Polveri infumi: la forma è sostanza | Armi e Strumenti

Polveri infumi: la forma è sostanza


 

A seguire una breve panoramica sulla nascita e sulle caratteristiche basilari degli esplosivi propellenti per armi da fuoco. Dopo la definizione di esplosivo propellente e qualche cenno storico sulla nascita delle polveri infumi, si farà riferimento all’influenza della geometria dei grani sulla velocità di combustione.

 

Gli esplosivi propellenti

Possiamo definire esplosivo una sostanza che, se opportunamente innescata, è capace di un repentino cambiamento di stato erogando grande quantità di gas e calore. L’esplosione sostanzialmente è una combustione estremamente rapida ma in taluni casi controllata, caratteristica fondamentale che ci porta a considerare due tipi di esplosione: detonazione e deflagrazione. Saremo in presenza di detonazione quando la reazione ha velocità di combustione di migliaia di m/s (sino a 10.000 m/s) tale da dar luogo ad effetti dirompenti incompatibili con l’uso per cartucce. Avremo invece deflagrazione quando il fenomeno risulta molto meno violento cioè, quando le velocità di combustione sono nell’ordine di qualche centinaio di m/s con graduale sviluppo dei volumi gassosi. Gli esplosivi deflagranti vengono anche definiti propellenti.

 

Una distinzione tra le sostanze esplodenti va fatta tra le miscele e le sostanze esplosive. La polvere nera, ad esempio, è costituita da carbone e zolfo in funzione di combustibili e di nitrato di potassio come comburente; essa è una “miscela esplosiva”, ossia un esplodente in cui ogni elemento costitutivo mantiene le proprie caratteristiche. Le polveri senza fumo invece, sono dei composti chimici ben definiti, ognuna con una sua precisa struttura molecolare. All’interno della molecola si trovano già associati combustibile e comburente. II combustibile è rappresentato da carbonio ed idrogeno mentre il comburente è dato dall’ossigeno e dagli ossidi (prevalentemente di azoto).

 

Cenni storici

Prima dell’avvento delle polveri senza fumo, la polvere nera (o pirica) è stata per lungo tempo l’unico propellente per le armi da fuoco. Non si hanno notizie certe sull’invenzione della polvere pirica, le prime testimonianze della sua diffusione in Europa risalgono al XIII° secolo. Lo sviluppo delle polveri senza fumo è invece relativamente recente e può farsi risalire alla prima metà del 1800. In quel periodo molti scienziati e ricercatori avviarono indagini a tutto campo per l’individuazione di nuovi composti nitrati da sostituire alla fumosa e fuligginosa polvere nera. In particolare furono trattate con acido nitrico diverse sostanze organiche come l’amido, le fibre legnose e la carta.

Christian Friedrich SchönbeinLa svolta arrivò quando un chimico tedesco, Christian Friedrich Schönbein, insegnante presso l’università di Basilea e già scopritore dell’ozono, nel 1846 si accorse che trattando con acido nitrico il cotone, si otteneva una sostanza infiammabile ed esplosiva che chiamò fulmicotone o cotone fulminante. Tale sostanza risultava però instabile deteriorandosi rapidamente nel tempo. Questa limitazione, attribuita alla formazione di acqua durante il processo di nitrazione, fu presto superata utilizzando come agente nitrante piuttosto che il solo acido nitrico, una miscela nitrico-solforica, sfruttando l’azione disidratante dell’acido solforico per l’assorbimento dell’acqua di reazione. Il cotone è costituito quasi totalmente da cellulosa, quello che Schönbein aveva ottenuto era il nitrato di cellulosa. I primi tentativi di produrre nitrocellulosa a livello industriale inizialmente fallirono a causa dell’elevata tendenza ad esplodere da parte del composto.

La prima produzione industriale di polveri infumi così realizzate, può farsi risalire al 1884 grazie agli studi del francese Paul Ville che mise a punto la “Polvere B”, poi adottata nel 1886 per il munizionamento del fucile Lebel, in dotazione all’esercito francese. Presto in Europa la polvere nera fu rimpiazzata dalle polveri senza fumo. Furono i britannici James Dewar e Frederick Augustus Abel a rendere ulteriormente più stabile la sostanza producendo, nel 1891, una miscela nota come Cordite. Gli Stati Uniti furono tra le ultime grandi potenze ad adottare le polveri infumi, solo nel 1892 infatti, viene formalmente adottato anche in USA il primo fucile con tale propellente.

 

Chimica delle polveri

NitrocotoneDal punto di vista della chimica per la realizzazione delle polveri infumi, possiamo effettuare una prima grande distinzione tra polveri a singola base o monobasiche e polveri a doppia base o bibasiche. Essenzialmente le monobasiche si ottengono dalla gelatinizzazione della nitrocellulosa mediante un solvente,generalmente acetone o alcool ed etere etilico, solvente che successivamente evapora non lasciando tracce. Le bibasiche invece inpiegano nella fase di gelatinizzazione della nitroglicerina spesso associata ad un solvente ausiliario. La nitroglicerina, non essendo volatile, rimarrà dopo l’essicazione nel composto. Le polveri bibasiche hanno generalmente temperature di combustione che possono raggiungere i 3000°C contro i 2000°C delle monobasiche inoltre, le monobasiche sono caratterizzate da una combustione in difetto di ossigeno cosa che non accade per le bibasiche per l’apporto di comburente determinato dalla Nitroglicerina. Per quanto detto le polveri bibasiche hanno prestazioni energetiche tendenzialmente superiori a quelle delle monobasiche. Per maggiori dettagli sulla chimica delle polveri vedi l’articolo: “Polveri infumi: ecco gli ingredienti”.

 

Velocità combustiva delle polveri e geometria dei grani

La sperimentazione ha confermato la teoria secondo cui ogni grano di polvere brucia dall’esterno verso l’interno con progressione regolare, ed in modo che ciascun grano si rimpicciolisca conservando la sua forma geometrica originaria. Un grano sferico, cilindrico o lamellare, resta tale finché si è tutto convertito in gas. Va da sé che la combustione sarà tanto più regolare quanto più i grani saranno fra loro uniformi e regolari, sia per forma che per dimensioni. Ecco un altro parametro da considerare nella scelta della polvere: la regolarità della pezzatura dei grani. Le cause di irregolarità granulometrica sono da imputarsi ad una approssimativa vagliatura alla fonte, taglio più o meno regolare, frammentazioni durante le fasi di trattamento superficiale (laccatura, grafitatura, ecc.), degrado meccanico traumatico (inscatolamento, trasporto, ecc.).

Grani di Cheddite Granular (grossa)

- Grani di Cheddite Granular (grossa) -

A parte l’influenza della struttura fisico-chimica della polvere, il comportamento, ossia il modo in cui una polvere conduce il processo combustivo è legato alla forma geometrica del grano, alla “granitura”. Ne consegue che per una stessa polvere, al cambiamento della granitura, seguirà una variazione dei tempi di combustione, cambieranno quindi i volumi dei gas erogati nell’unità di tempo ed i livelli e gli spostamenti pressori.

Volendo schematizzare, la forma geometrica dei grani conduce a tre tipologie di emissione gassosa, a seconda della superficie esposta dal grano durante la combustione. Potremo avere combustione ad andamento regressivo, costante e progressivo. I grani sferici, cubici e cilindrici tendono all’andamento regressivo ossia iniziale grande sviluppo gassoso che diminuisce col consumarsi del grano. I grani a forma di dischi, lamellari, romboidali, ad anello o piccoli cilindri forati, tendono all’andamento costante ossia in tempi uguali erogano eguali quantità di gas. I grani cilindrici, prismatici o cubici, a più fori, tendono all’andamento progressivo ossia l’emissione gassosa aumenta col procedere della combustione.

Grani di Nitrokemia Rex 28 (rossa)

- Grani di Nitrokemia Rex 28 (rossa) -

Se la stessa carica di una polvere venisse granita in dimensioni minori avremmo un più alto e repentino picco pressorio in quanto i grani più piccoli offrono complessivamente una superficie combustiva maggiore, per cui nell’unità di tempo l’emissione gassosa sarà incrementata. Aggiungiamo che in ogni caso, spezzando il grano, si alterano le caratteristiche di accensione venendo a mancare sulla frattura quei trattamenti superficiali che hanno precise funzioni. E’ possibile infatti che i grani siano stati sottoposti a processi di laccatura per deposito di sostanze specifiche, al fine di flemmatizzare la combustione, oppure apportando un ciclo di laccatura-grafitatura con varie finalità come favorire la scorrevolezza al caricamento o ridurre l’igroscopicità dei grani.

 

Bibliografia:

Sebastiano Russo – “Esplosivi” – Catania 1999
“Manuale di ricarica Tac Armi” – Milano 1981
Bill Chevalier – “ABC’s of Reloading” – Iola (WI) 2008

Speedy.

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