Explosivos TECNOL.

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Historia. Chinos y árabes sostienen que conocieron des. de tiempos muy antiguos la deflagración de mezclas análogas a la pólvora. El artillero español del s. XVII Diego Ufano atribuye la invención de la pólvora al emperador chino Vi-Tey el a. 85 a. C., pero Marco Polo asegura que los chinos la desconocían antes del s. XIII. Al franciscano inglés Roger Bacon (1214-84) y al benedictino alemán Berthold Schwarz (1320-80) se atribuye por algunos el descubrimiento de la pólvora clásica -carbón, azufre y salitre- e incluso se afirma que Schwarz llevó su invento a Venecia y que sus cañones se probaron contra la ciudad de Chiozza en 1380. Lo que es seguro es su empleo por la artillería musulmana en el sitio de Algeciras (1342-44), y que esta artillería procedía de la medf fa, primer arma que arroja un proyectil (una flecha precisamente) valiéndose de la pólvora y que apareció en el s. xirl. En 1779 el ingeniero inglés E. Ch. Howard prepara el fulminato de mercurio, H. Braconnot la nitrocelulosa en 1832 y en 1846 A. Sobrero la nitroglicerina, que en 1877 es utilizada por A. Nobel absorbida en tierra de infusorios para elaborar la dinamita. Desde entonces aparecen sucesiva y frecuentemente nuevos e.; p. ej., el ácido pícrico (melinita), el trinitrometilbenceno (trilita), hexógeno, pentrita, etc.

Sustancia explosiva. Es toda especie o mezcla de especies químicas cuya combustión o descomposición origina un brusco desprendimiento de la energía acumulada en el sistema químico que constituye. Esta descomposición puede producirse por distintos regímenes, como son:

La descomposición térmica, debida a la acción continuada del calor, agentes atmosféricos, impurezas químicas, etc., que alteran el sistema químico inicial provocando la pérdida de su estabilidad así como la variación de su sensibilidad, aparición de exudaciones, etc., que pueden llegar a inutilizar el e. o a facilitar su explosión accidental. En diferente grado, todos los e. están sujetos a este régimen.

La combustión, fenómeno en el que la sustancia explosiva, como combustible, se combina con el oxígeno del aire, como comburente, originándose calor (exotermia) con llamas y desprendimiento de gases; su propagación, si el medio es homogéneo, se produce en dirección normal a la superficie en ignición y con cierta velocidad de combustión, que es de unos cm/seg.

La deflagración, fenómeno de combustión intramolecular (dentro de cada molécula) o intermolecular (entre dos o más moléculas de distinta especie del sistema químico) sin participación del oxígeno del aire ni de otro comburente exterior y que se propaga con una velocidad de deflagración de unos cm/seg. Se inicia a una temperatura determinada, característica de la especie o sistema químico explosivo. Los e. en régimen de deflagración se incluyen, en general, en el grupo de los llamados propulsores; impulsores o lanzadores.

La detonación, fenómeno de combustión inter o intramolecular que se propaga por medio de un frente de onda de choque, a una elevada velocidad, independiente de la presión. Esta velocidad de detonación depende de la energía desprendida en el proceso y es del orden de unos miles de m/seg. Si se inicia convenientemente, este régimen de descomposición puede ser aplicado a la mayor parte de las sustancias explosivas. Entre los puntos del plano p, V (presión-volumen) de la curva adía. bática (de cantidad de calor constante) de la detonación, hay un solo punto -llamado punto C. J. o de Chapman-Jouguet- que corresponde a un régimen de detonación estable. La onda de choque proveniente del e. detonado comprime al e. aún intacto llevándole a las condiciones del citado punto, con una temperatura muy elevada, suficiente para iniciar la descomposición.

Explosivos y pólvoras. El nombre genérico de e. se aplica a toda sustancia explosiva (tal como ha sido definida en el epígrafe anterior), reservándose el específico de pólvoras para aquellos e. en los que el régimen normal de combustión o descomposición es la deflagración.

Cuando en el sistema químico explosivo entra más de un componente, se llama a aquél mezcla explosiva; dichos componentes, durante el fenómeno explosivo, intervienen en la reacción química exotérmica que produce la explosión. Los componentes de la mezcla o ingredientes de la misma, pueden ser e. por sí (trilita, nitroglicerina, etc.) o ser especies químicas no explosivas de carácter oxidante (nitrato potásico) o reductor (aluminio). Otros componentes pasivos pueden tener la finalidad de adecuar un ingrediente o la mezcla de ellos mejorando su estabilidad o su sensibilidad o bien su velocidad de combustión, dureza, moldeabilidad, color, etc., por lo que se denominan correctores. A las partículas de los e. cristalinos muy sensibles al roce, etc., se las recubre con una capa lubrificante, lo que se llama f legmatización; como flegmatizantes se emplean la cera, el aceite de ricino, etc.

Clasificación. Según su finalidad se clasifican en tres grandes grupos, llamados propulsores, rompedores e iniciadores.

Propulsores. Son pólvoras y se utilizan en las cargas de proyección de las armas de fuego y en las de propulsión de los cohetes y misiles. Pueden clasificarse según el cuadro 1.

Rompedores. Pueden ser especies químicas o mezclas explosivas; su relación sería interminable; los que figuran en el Catálogo de Explosivos del Ministerio del Ejército español son las que se exponen en el cuadro 2. Iniciadores. Pueden ser especies químicas o mezclas explosivas. Las que figuran en el catálogo antes citado se clasifican según el cuadro 3.

Características de los explosivos. La determinación de las cualidades de un e. se hace mediante cálculos teóricos o pruebas experimentales o bien mediante ambos procedimientos. Las principales características son:

Organolépticas. Se aprecian con los sentidos corporales; son: aspecto exterior (amorfo, cristalino, sólido, líquido, plástico, gomoso, etc., presencia de manchas, exudados, vapores, etc.), color, olor, sabor, etc.

Químicas. Mediante el análisis cualitativo o cuantitativo, según proceda, incluso los de técnica instrumental (espectral, cromatográfica, activación por neutrones, etc.) se determinan estas características, entre las cuales se cuentan como más importantes las siguientes: humedad, disolvente residual, materia volátil, cenizas, materia soluble en distintos disolventes (agua, éter, tetracloruro de carbono, cloruro de metileno, etc.), cantidad de nitrocelulosa, nitroglicerina, nitroguanidina, clorato potásico, grafito superficial, grafito incorporado, etc. También puede interesar el análisis de los gases originados en la explosión y otros datos, como la acidez, muy interesante respecto a la estabilidad química del explosivo.

Físicas. Se fijan mediante ensayos sobre las constantes físicas como punto de fusión, punto de congelación o de solidificación, densidad real y densidad gravimétrica, esta última se obtiene dividiendo la masa de cierta cantidad de sustancia explosiva por el volumen del recipiente que la contiene; por tanto, esta densidad es menor que la real en la que no interviene el volumen intergranular ni los huecos u orificios en los granos. Finalmente, los defectos de estructura se investigan mediante las técnicas de rayos X, gamma, ultravioleta, ultrasónicos, etc. Pirostáticas. Su conocimiento es necesario para prever los efectos que pueden conseguirse con los e. Nos ocuparemos en primer lugar de las relativas a las pólvoras, para las que estas características son principalmente:

El volumen específico, o volumen que a presión y temperatura normales (760 mm. y 15° C) tienen los gases producidos por la deflagración de 1 Kg. de pólvora.

El covolumen, o volumen que ocuparían las moléculas de los gases de la pólvora si no tuvieran espacios intermoleculares; esta característica es muy importante por el gran número de fórmulas balísticas en que interviene (v. BALÍSTICA). Generalmente se acepta que equivale a la milésima parte del volumen específico cuando el e. es de gasificación completa; pero si quedan residuos sólidos el covolumen, determinado de esta forma, debe incrementarse en el volumen de dichos residuos.

La fuerza específica que tiene por valor el mismo que la presión cuando la unidad de masa explosiona en un "volumen libre" (volumen del recinto menos el covolumen) igual a la unidad.

El calor de explosión a volumen constante es el desprendido por una determinada masa de e. cuando el proceso transcurre sin trabajo de expansión, manteniéndose todas las sustancias reaccionantes y productos de la reacción, antes y después del fenómeno, confinados en el mismo volumen; este calor se invierte totalmente en elevar la temperatura de los productos resultantes de la explosión: gases, residuos, etc.

El calor de combustión a volumen constante es el producido en la reacción cuando todos los átomos reductores de la materia explosiva son oxidados al límite por oxígeno en exceso, sin que se produzca trabajo de expansión.

La temperatura de explosión a volumen constante o temperatura de combustión, es la que se alcanzaría en la explosión adiabática a volumen constante. No puede evaluarse más que de un modo teórico.

La velocidad de combustión es el espesor de grano de la pólvora que se quema a la presión unidad en la unidad de tiempo. Depende de la composición y temperatura del e. y de la presión en el interior del recipiente en el que tiene lugar la combustión. La fórmula de Vieille,

V = bpn

para pólvoras de cañón permite su determinación teórica (V=velocidad de combusión en mm/seg.; b=velocidad de combustión en mm/seg. a la temperatura t y presión de 1 Kp/cm2, Kp=kilopondio o kilogramo fuerza; p=presión en Kp/cmz; n=módulo de sensibilidad de la velocidad de combustión a las variaciones de presión, el cual, en las pólvoras de cañón, se admite ser igual a 1). En esta fórmula se considera que la presión de prueba tiene un valor que varía según el criterio seguido en cada escuela balística, y en España se admite ser 50 Kp/cmz, por lo que la fórmula será

V=bp )n 50

(

en la que n puede variar entre 0,4 y 1. También se puede determinar la velocidad de combustión experimentalmente con la bomba de Crawford.

El impulso específico es el impulso mecánico (v. DINÁMICA) realizado por unidad de masa de la pólvora. Se expresa en Kp ?seg/Kg. Suele ser de 200 a 250 Kp ?seg/Kg. en las pólvoras modernas.

El coeficiente de forma, admitidas las hipótesis fundamentales de la pirostática para la combustión de un grano de pólvora de cualquier forma y dimensión (esas hipótesis son: inflamación instantánea y simultánea en la superficie del grano y la combustión por capas paralelas), la fórmula para determinar el volumen quemado del grano, en función del espesor quemado 1 y de tres parámetros A, B y C, llamados por el balístico y pirólogo español O. Mata coeficientes de forma porque dependen de la forma geométrica y dimensiones del grano, es la siguiente: Vo-VI=A13+B12+C1,

en la que Vo es el volumen inicial y V, el que resta tras la combustión de un espesor l.

Las características de forma o geométricas de la pólvora son unos coeficientes, designados por a, y y g, que reciben dicho nombre por depender su expresión analítica de la forma del grano. Si se dividen los dos miembros de la expresión anterior del volumen quemado por Vo y se sustituye, además, 1 por el producto y-1, ’ en el que 1, es la mitad del menor espesor de grano que puede quemarse, y se toma

C B C Va Vo V~ se tendrá:

Vo-V, _l3 _y q=V-yl,a 1+a yl,+a y2l 0

1 )

de la cual, haciendo

ph yl a=l,a, Á=-, la= , a a

resultarán las citadas características de forma y quedará

q=ay(1 +,+lly2) ;

al valor de q se le llama función de forma. Conociendo estas características a, y y w se puede hallar la ley de variación de las presiones con los tiempos.

La velocidad de emisión es la masa de e. que se quema en la unidad de tiempo (Kg/seg.) y relacionada con ella está la vivacidad o coeficiente de vivacidad en las pólvoras, que es la relación existente entre las presiones y el tiempo necesario para producirlas. La vivacidad depende de la composición de la pólvora y de las condiciones físicas del grano, en cuanto a forma, tamaño, etc. Los granos pequeños arden más rápidamente que los grandes.

En cuanto a los e. iniciadores y rompedores conviene recordar que las explosiones son fenómenos caracterizados por su tonalidad térmica, su cinética y su estequiometría y estos factores son dependientes entre sí, ya que el calor desprendido depende de la ecuación química de descomposición que, a su vez, depende de la velocidad del proceso, la que, por otra parte, depende mucho de la forma de iniciarse éste y de la densidad de carga. Las más importantes características pirostáticas de los e. son:

El calor de explosión a presión constante, o sea, el liberado de una masa determinada de e. cuando el fenómeno se acompaña del trabajo de expansión manteniéndose a la misma presión, antes y después del proceso, las materias que reaccionan y los productos de la reacción.

El calor de explosión a volumen constante, magnitud ya definida para las pólvoras.

La velocidad de detonación, análoga a la de combustión, también definida ya para las pólvoras.

La presión de detonación, que se determina por la fórmula

dVd2 10-4

P KS/cmz 40

(en la que d=densidad de carga, Vd=velocidad de detonación en m/seg.) o bien experimentalmente mediante la prueba Traulz comparando el trabajo realizado sobre un bloque de plomo con el realizado sobre otro bloque idéntico por otro e. tipo, que suele ser el ácido pícrico cristalizado.

El poder rompedor, que se determina midiendo los aplastamientos de crushers (cilindros de cobre) efectuados por una cantidad dada de e. y comparándolos con los producidos por un e. tipo o bien refiriéndolos a los valores establecidos como criterio de evaluación.

Geométricas. Se refieren a las dimensiones de los granos, o sea, a la granulometría, para verificar que estén dentro de las especificadas para las distintas pólvoras. Respecto a los demás, se presentan: a granel en forma de escamas o cristales, en petardos o cargas moldeadas, etc.

De estabilidad. Permiten apreciar la estabilidad o capacidad de resistir las alteraciones que se originan en los e. en el transcurso del tiempo. Pueden considerarse desde un punto de vista físico o químico.

Balísticas. Se determinan, generalmente, de un modo experimental mediante los instrumentos adecuados. Son: velocidades iniciales que imprimen a los proyectiles; presiones que producen en las recámaras de las armas; dispersiones en el tiro, etc., en cuanto a las pólvoras. Por lo que respecta a los demás e.: ensayos de troceo o fragmentación de rocas o proyectiles; perforación de blindajes, corte de perfiles metálicos o de maderas, forjados de cemento, etc.

De sensibilidad o grado de facilidad para producir la explosión de la sustancia explosiva. Su conocimiento es esencial para su empleo y, en particular, para la previsión de accidentes. Se aprecia en relación al choque, calor, llama y fricción. Interesa también la transmisión de la detonación entre distintas masas explosivas separadas (explosión por simpatía).

Complementarias. Son variadas, tales como: el poder erosivo sobre recámaras y ánimas; la higroscopicidad o tanto por ciento de agua contenido en la sustancia, en equilibrio con el aire de humedad relativa, dada; la resistencia, tracción a la flexión, etc.

Efectos mecánicos de la detonación de un explosivo. En la detonación, la liberación en brevísimo tiempo de gran cantidad de gases a muy elevada temperatura (del orden de 2.000°) se traduce en elevadísimas presiones (del orden de 100.000 atm.). La detonación origina en el medio externo fenómenos de naturaleza mecánica. Al desplazarse los gases a elevadísima velocidad, empujan al aire exterior y le transmiten parte de su energía, originando un turbulento "soplo", o sobrepresión dinámica; el enfriamiento por expansión y la gradual pérdida de presión y velocidad limitan los efectos del "soplo" y por ello éste sólo es intenso a corta distancia del centro de la explosión (unos 8 m. para una bomba de aviación de 250 Kg.). La inercia de los gases y el aire desplazados hacen que dejen tras de sí un espacio casi vacío que luego es llenado por el aire succionado, o sea, por un "soplo de succión".

Por otra parte, el violento encuentro de los gases con el aire que rodea al e. actúa como un "palmetazo" dado por los gases que genera una onda de deformación elástica en el aire, una "onda de choque", análoga a las de sonido, que se desplaza y transmite en sucesivas superficies esféricas y se amortigua, disminuyendo con la distancia. La llegada de la onda de choque a un punto origina en éste una sobrepresión estática o "golpe" que alcanza su máximo bruscamente en el "pico o cresta de presión" y luego desciende rápidamente y pasa a una fase negativa para luego volver a elevarse, etc., amortiguándose hasta el equilibrio con la presión atmosférica ambiente.

Los materiales situados junto al e., o que contenían a éste, son lanzados y proyectados, tras su fragmentación en su caso; al principio la inercia de su masa les retrasa respecto al desplazamiento del "soplo" y "onda de choque", pero luego, por su mayor cantidad de movimiento, los alcanzan y rebasan y ellos son los que, generalmente, señalan el del radio de acción del artefacto explosivo.

La onda de choque al alcanzar a otra masa explosiva, situada a cierta distancia, puede, si llega con la energía suficiente, producir la explosión de ésta, fenómeno llamado explosión por simpatía, cuyo conocimiento es muy importante para prevenir accidentes y para simultanear o acompasar la explosión de varias cargas.

Cargas explosivas. Carga es toda cantidad de e. destinada a un trabajo dado. Las cargas pueden ser interiores y superficiales y éstas adosadas o empotradas. Su trabajo de explosión puede destinarse a: demolición, perforación, formación de cráteres o pozos, corte, resquebrajamiento, trituración, alarma, encendido, transmisión de fuego, etc.

En cuanto a su forma pueden ser: concentradas, alargadas, laminares, huecas (cónicas, semiesféricas, en diedro, etc.). El hornillo lleva la carga concentrada; un barreno la lleva interior y alargada; una carga en montón o en masa es superficial y concentrada; una carga en faja es superficial y laminar, etc. Finalmente, se llama atraque a la materia resistente que en contacto con la carga cierra el hornillo en su boca, o envuelve a la carga, etc., para que ésta tenga a su alrededor un medio resistente lo más uniforme posible para que el rendimiento y eficacia del trabajo explosivo sea máximo.

V. t.: BALÍSTICA.

S. GÓMEZ ALBA.

BIBL.: 1. MARTÍNEZ GIMÉNEz, Explosivos, Madrid 1951; MINISTERIO DEL EIÉRCITO, Manual Técnico de las sustancias explosivas, Madrid 1970; A. BLANCO GARCíA, Pirología, Madrid 1957; GENERAL FERNÁNDEZ LADREDA, Pólvoras y explosivos, Madrid 1959; T. URBANSKY, Chemistry and Technology of explosives, Londres 1964 (trad. del polaco); J. BERGER y J. VIARD, Physique des explosives solides, París 1962.