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Abbrandgeschwindigkeit

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Abbrandgeschwindigkeit
(burning rate)

Die Abbrandgeschwindigkeit von pyrotechnischen SÀtzen (und damit z.B. auch Schwarzpulver, Litzen bzw. Stoppinen) hÀngt im wesentlichen von vier Faktoren ab:

UmhĂŒllung Relevant bei gedeckter vs. ungedeckter Stoppine. Die UmhĂŒllung sorgt dafĂŒr, dass die heißen Verbrennungsprodukte im "Kanal" vorangetrieben werden und dies so zu einem sehr schnellen Abbrand insgesamt fĂŒhrt. Aber auch die meisten losen pyrotechnische SĂ€tze brennen eingeschlossen heftiger ab als offen, der Effekt wird als VerdĂ€mmung bezeichnet (Details siehe dort).

FĂŒllmenge und Druck Hoch verdichtete SĂ€tze 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) gefĂŒllt oder mit groben SĂ€gespĂ€nen aufgelockert. Die SĂ€tze fĂŒr manche Magesiumfackeln Ă€hneln in der Zusammensetzung sehr stark KnallsĂ€tzen - lediglich das Verdichten fĂŒhrt zu einem langsamen Abbrand. Der Effekt ist in erster Linie auf die zur VerfĂŒgung stehende OberflĂ€che zurĂŒckzufĂŒhren, die gleichzeitig abbbrennen kann - die gleiche Menge (auch loser) Satz in einer Röhre mit geringem Durchmesser brennt langsamer als in einer Röhre mit grĂ¶ĂŸerem Durchmesser, da die brennende OberflĂ€che geringer ist. Risse in einem gepressten pyrotechnischen Satz, wie in Raketentreibern oder Vulkanen, können zur schlagartigen Umsetzung fĂŒhren, die den pyrotechnischen Gegenstand meist mit lautem Knall zerlegt.

Ausnahmen sind nicht in der Gasphase verbrennende SÀtze, wie sie nur sehr selten von den Thermit-Mischungen bekannt sind und als Verzögerungs- oder hitzeerzeugende SÀtze verwendet werden. Diese SÀtze brennen schneller ab, je dichter sie verpresst sind.

Zusammensetzung des Satzes Je nach Wahl des Oxidationsmittels oder des VerhĂ€ltnisses 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 SĂ€tze oder Sterne, alternativ ist die Angabe von Gramm pro Sekunde gĂ€ngig. Je nach Satz oder pyrotechnischem Gegenstand wird man nicht auf reaktivere Oxidationsmittel wie Chlorate anstelle von Nitraten zurĂŒckgreifen können, so dass man nur den Anteil an Oxidationsmittel erhöhen kann. Die Zugabe von Metallpulvern fĂŒhrt meist zu einer heisseren Temperatur wĂ€hrend der Verbrennung und damit zu einer schnelleren Umsetzung.

Körnung des Satzes Die GrĂ¶ĂŸe der OberflĂ€che, die gleichzeitig abbrennen kann, hat entscheidenden Einfluss auf die Abbrandgeschwindigkeit, daher gibt es Schwarzpulver der gleichen chemischen Zusammensetzung in unterschiedlichsten KorngrĂ¶ĂŸen und auch Geometrien (hexagonal, wohl nicht in der Pyrotechnik verwendet). Über die Wahl der KorngrĂ¶ĂŸe kann dabei die Abbrandgeschwindigkeit bestimmt werden. Pulver mit unregelmĂ€ssiger oder angenĂ€hert runder Geometrie hat die Eigenart, beim Abbrand die OberflĂ€che zu verringern (und dann langsamer abzubrennen), was dessen Leistung einschrĂ€nkt. Daher gibts es als Treibladungspulver spezielle Geometrien, verschiedene KorngrĂ¶ĂŸen sind dagegen auch in der Pyrotechnik ĂŒblich.

Neben diesen Faktoren, die vom Satz und der Verabeitung abhĂ€ngig sind, gibt es noch die externen Faktoren Druck und Ă€ußere Temperatur, die Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit fast jeder chemischen Reaktion haben.

Druck Der Ă€ußere Luftdruck wird bei der Umsetzung quasi immer gleich sein - die Reaktion an sich kann jedoch aufgrund der Freisetzung von Gasen zu einem höheren Druck fĂŒhren und damit die Umsetzung beschleunigen, was einer der GrĂŒnde fĂŒr die schnelle Umsetzung verdĂ€mmter Mischungen ist.

Messungen der Verbrennungsgeschwindigkeit bei konstanten Ă€ußeren DrĂŒcken zeigen die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei pyrotechnischen SĂ€tzen, deren Umsetzung (teilweise) in der Gasphase stattfindet (fast alle SĂ€tze 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 Ă€ußeren Druck unbeeinflusst immer gleichschnell.

Temperatur Die Umgebungstemperatur ist relativ zur hohen Temperatur, bei der die eigentliche Reaktion stattfindet, auch als konstant anzunehmen. Trotzdem wird fĂŒr Schwarzpulver eine Zunahme der Abbrandgeschwindigkeit um immerhin 15% angegeben, wenn die Reaktion bei 100°C statt 0°C gezĂŒndet wird (Conkling).

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Diskussion im FEUERWERK Forum ĂŒber die Unterschiede von Feuerwerk im Sommer oder Winter und Videos des Abbrands von Litze und Wunderkerzen bei -196°C