heksogen

Utgangsstoffet for fremstilling av RDX er heksametylentetramin (heksamin), et fast stoff som lages fra formaldehyd og ammoniakk gjennom avspalting av vann. Når heksamin settes til vannfri salpetersyre, enten alene eller i kombinasjon med andre reagenser, dannes RDX gjennom en komplisert sekvens av kjemiske reaksjoner, såkalt nitrolyse.

Man skiller mellom to ulike prosesser for fremstilling av RDX gjennom nitrolyse av heksamin. I den ene brukes kun salpetersyre, mens den andre bruker salpetersyre i kombinasjon med andre reagenser, hvor eddiksyreanhydrid er det sentrale reagens.

I salpetersyreprosessen fås RDX gjennom behandling av heksamin med et betydelig overskudd av vannfri salpetersyre under kjøling. Reaksjonsblandingen fortynnes deretter med vann ved 70–80 °C. Krystaller av RDX feller ut, samtidig med at ustabile biprodukter raskt brytes ned i den varme løsningen. Dette gir kraftig utvikling av nitrogenoksider.

Både den fortynnede salpetersyren og nitrogenoksidgassene resirkuleres tilbake til ny salpetersyre, noe som krever et betydelig anlegg for gjenvinning og produksjon av salpetersyre, plassert på samme område som RDX-produksjonen.

Av historiske årsaker kaller man gjerne salpetersyreprosessen for Woolwich-prosessen, oppkalt etter institusjonen i Storbritannia (Royal Arsenal, Woolwich) der prosessen ble utviklet i løpet av 1930-årene og den påfølgende verdenskrigen.

I anhydridprosessen fås RDX gjennom kombinasjon av tre væskestrømmer av reagenser. Den første består av en oppløsning av heksamin i vannfri eddiksyre, den andre av en oppløsning av ammoniumnitrat i vannfri salpetersyre og den tredje av eddiksyreanhydrid. De tre væskestrømmene blandes i en reaktor ved 65–75 °C, noe som raskt gir dannelse av RDX.

Etter reaksjonen fortynnes blandingen med vann. Ustabile biprodukter brytes deretter ned gjennom en separat varmebehandling («simmerprosess»). RDX-krystaller isoleres ved filtrering, og den gjenværende restvæsken behandles videre for å gi ren eddiksyre. Den kan enten brukes til å produsere ny eddiksyreanhydrid eller selges som et eget produkt.

En viktig egenskap med anhydridprosessen er at den også kan brukes til fremstilling av HMX ved å endre reaksjonsforholdene, justere på mengdene av reagenser og tilpasse prosessen. Det er ikke mulig å produsere HMX ved hjelp av salpetersyreprosessen.

Av historiske årsaker kaller man gjerne anhydridprosessen for Bachmann-prosessen, oppkalt etter den amerikanske kjemikeren som utviklet prosessen under andre verdenskrig.

Etter syntesen må råproduktet av RDX renses og stabiliseres. Dette gjøres nå nesten utelukkende gjennom såkalt omkrystallisering, det vil si oppløsning av stoffet ved oppvarming i et organisk løsemiddel, etterfulgt av utfelling av RDX-krystaller ved nedkjøling eller avdampning av løsemiddel.

RDX er et sprengstoff med høy tetthet og høyt detonasjonstrykk. Ved sin maksimale krystalltetthet på like over 1,81 g/cm³ kan stoffet detonere med en hastighet på om lag 8800 meter per sekund og utvikle et detonasjonstrykk på omtrent 34 GPa. Blant sprengstoffer som lages på industriell målestokk, er det kun HMX som har høyere ytelse enn RDX.

RDX er et forholdsvis følsomt sprengstoff. I ren form må det derfor transporteres som vannfuktet materiale, og for praktisk bruk må det alltid blandes med andre stoffer for å nedsette følsomheten. Fordi RDX er lite løselig i andre stoffer, vil RDX-sprengstoffer typisk foreligge som et komposittmateriale der korn av RDX er blandet inn i andre stoffer.

Blant RDX-sprengstoffene kan man skille mellom tre ulike typer:

• Pressbare sprengstoffer: Disse består av korn av RDX med en hinne av voks eller polymerer. Sprengstoffene kan presses inn i våpensystemer ved bruk av hydrauliske presser (ved eller over romtemperatur). En undergruppe av slike sprengstoffer er såkalte plastiske sprengstoffer. Disse minner om modelleringsleire og kan enkelt formes for hånd.
• Smeltestøpbare sprengstoffer: Disse består av korn av RDX rørt inn i et annet sprengstoff med lavt smeltepunkt, gjerne TNT eller en termoplastisk voks eller polymer. Slike sprengstoffer kan enkelt smeltestøpes (smeltes ned, fylles inn i våpensystemer og deretter størkne).
• Støpherdbare sprengstoffer: Disse består av korn av RDX rørt inn i en flytende herdeplast bestående av polymerer, herdestoffer, herdekatalysatorer og ulike tilsatsstoffer. Dette gir en deigaktig masse som kan fylles inn i våpensystemer og deretter størknes gjennom en herdeprosess av kjemiske reaksjoner (ved eller over romtemperatur).

Generelt kan man si at pressbare sprengstoffer er anvendelige for mindre våpentyper, slik som stridshoder til bærbare (skulderfyrte) rakettvåpen. Smeltestøpbare sprengstoffer er viktige for større artillerivåpen og flybomber som enkelt skal masseproduseres. Støpherdbare sprengstoffer brukes mye i stridshoder til større missiler og ulike flybomber.

Det finnes mange RDX-sprengstoffer for militære formål. Ifølge et eldre klassifiseringssystem inndeles noen av de vanligste militære komposisjonene med innhold av RDX på følgende måte:

• Composition A: Pressbart sprengstoff med 91 prosent RDX og 9 prosent voks.
• Composition B: Smeltestøpbart sprengstoff med 59,5 prosent RDX, 39,5 prosent TNT og 1 prosent voks.
• Composition C: Plastisk sprengstoff med 88,3 prosent RDX og 11,7 prosent voks/olje/lecitin.

Composition A har vært mye brukt i sprengstoffylt ammunisjon, for eksempel til luftvernkanoner. Under andre verdenskrig ble det utviklet modifikasjoner av sprengstoffet, kalt Composition A-2 og Composition A-3. Senere er det blitt utviklet ytterligere modifikasjoner (A-4, A-5 og A-6). Flere av disse er fortsatt i bruk.

Composition B har tradisjonelt vært det viktigste av RDX-sprengstoffene, spesielt for sprenggranater, tidligere også for flybomber. Blandinger av RDX og TNT i andre forhold enn de som brukes i Composition B kalles gjerne for heksotol.

Composition C, kalt PE-2 i Storbritannia, var et plastisk sprengstoff som var praktisk som påleggsladning i sabotasjeaksjoner og rivningsarbeider. Under andre verdenskrig ble det i USA utviklet modifikasjoner av dette sprengstoffet, kalt Composition C-2 og Composition C-3.

I starten av 1950-årene ble Composition C-4 innført i USA. Dette er et plastisk sprengstoff basert på 91,0 prosent RDX, 2,1 prosent polyisobutylen, 5,3 prosent dioktylsebacat og 1,6 prosent motorolje. Dette sprengstoffet er fortsatt mye brukt og er blitt svært kjent. Det har til og med funnet veien inn i deler av populærkulturen, litt på samme måte som som dynamitt og TNT.

Til undersjøisk bruk i torpedoer og sjøminer, senere også for bruk i enkelte større flybomber og missilstridshoder, har det blitt utviklet smeltestøpbare komposisjoner der RDX og TNT kombineres med finfordelt aluminium:

• Torpex (torpedo explosive): 42 prosent RDX, 40 prosent TNT og 18 prosent aluminium.
• DBX (depth bomb explosive): 21 prosent RDX, 40 prosent TNT, 21 prosent ammoniumnitrat og 18 prosent aluminium.
• HBX-1 (high blast explosive): 40 prosent RDX, 38 prosent TNT, 17 prosent aluminium og 5 prosent spesialvoks.
• H-6: 45 prosent RDX, 30 prosent TNT, 20 prosent aluminium og 5 prosent spesialvoks.

Blandinger av RDX og aluminium, stabilisert med voks, kalles heksal. Disse sprengstoffene har vært viktige for mange typer sprengstoffylt ammunisjon, spesielt for luftvern.

RDX er en sentral bestanddel i flere utgaver av en militær sprengstofftype som refereres til som PBX (polymer-bonded explosive). Noen av de mest kjente er:

• PBXN-10: Pressbart sprengstoff med 94 prosent RDX og 6 prosent bindemiddel basert på akrylater.

• PBXN-105: Avansert støpherdbart sprengstoff for bruk i torpedoer som inneholder blant annet RDX, ammoniumperklorat (AP), aluminium og energetisk mykner.

• PBXN-107: Støpherdbart sprengstoff med 86 prosent RDX og 14 prosent bindemiddel hovedsakelig basert på akrylater. Brukes i stridshodet til Tomahawk, et amerikansk kryssermissil.

• PBX(AF)-108: Støpherdbart sprengstoff med 82 prosent RDX og 18 prosent bindemiddel basert på polyglykoler og isocyanatherdere.

• PBXN-109: Støpherdbart sprengstoff med 64 prosent RDX, 20 prosent aluminium og 16 prosent bindemiddel basert på hydroksylterminert polybutadien (HTPB). Svært mye brukt til stridshoder og flybomber. En av de mest brukte av alle RDX-komposisjoner.

• PBXN-111: Støpherdbart sprengstoff med 20 prosent RDX, 43 prosent AP, 25 prosent aluminium og 12 prosent bindemiddel basert på HTPB. Brukes i undersjøiske våpen som torpedoer.

• AFX-757: Støpherdbart sprengstoff med 25 prosent RDX, 30 prosent AP, 33 prosent aluminium og 12 prosent bindemiddel basert på HTPB. Brukes i enkelte typer flybomber (såkalte bunker busters).

Foruten militære sprengstoffer, som skal detonere, har RDX også helt sentrale anvendelser i militære krutt som skal deflagrere og på denne måten utvikle skyvkraft i rakettmotorer som bruker fast rakettdrivstoff, såkalte faststoffmotorer. I enkelte missilsystemer brukes derfor RDX både i stridshodet og i fremdriftsenheten (rakettmotoren).

RDX brukes mye i en røyksvak type fast rakettdrivstoff kalt XLDB (crosslinked double-base). Disse er viktige for taktiske missilsystemer som TOW, Javelin og Hellfire. Omsetning av RDX i en rakettmotor gir nemlig kun fargeløse avgasser – i motsetning til bruk av ammoniumperklorat, som gir utvikling av hydrogenklorid og påfølgende dannelse av kondensasjonsstriper i luften.

RDX har en rekke sivile anvendelser, og for disse bruksområdene konkurrerer RDX ofte med pentritt (PETN). Disse to sprengstoffene har likheter, men RDX er noe mindre følsomt. RDX er også kjemisk og termisk mer stabilt. Pentritt er derimot billigere å produsere.

I sivil sammenheng brukes RDX i sprenghetter og i enkelte forsterkerladninger for sprengstoffer basert på ammoniumnitrat. Det brukes også i detonerende lunter for spesielt krevende forhold (høyt trykk og høye temperaturer), blant annet innenfor petroleumsindustrien.

I hulladninger for brønnkomplettering innen petroleumsutvinning, såkalte perforatorladninger, er RDX mye brukt på grunn av sin temperaturbestandighet. For slik bruk, se artikkel om hulladninger.

Som hovedingrediens i det plastiske sprengstoffet C-4 har RDX anvendelse innen blant annet rivningsarbeider (demolering) og filmeffekter. Enkelte systemer for oppblåsing av kollisjonsputer i biler – der varme gasser fra en kruttkomposisjon brukes for å varme opp og supplere en strøm av inert gass fra en trykksatt beholder – kan inneholde RDX.

RDX ble laget for første gang i 1898 av den tyske kjemikeren og farmasøyten Georg Friedrich Henning (1863–1945). Han refererte til stoffet som «nitroforbindelsen fra heksamin». Henning var primært interessert i legemidler, men han hadde tidligere jobbet med sprengstoffer på et tysk militært forskningsinstitutt, så han var derfor godt kjent med nitreringsreaksjoner.

Henning klarte ikke å klarlegge den kjemiske strukturen til stoffet han hadde laget. Han kom imidlertid frem til sumformelen C₃H₆N₆O₆ gjennom forbrenningsanalyse. Henning beskrev også de eksplosive egenskapene til forbindelsen og tok ut et tysk patent på stoffet.

Under første verdenskrig undersøkte sprengstoffeksperten Heinrich Brunswig (1865–1946) og kollegaer ved et tysk forskningsinstitutt stoffet Henning hadde oppdaget nærmere. Det ble nå omtalt under navnet «nitroforbindelsen C₃N₆H₆O₆». Tyskerne identifiserte materialet som et utmerket sprengstoff, men det ble ikke tatt i bruk under denne krigen fordi det var for kostbart.

I 1919 tok den østerrikske sprengstoffeksperten Edmund von Herz (1891–1964) ut et patent der han beskrev den samme forbindelsen som Henning hadde oppdaget i 1898, uten å være klar over dette. Han identifiserte stoffet som syklotrimetylentrinitramin for første gang, men strukturforslaget hans ble ikke allment akseptert før så sent som i 1940-årene.

I starten av 1920-årene ble sprengstoffet til Henning og von Herz kjent i Tyskland som hexogen, noe som har gjort at det i Norge senere ble kjent under navnet heksogen. I USA fikk stoffet på samme tid navnet cyclonite, et navn som fortsatt i noen grad brukes. Ved Picatinny Arsenal i New Jersey hadde kjemikeren George Clyde Hale (1891–1948) arbeidet med fremstilling av RDX. Han publiserte en innflytelsesrik tidsskriftartikkel om dette arbeidet i 1925.

Inntil videre fikk ikke det nye sprengstoffet noen praktiske anvendelser, først og fremst fordi det var kostbart. Utgangsstoffet heksamin lages fra formaldehyd, et stoff som igjen lages fra metanol. Metanol ble tidligere laget i uren form ved tørrdestillasjon av tre og var forholdsvis dyrt. Billig, syntetisk metanol laget fra syntesegass ble ikke tilgjengelig i store mengder før i 1920-årene.

Tilgjengeligheten av metanol økte utover i 1920-årene, og da økte også interessen for sprengstoffet laget fra heksamin. Utenfor Tyskland var det spesielt i Storbritannia og Italia at det ble arbeidet med stoffet. I Italia ble det omtalt som T4, og den første fabrikken i verden for regulær produksjon av RDX ble bygget i 1930-årene ved dynamittfabrikken i Avigliana nær Torino.

Ved en stor kruttfabrikk i Rottweil i Sør-Tyskland arbeidet kjemikeren Max Eble (1879–1939) i 1926–1927 med bruk av stoffet i ammunisjonskrutt. Eble kalte det «nitroforbindelsen C₃H₆N₆O₆». I 1934 patenterte han så en helt ny prosess for produksjon av stoffet ved hjelp av paraformaldehyd, ammoniumnitrat og eddiksyreanhydrid under oppvarming. Metoden fikk navnet Eble-prosessen.

Mens arbeidet med sprengstoffet nå skjøt fart i Nazi-Tyskland, ble det i Storbritannia i tidsperioden frem mot utbruddet av andre verdenskrig utviklet en metode kalt Woolwich-prosessen for produksjon av stoffet (omtalt som salpetersyreprosessen over), ved Woolwich Arsenal i London. I tillegg ble bokstavkoden RDX, for Research Department Explosive, innført av sikkerhetsgrunner.

I Tyskland utviklet kjemikeren Walther Julius Schnurr (1904–1982) i 1937–1938 en egen variant av salpetersyreprosessen, kalt Schnurr-Henning-prosessen. Dette arbeidet hadde sprunget ut av arbeid med RDX ved industrikonsernet Hoechst, der kjemikeren Arthur Wolfram i 1934–1935 hadde utviklet en prosess for produksjon av RDX fra kaliumsulfamat, kalt Wolfram-prosessen.

I oppløpet til andre verdenskrig ble industriell produksjon av RDX tatt opp i Storbritannia og Tyskland. Mens all RDX i førstnevnte land ble laget gjennom Woolwich-prosessen, ble RDX i Tyskland laget ved bruk av alle de tilgjengelige prosessene. Wolfram-prosessen, Eble-prosessen og Schnurr-Henning-prosessen er allerede nevnt. De ble alle tatt i bruk på industriell skala.

I 1938 hadde kjemikeren Georg Knöffler (1889–1945) ved det tyske sprengstoffselskapet WASAG utviklet ytterligere en prosess for fremstilling av RDX, en videreutvikling av Schnurr-Henning-prosessen, kalt Knöffler-prosessen. Sammen med kjemikollegaen Alfons Apel kombinerte han i 1943 denne prosessen med Eble-prosessen for å gi enda en metode, kalt Knöffler-Apel-prosessen. I Tyskland ble det under krigen på det meste produsert opp til 3500 tonn RDX i måneden.

I Canada hadde man fra britisk etterretning i starten av andre verdenskrig fått vite at tyskerne lagde RDX ved hjelp av en kjemisk metode som blant annet involverte eddiksyreanhydrid. Kjemikeren Otto Maass (1890–1961), leder av kjemiinstituttet ved McGill University i Montreal, organiserte deretter sine kollegaer i et forsøk på å finne nye produksjonsmetoder for RDX.

På grunnlag av den britiske etterretningsinformasjonen gjenoppdaget kjemiprofessoren James Hamilton Ross (1895–1976) og hans amerikanske student Robert Walter Schiessler (1918–2008) den tyske Eble-prosessen ved McGill i oktober 1940. Metoden ble kjent i Canada og USA som Ross-Schiessler-prosessen eller McGill-prosessen.

Sommeren 1940 organiserte amerikanerne et storstilt forsknings- og utviklingsprogram innen forsvarsteknologi kalt National Defense Research Committee (NDRC), ledet av Vannevar Bush. Arbeidene innen kjemi var ledet av Harvard-president James Bryant Conant. Høsten 1940 satte Conant i gang omfattende forskningsaktiviteter innen sprengstoffer på amerikanske universiteter.

Oppdraget med å utvikle nye syntesemetoder for RDX ble lagt til kjemiprofessoren Werner Emmanuel Bachmann (1901–1951) og hans student John Clark Sheehan (1915–1992) ved University of Michigan. Ved hjelp av kunnskap om Ross-Schiessler-prosessen, utviklet de våren 1941 en metode for fremstilling av RDX ved hjelp av heksamin, salpetersyre, ammoniumnitrat og eddiksyreanhydrid.

Den nye metoden ble kjent som Bachmann-prosessen. Den ble videreutviklet i løpet av sommeren 1941 av kjemiprofessoren George F Wright (1904–1976) og hans student Douglas Crawford Downing (1918–2018) ved University of Toronto i Canada. Dette gav prosessen den formen som er beskrevet over (anhydridprosessen), ved bruk av reagenser i væskefase, noe som var praktisk.

Bachmann-prosessen for fremstilling av RDX ble ytterligere forfinet og deretter kommersialisert gjennom et samarbeid mellom NDRC og selskapet Tennessee Eastman Corporation (TEC), et datterselskap av Eastman Kodak Company. TEC var en stor produsent av eddiksyreanhydrid gjennom sin fremstilling av celluloseacetat til bruk i fotografisk film.

Basert på teknologi fra NDRC og TEC, samt finansiering fra det amerikanske forsvaret, ble det bygget en enorm RDX-fabrikk like ved TEC sitt anlegg i byen Kingsport i delstaten Tennessee. Anlegget ble kjent som Holston Ordnance Works. Dette er fortsatt verdens største fabrikk for fremstilling av RDX. Anlegget har vært kjent som Holston Army Ammunition Plant siden 1963.

Holston-fabrikken ble bygget fra juni 1942 til mai 1943. Under krigen ble det her på det meste laget hele 12 500 tonn RDX i måneden, så godt som alt av dette til bruk i Composition B. Denne mengden var langt større enn summen av all annen RDX-produksjon i hele verden på samme tid.

Parallelt med utviklingen av Bachmann-prosessen hadde selskapet DuPont satt i gang med oppføringen av en stor RDX-fabrikk på grunnlag av den britiske Woolwich-prosessen, noe som var blitt mulig på grunn av teknologioverføring fra britene. Den nye fabrikken ble lagt til delstaten Indiana og var kjent som Wabash River Ordnance Works.

Mobiliseringen av akademiske, industrielle og militære ressurser i USA under andre verdenskrig i forbindelse med utvikling og masseproduksjon av RDX er en av de mest omfattende som er foretatt innenfor kjemisk teknologi.

Etter andre verdenskrig ble det meste av RDX-fabrikken i Holston satt i stillstand, men både i løpet av Koreakrigen og Vietnamkrigen ble produksjonen utvidet. Fra slutten av 1970-årene og frem til ganske nylig har RDX-produksjonen ved Holston imidlertid vært ganske redusert. Anlegget er nå drevet på kontraktbasis av et amerikansk datterselskap av britiske BAE systems.

Det er i dag svært få gjenværende RDX-produsenter i Amerika og Europa. Holston-fabrikken er den eneste i Nord-Amerika. En RDX-fabrikk eid av det statlige brasilianske selskapet Indústria de Material Bélico do Brasil (IMBEL) er den eneste i Latin-Amerika.

I Vest-Europa lages RDX ved hjelp av salpetersyreprosessen i et anlegg eid av selskapet Eurenco ved byen Sorgues i Sør-Frankrike. Firmaet Eurenco Bofors ved Karlskoga i Sverige produserer RDX ved hjelp av anhydridprosessen, en metode som også er anvendelig for HMX. Norge og Sverige er derfor av svært få land som har produksjonsanlegg som er i stand til å lage både RDX og HMX.

I motsetning til de fleste andre sprengstoffer, har RDX historisk sett ikke vært årsak til større industriulykker. Et unntak er togulykken 4. juni 1988 utenfor byen Arzamas i Sovjetunionen. Et godstog på vei fra industribyen Dzerzjinsk, lastet med flere titalls tonn RDX og HMX, eksploderte etter branntilløp. Eksplosjonen tok livet av 91 mennesker og skadet mer enn tusen andre.

Den første produksjonen av RDX i Norge fant sted 21. november 1970, som en prøveproduksjon i en fabrikk åpnet av Norsk Sprængstofindustri i 1968 på Engene ved Sætre i Asker (tidligere Hurum) kommune for produksjon av HMX.