sú zvyčajne bezzábleskové – používajú sa napr. vo veľkokalibrových lodných delách, kde by obrovské zášľahy (aj cez 150 m dlhé plamene zo 406 mm diel) prezradili v nočnom boji polohu lode na vzdialenosť až do 50 km a oslepovali obsluhu. Nižšia teplota horenia bezzábleskových prachov navyše znižuje opotrebovanie hlavní (pričom balistické vlastnosti zostávajú takmer zachované v porovnaní s dvojzložkovými). Aj moderné zbrane však čierny strelný prach stále využívajú. Používa sa ako prechodová náplň v zápalkových skrutkách delostreleckých zbraní a v zažehovačoch raketových motorov na tuhé palivo, kde sa uplatní jeho relatívne dlhý plameň s vysokou iniciačnou mohutnosťou, danou obsahom žeravých tuhých častíc v spalinách. V súčasnosti sa čierny strelný prach používa aj na športovú streľbu z replík historických zbraní.

Literatúra

• NEEDHAM, Joseph, et al. Science and Civilisation in China. 1. publ. Vol. 5 Chemistry and Chemical Technology, Part 7 : Military Technology; The Gunpowder Epic. Cambridge : Cambridge University Press, 1986. 703 s. ISBN 0-521-30358-3.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Pušný prach

Chemický portál