Donnerstag, 10. Mai 2018

New Pyrotechnics

Pyrotechnik heute


In der Angewandten Chemie erscheinen von Zeit zu Zeit Artikel zur Pyrotechnik. Diese spiegeln die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet wider. Im Mittelpunkt steht gegenwärtig die Entwicklung umweltfreundlicher und sicherer Pyrotechnika und Spengstoffe. Hier einige Beispiele aus den letzten Jahren.

Rote pyrotechnische Leuchtsätze werden in den USA vielfach beim Militär als Signalfeuer, im Zivilleben bei Unfällen und Gefahrensituationen verwendet. Bei der Verbrennung dieser Leuchtsätze werden fein verteilte Strontiumverbindungen und karzinogene poylchlorierte Aromaten (Dibenzodioxine und Dibenzofurane) frei. Die US-Umweltschutzbehörde ist auf dieses Problem aufmerksam geworden und es drohen Regulierungen und gesetzliche Einschränkungen. In zwei Artikeln wurden Lösungen für die Gesundheits- und Umweltprobleme vorgeschlagen. Sabatini und Mitarbeiter entwickelten chlorfreie Leuchtsätze. (Sabatini, Koch, Poret, Moretti, Harbol, Angew. Chem., 127, 2015,11118) Dabei wird Mg/Sr(NO3)2 verwendet, welches durch Zusatz von 5‐Amino‐1H‐tetrazol oder Hexamethylentetramin desoxidiert wird. Diese Leuchtsätze enthalten allerdings noch Strontium.
Noch einen Schritt weiter geht ein Artikel von 2017. Darin berichten Glück, Klapötke und Kollegen  über ein "Strontium‐ und Chlor‐freies rotes pyrotechnisches Leuchtsignal mit hoher spektraler Reinheit". Die neuen Formulierung verzichtet vollkommen auf Strontium und Organochlorverbindungen. Stattdessen wird ein stickstoffreiches Dilithiumsalz als Oxidationsmittel und Farbgeber vorgeschlagen.  Diese neuen Leuchtsätze sollen eine hohe Farbqualität und Lichtreinheit besitzen. (Glück, Klapötke, Rusan, Sabatini, Stierstorfer, Angew. Chem. 129, 2017, 16733)

Quelle der Abbildung: Wikimedia Commons.



Roter Phosphor ist Hauptbestandteil pyrotechnischer Tarnnebel. Diese werden in der Militärtechnik zum Schutz von Schiffen, Truppen und Flugzeugen eingesetzt. Üblicherweise enthalten die Nebelsätze ein energiereiches Reduktionsmittel wie Magnesium oder Silicium und ein Oxidationsmittel wie Kaliumnitrat. Die Verbrennung dieses Gemisches liefert die notwendige Wärme, um den enthaltenen roten Phosphor zu verdampfen. Dieser verbrennt dann mit Luftsauerstoff zu Phosphor(V)-oxid. Der wiederum hydrolisiert an feuchter Luft zu Phosphorsäure. Diese Prozesse verlaufen unter Bildung von großen Mengen weißem Nebel. Solche Nebelsätze sind sehr reibe- und schlagempfindlich. Das führt häufig zu Unfällen. Bei Feuchtigkeitseinwirkung können diese Nebelsätze hoch giftiges und selbstenzündliches Phosphan (PH3) bilden. Auch das ist ein Problem bei der Handhabung und Lagerung dieser Mittel. Wegen dieser Probleme sucht man nach geeigneten Ersatzstoffen für roten Phosphor in Nebelsätzen. 
Koch und Cudził schlagen als Ersatzmittel Phosphor(V)‐nitrid (P3N5) vor (E.-C. Koch, S. Cudziło, Angew. Chem. 128, 2016, 15665). Dieses kann gefahrlos mit KNO3,  KClO3 und sogar KClO4 gemischt werden. Die von den Autoren vorgeschlagenen Formulierungen sind reibeunempfindlich und wenig schlagempfindlich. Bei der Verbrennung entstehen leistungsfähige Tarnnebel. Die Autoren betonen, dass P3N5 ein sicherer, stabiler und leistungsstarker Ersatz für roten Phosphor darstellt.


US-Kriegsschiffe testen pyrotechnischen Tarnnebel (Quelle der Abbildung: Wikimedia Commons)


Die Erzeugung blau leuchtender Flammen ist schwierig und erfordert genau aufeinander abgestimmte Komponenten. Pyrotechniker verwenden für diese Aufgabe Kupfer oder Kupferverbindungen. Diese werden mit einer chlorhaltigen Komponente kombiniert. Bei der Verbrennung soll dann das blau leuchtende Kupfer(I)-chlorid (CuCl) entstehen. Bei der Verbrennung chlorhaltiger organischer Verbindungen entstehen häufig giftige und krebserzeugende polychlorierte Aromaten. Klapötke und Mitarbeiter suchten daher nach eine umweltfreundlicheren Alternative für solche Leutchsätze (Klapötke, Rusan, Sabatini, Angew. Chem. 126, 2014, 9820). Sie schlagen Kupferiodat (Cu(IO3)2) als Oxidator und Farbgeber in chlorfreien blau brennenden Formulierungen vor. Während des Verbrennungsprozesses entsteht die blau emittierende Verbindung Kupfer(I)-iodid (CuI). In der Zusammenfassung des Artikels vermerken die Autoren: "Im Vergleich zu chlorhaltigen Formulierungen wurden durch die beste blau brennende Formulierung auf Basis von Kupfer(I)‐iodid eine höhere spektrale Reinheit, Lichtintensität und Brenndauer erzielt. Ebenso erwies sich diese Formulierung als unempfindlich gegenüber Schlag, Reibung und Hitze."

Feuerwerk am 4. Juli in Washington (Quelle: Wikimedia Commons)


Der vielleicht interessanteste Artikel in dieser Serie stammt von Steinhauser und Klapötke ( Angew. Chem. 120, 2008, 3376). In einem großen Übersichtsartikel wenden sich die Autoren der Pyrotechnik mit dem “Ökosiegel” zu. Sie halten die Ökologisierung der Pyrotechnik für überfällig und sehen darin eine chemische Herausforderung. In den ersten Kapiteln beschreiben die Autoren zunächst die klassischen Bestandteile von Pyrotechnika. Dann erläutern sie die Nebenwirkungen der darin enthaltenen Umweltgifte. Je nach Zusammensetzung können giftige Schwermetalle wie Barium, Blei, Chrom und anderes enthalten sein. Diese werden beim Verbrennen der pyrotechnischen Sätze fein in der Luft verteilt! Als eine Alternative für die Herstellung umweltverträglicher Pyrotechnika schlagen sie stickstoffreiche energiereiche organische Verbindungen wie Tetrazole und Tetrazine vor. Diese liefern beim Verbrennen vor allem Stickstoff (N2) - und das ist nun wirklich umweltfreundlich.


Feuerwerk bei einer Flugshow (Quelle: Wikimedia Commons)

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