Wat is vuurwerk en waar bestaat het uit?

Cursus Basiskennis Vuurwerk

Wat is vuurwerk en waar bestaat het uit?
 

Er wordt onderscheid gemaakt tussen lust- of feestvuurwerk en ernstvuurwerk. De laatste betreft noodseinen, airbags, reddingslijnwerpers, ongediertebestrijding, e.d. en in de militaire pyrotechniek de vorming van nevel en rook, gebruik van oefengranaten, infrarood fakkels voor militaire vliegtuigen en helicopters, of de verspreiding van traangas.

Lust- of feestvuurwerk wordt weer onderverdeeld in vuurwerk voor consumenten (gevarenklasse 1.4G), dat deels uit fop- of schertsvuurwerk bestaat (scherts: voor de grap, speels, komisch) en het hele jaar mag worden verkocht (ijsfonteintjes, sterretjes, klappertjes, knalerwten, trekbommetjes), en daarnaast het zware professionele vuurwerk (1.3G) dat alleen door speciaal opgeleide vuurwerkers mag worden afgestoken, zoals tijdens shows op Koninginnedag.

Vuurwerk is een constructie van materialen zoals karton, papier, hout, touw, lijm, klei, plastic of soms metaal, met daarin (of erop) brandbare mengsels van chemische stoffen, sassen genaamd, met de bedoeling daarmee een bepaald pyrotechnisch effect te bereiken.

vuurwerk fireworks feuerwerk feu artifice

Bij ontsteking, meestal d.m.v. een stuk buskruitlont maar het kan ook mechanisch of elektrisch, zijn verschillende effecten mogelijk:
zoals wit of gekleurd licht, bijvoorbeeld bij Bengaals vuur (stadionfakkels), sterren, vonken en blinkers;
geluid zoals een knal, zoem, sis of fluittoon;
gekleurde, zwarte of witte rook;
beweging, als bij een vuurpijl, draaiende zon, Romeinse kaars en mortierbom, veelal ook in combinatie.

In vuurwerk worden vaak buskruitachtige samenstellingen gebruikt. Enerzijds bestaat een sas uit een brandstof, zoals houtskool, en anderzijds een zuurstofleverancier of oxidator, bijvoorbeeld kaliumnitraat dat in staat is.bij verhoogde temperatuur makkelijk zuurstof vrij te maken.
Buskruit bestaat uit zwavel, houtskool en kaliumnitraat (salpeter). Zwavel kan zowel als een brandstof dan wel als een oxidator reageren, maar keert in buskruit voor het grootste deel nagenoeg in neutrale vorm terug.

Bij de reactie komen hitte en gasvormige producten vrij, naast vaste stoffen als kaliumsulfaat en kaliumcarbonaat in de vorm van witte rook. Deze rook heeft meestal geen functie en kan doorgaans een storend effect hebben omdat het zicht wordt ontnomen en kleuren niet volledig tot hun recht komen. Kleurenlicht wordt gevormd door gebruik van bepaalde elementen, zoals barium voor groen, koper voor blauw, strontium voor rood en natrium voor oranje-geel. 

  Vuurwerk fireworks feuerwerk feu artifice

In buskruit kunnen de verhoudingen tussen de stoffen onderling behoorlijk verschillen, naar gelang het te bereiken effect. Zo bestaat bijvoorbeeld een standaard mengsel uit kaliumnitraat, houtskool en zwavel in een gewichtsverhouding van 75:15:10 voor de productie van gas voor een explosie, terwijl een verhouding van 60:30:10 wordt gebruikt in vuurpijlen omdat het buskruit anders te fel brandt.

Voor een snelle verbranding worden de stoffen fijn verdeeld en als los poeder aangebracht in een gesloten huls. Terwijl in een vuurpijl het van belang is dat het buskruit juist stevig wordt aangeperst voor een tragere verbranding. Daarbij wordt de huls aan een kant voorzien van een kleine opening voor de uitstroom van hete gassen.

Wanneer houtskool in grove deeltjes wordt toegevoegd, kunnen ze nagloeien en een rood-oranje vonkenregen vormen. Toevoeging van ijzerdeeltjes geeft wit-gele vonken, terwijl aluminium en titaan metaaldeeltjes helderwitte vonken veroorzaken.

Op die manier kan met een aangeperste vonkensas in een afgesloten papieren huls, die aan een kant is voorzien van een kleine uitstroomopening, een goud- en zilverregen fontein ontstaan.

De geschiedenis van het vuurwerk (I)

De geschiedenis van het vuurwerk (I)

De ontwikkelingsgeschiedenis van het vuurwerk, zoals wij dat kennen, en dat van de uitvinding van het buskruit, lopen eigenlijk parallel. Het is onduidelijk waar de uitvinding van het buskruit het eerst is gedaan. De sterkste aanwijzingen heeft China omdat daar veel op schrift is gesteld.

Heel simpel vuurwerk hoeft niet door brandbare pyrotechnische mengsels te worden opgewekt. Zo is goed voor te stellen dat een soort van vuurwerk is ontstaan rond het kampvuur van de oermens, duizenden zo niet tienduizenden jaren geleden. Toen men, gefascineerd door het temmen van vuur, op het idee kwam te gaan zwaaien met takken die deels waren verkoold en nog nagloeiden, of te porren in het kampvuur. Brandende ronde balen hooi en stro die van een heuvel worden gerold, zoals tijdens de Germaanse Paasfeesten, slingeren vonken rond. Door heftige luchtbewegingen vliegen gloeiende houtskooldeeltjes los en veroorzaken een fraaie vonkenregen. Bepaalde houtsoorten produceren mooiere vonken dan andere. Vochtig of veel harshoudend hout en vooral ook bamboe dat in het vuur wordt geworpen, knettert en knalt behoorlijk hard.

Ook verschillende soorten aarde die in het vuur worden geworpen, geven kleurveranderingen, zoals koperhoudende aarde voor de kleur blauw-groen, natriumhoudende voor geel-oranje en calciumhoudende voor oranje-rood.
Uit de oertijd moeten ook zeker de rituelen zijn ontstaan om met vuur niet alleen wilde beesten te verdrijven, maar vooral ook alle boze geesten te verjagen. Toen het christendom zich in Europa verspreidde, werden de van oorsprong heidense vuurrituelen met name door het katholieke Zuid-Europa tot op heden behouden. Bekend zijn de grote zomerse vuurwerkfestivals in Duitsland, Frankrijk maar vooral natuurlijk Italië, Malta en Spanje.

De uitvinding van het buskruit wordt dus toegeschreven aan de Chinezen. Ze konden al voor onze jaartelling brandstichtende kruitachtige mengsels bereiden. De pyrotechnische stoffen werden door het ontbreken van de juiste samenstelling echter nog niet als buskruit beschouwd, maar als proto-buskruit gezien.

vuurwerk pyrotechniek


De kennis werd grotendeels doorgegeven door Taoïstische monniken. Zo beschrijft de Taoïstische monnik Ko Hung (265-317 n. Chr.) een mengsel, bestaande uit steenzout (ongezuiverd salpeter), zwavel en azijn. Het is waarschijnlijk één van de eerste experimenten met salpeterachtige zouten.
De eerste vermelding van salpeter vindt men in de Ji Ni Zi in de 4de eeuw. Op het einde van de 5de eeuw werd salpeter geïdentificeerd.

Het woord salpeter komt van de Latijnse woorden sal (zout) en petrae (stenen), zout van steen, omdat het zout oorspronkelijk van de stenen rondom mestvaalten geschraapt werd. Ook is salpeter te vinden als mineraal in grotten en steengroeven. Vroeger zal de salpeter voornamelijk uit kalksalpeter hebben bestaan, calciumnitraat, mogelijk vermengd met ammonsalpeter, ammoniumnitraat en natronsalpeter, natriumnitraat.

Om deze salpetersoorten om te zetten tot bruikbaar salpeter, kalisalpeter of kaliumnitraat, moet deze chemisch worden gevormd door het bijmengen van potas, as overblijfsel na houtverbranding en dat voornamelijk uit kaliumcarbonaat bestaat. Door ionenwisseling ontstaat het kaliumzout. Kalium heet daarom ook wel potassium (vooral in Engelstalige landen). Van deze zouten is kalisalpeter het minst hygroscopisch (wateraantrekkend), waardoor de eigenschappen van het buskruit aanzienlijk verbeterde.

In zijn Ben Cao Jing Ji Zhu (492 n. Chr.) schreef Tao Hongjing dat er een blauw purperen vlam ontstond als men salpeter in brand stak. Salpeter moest echter gezuiverd worden want anders was het onbruikbaar in buskruitmengsels. De salpeter werd verzameld en opgelost in potten met water. Daarna werd het water gekookt en na de indamping en uitkristallisatie werden de onzuivere elementen weggenomen uit de moederloog. De salpeter dat overbleef werd van de andere zouten gescheiden door het in andere potten weer te laten uitkoken en te herkristalliseren. Daarna volgden er nog vele kristallisatieprocessen. De methode van verzameling en zuivering van salpeter ontwikkelde zich vanaf de 6de eeuw n. Chr. 

Van groot belang was ook de kwaliteit van het gebruikte houtskool. Niet elke boom- of plantensoort is geschikt. De beste houtskool voor hogere gasproductie in buskruit is van de zachtere houtsoorten, zoals van de linde. In Japan zweren ze bij houtskool van de hennep plant. Voor vonken is houtskool van de pijnboom meer geschikt (waaruit barbeque houtskool als mengsel grotendeels bestaat). 

De geschiedenis van het vuurwerk (II)

De geschiedenis van het vuurwerk (II) 

Het buskruit werd ongetwijfeld onbewust door alchemisten (her-)uitgevonden. Dankzij hun vele experimenten en hun drang naar kennis op zoek naar het onsterfelijkheidelixir en de formule om onedele metalen zoals lood om te zetten in goud en zilver, ontdekten zij veel nieuwe chemische elementen en verbindingen die zeer nuttige grondstoffen vormden. Waarschijnlijk gebruikten ze chemicaliën die analoog waren met de bestanddelen van buskruit om een bepaalde chemische substantie te veranderen.

De heruitvinding van het buskruit in Europa wordt toegeschreven aan wederom twee monniken, de Duitse Franciscaner monnik Berthold Schwartz (1313?) en in Engeland aan de monnik George Bacon (1214) die in de alchemie experimenteerden.
Voor zover het een uitvinding betreft, is vooral van groot belang de militaire toepassingen geweest, als aandrijfmiddel in kanonachtige wapens om projectielen te verschieten.

In Frankrijk was de laatste beroemde alchemist Antoine Laurent Lavoisier (Parijs,1743 – 1794), ook wel de vader van de moderne scheikunde genoemd, die zich tevens namens de Franse koning met de productie van buskruit in de maalmolens van Essone bezig hield.
Lavoisier leidde E. I. du Pont de Nemours op (klik hier), die later buskruit zou gaan maken in de V.S. en daar de grootste fabrikant van DuPont explosieven zou worden. Lavoisier zelf stierf helaas tijdens de Franse Revolutie op de guillotine, als royalist en belastingpenning inner des Konings.

Pyrotechnics Vuurwerk Feuerwerk Feu Artifice IPA


Ook de beroemde Franse chemicus en natuurkundige Louis Joseph Gay-Lussac (1778 – Parijs, 1850) was met de productie van salpeter bezig. Hij ontwikkelde een methode door middel van rottende stapels stalmest en urine, vermengd met bouw- en steenresten, slachtafval, e.d. en afgedekt met stro. Het mengsel van organisch en anorganisch afval bleef in stapels van 1,5 meter hoog (Gay-aarde of Gay-gronden genaamd) een jaar rotten, waarna het materiaal met heet water werd behandeld, met potas werd vermengd en vervolgens uitgekookt. Na herkristallisatie ontstond redelijk zuiver kalisalpeter.

De geheimen van het vuurwerk zijn waarschijnlijk eerder per boot via de zeeroute vanaf China en India naar het Midden-Oosten (Egypte) gereisd, waarna Italië, Frankrijk en Duitsland tot in het hogere noorden werd bereikt. Aan het hof van de rijke adel, de koningshuizen van Frankrijk (Versailles) en Engeland (Tudor, Windsor), werden grote vuurwerkspektakels vertoond. Alchemisten kenden de geheimen van het kunstvuurwerk.

De ons bekende  Cornelis Drebbel (Alkmaar 1572 - Londen 1633), was een Nederlandse alchemist, ontdekker en uitvinder op tal van terreinen.
In Engeland verzorgde hij voor de Prins van Wales de Koninklijke vuurwerken en werd hij tevens bekend door het gebruik van het zogenaamde ´fulminerend goud', zowel voor 'lust ende vermaeck' als voor militaire marinetoepassingen zoals in expeditie tegen La Rochelle in 1628. Hij kan tot de eerste beroemde pyrotechnici worden gerekend.

Kleurlicht gevende elementen waren al ontdekt. In de tweede helft van de 19e eeuw speelde een ware chemische revolutie: cordiet in plaats van buskruit (klik hier). Het eeuwenlang gebruikte buskruit werd voor militaire doeleinden, de wegen- en mijnbouw vervangen door de veel efficienter werkende organische nitraten als cellulosenitraat (nitrocellulose) en glyceroltrinitraat (nitroglycerine). Alhoewel Alfred Nobel niet de eerste was die nitroglycerine synthetiseerde (dat was Sobrero), was hij wel de eerste die de uitvinding van het goed bruikbare dynamiet ontwikkelde en er een fortuin mee maakte. 
Cellulosenitraat wordt met microsterren gebruikt als kruit in ijsfonteintjes of verkocht als flitswatten (schertsartikelen) en flashpaper voor goochelaars.

Voor kleurenrook was de ontwikkeling en productie van anilinekleurstoffen in het vooroorlogse Duitsland van belang. In Duitsland werd ook het chemische stikstofbindingsproces (Haber-Bosch) ontwikkeld voor de synthese van salpeterzuur door oxidatie van ammoniakgas, van belang voor zowel de productie van explosieven als die van kunstmest. Salpeterzuur en nitraten konden vanaf nu synthetisch op grote schaal worden bereid. 

Nog veel later werd het publiek via drogisten en apothekers bekend met vuurwerk, o.a. Loeff in Den Haag zo rond de vorige eeuwwisseling, en die gewend waren te mengen en te roeren met chemicaliën. De eerste kunstvuurwerkfabrieken waren van Ruijsch in Utrecht, Kat in Leiden en Schuurmans in Leeuwarden, die Italiaanse fabricagemethoden introduceerden. Via Kat kwam Van der Nat in Steenwijk. Alleen Schuurmans is daar nog van overgebleven.

Na de 2e W.O. werd het voor publiek een gewoonte rotjes, fonteinen en vuurpijlen af te steken, die toen nog op buskruit waren gebaseerd. Rond de jaren '60 kwam de import vanuit China op gang. Het door de Chinezen gebruikte buskruit was duidelijk sterk inferieur. Later werd steeds vaker het nitraat (deels) vervangen door chloraat en perchloraat en nieuwe brandstoffen geïntroduceerd zoals aluminium, magnesium en titaan, dat goedkoop beschikbaar kwam door de ontwikkelingen in de lucht- en ruimtevaart. Ook katalysatoren spelen een belangrijke rol, die chemische reactie's bij een lagere temperatuur laten verlopen.

Duitsland is tradioneel sterk in de chemisch technologische sector, naast Frankrijk. Vuurwerk uit Duitsland, Frankrijk, Spanje en vooral ook Italië staat als van hoge kwaliteit bekend.
Uit Duitsland en Frankrijk komen nog altijd kwalitatief de beste grondstoffen, waaronder Duits fijn pyro aluminium voor de productie van flash kruit (ook wel wit, flits of aluminium-kruit genaamd), dat buskruit vaak vervangt als explosief in rotjes, met kaliumperchloraat als oxidator in de verhouding 30:70.

Van dit aluminiumkruit is veel minder nodig voor een hardere knal, maar het is verhoudingsgewijs wel duurder dan buskruit. Ook vraagt het een minder sterke opsluiting in de huls en dus veel minder papier. Het verschil in de kruitsoorten zit met name in de hoge temperatuur en verbrandingssnelheid, waarbij het aluminiumkruit in tegenstelling tot buskruit, de mogelijkeid heeft een (lage) detonatiesnelheid te bereiken.

In Nederland is voor consumentenvuurwerk het gebruik van aluminiumhoudend kruit als knalsas wettelijk verboden en mag alleen buskruit worden gebruikt. Buskruit is echter als drijf- of breeklading aanzienlijk sterker te maken door een kleine toevoeging van microfijn pyro aluminium.
 
In feite is de regel typisch Nederlandse hypocrisie: in tal van (deel-)vuurwerkproducten is aluminium-kruit niet meer weg te denken en in de kleine babyvuurpijltjes is het als knalsas ook aanwezig.
Met buskruit alleen zou het niet goed functioneren.

Hardnekkige bakerpraatjes en andere loze nitraatklappers.

pyrotechniek vuurwerkEr zijn mensen die te makkelijk anderen napraten zonder zelf na te denken en zo komt een hoop onzin in de wereld die moeilijk is uit te roeien. Goede boeken worden vaak niet meer gelezen of niet begrepen en alles wordt van het internet gehaald. De Nederlandse Wikipedia bijvoorbeeld levert ronduit slechte informatie vergeleken met de Engelstalige versie, die vele malen beter is. Dat heeft met het kleine taalgebied te maken maar vooral ook met de eigenwijze nitwits die de regie voeren en wetenschappelijke kennis niet toelaten of te moeilijk vinden.

Dat het begrip 'nitraat' op een type hard knallend rotje zou zijn gebaseerd, moet naar het rijk der fabelen worden verwezen. Nitraat (NO3) verwijst naar het anorganische salpeter zout zoals kaliumnitraat, bariumnitraat of strontiumnitraat.  Als organische verbinding duidt het vaak op genitreerde brandbaar explosieve stoffen die behalve het cellulosenitraat meestal niet in de civiele pyrotechniek worden toegepast (nitraat niet te verwarren met de nitro-groep NO2)..

Ook mensen die in de vuurwerkhandel zitten, hebben vaak geen enkel idee wat voor spullen ze verkopen. Het is raar maar waar. De importeur van de desbetreffende Chinese 'nitraatklapper' is een leek op chemisch pyrotechnisch gebied en heeft bij het horen van de voor hem onbekende term 'nitraat' deze aanduiding gebruikt voor een nieuw importproduct. Nitraat-houdend kruit heeft meestal betrekking op het tamme buskruit of een afgeleide en is geen tovermiddel.

Zo zijn tal van termen en vage naamsaanduidingen vaak gewoon fantasienamen van dezelfde bron, gebaseerd op een volstrekt gebrek aan kennis. Er zijn ook veel sterkere oxidatoren dan nitraat. Katalysatoren zijn verder van groot belang, de mate van opsluiting, maar vooral ook het type brandstof, de deeltjesgrootte daarvan voor de reactiesnelheid en uiteindelijk dus de totale hoeveelheid af te geven energie per tijdseenheid.

Een ander begrip die veel onkunde verraadt, is de zogenaamde "lawinepijl'. Er bestaat geen lawinepijl, net als dat er geen koud vuur bij sterretjes bestaat. Een vuurpijl dus die niet gebruikt wordt voor het opwekken van lawines. Daarvoor is de druklading en de reikwijdte veel te gering. Zowel de zogenaamde 'nitraat-rotjes' als de 'lawinepijlen' bevatten als knallading wel aluminiumkruit maar daar is dan ook verder alles mee gezegd.

Chinezen variëren aanmerkelijk met de samenstelling en mindere kwaliteit van deze kruitsoorten. In plaats van de redelijk stabiele combinatie (pyro)aluminium en perchloraat te gebruiken, verwerkt men een goedkope en slechte kwaliteit aluminium, of de aluminium-magnesiumlegering magnalium. Het duurdere perchloraat laat men helemaal achterwege.
Pyro-aluminium is bijna zwart van kleur, de goedkopere soorten hebben een duidelijke korrel of vlokvorm en zijn lichtgrijs tot zilverkleurig, evenals het magnalium. Dit wordt vervolgens gecombineerd met chloraat en zwavel of een mengsel van zwavel, chloraat en bariumnitraat. Beide mengsels zijn, zonder verdere toevoegingen, chemisch instabiel, hetgeen kan leiden tot ongecontroleerde vroegtijdige (spontane) ontbranding.

Vanwege de mindere betrouwbaarheid en de risico's zijn deze samenstellingen in Engeland al bijna een eeuw officieel verboden bij de pyrotechnische industrie (alleen voor lucifers is een uitzondering gemaakt). Veel ongelukken zijn terug te voeren op het gebruik. De import uit China is bepaald niet vrijgewaard en wordt daarop weinig gecontroleerd.