EP1164116A1 - Verfahren zur Herstellung eines funktionalen hochenergetischen Materials - Google Patents
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Classifications
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- C06B21/0083—Treatment of solid structures, e.g. for coating or impregnating with a modifier
Definitions
- the invention relates to a method for producing a functional high-energy Material with a layered grain containing an energy-rich plasticizer and a polymeric desensitizer.
- the invention further relates to such material.
- TLP Propellant powder
- the problem with deploying this required new high performance TLP is now to avoid unwanted side effects, i.e. on the required increased performance level still the full extended system compatibility regarding pipe (erosion, corrosion), weapon (peak gas pressures, cadence) and environment (avoidance to ensure environmentally problematic recipe components). That too should ballistic stability, i.e. the length of time within which the propellant powder filled ammunition can be fired safely and in accordance with requirements conventional propellant powders cannot be reduced.
- it is desirable that the required high-performance TLPs can be manufactured cost-effectively, i.e. starting from easily accessible, inexpensive starting materials and in particular no complex processing (such as rolling processes with multi-base TLP) need.
- the powders have a high kinetic Muzzle energy and a high thermal efficiency.
- the layered structure of the outer skin and the inner zones of the new types Powder has a burning behavior that is largely independent of the temperature of the powder body. This means that within a wide temperature range similarly high muzzle velocities and peak gas pressures result. This has to Consequence that regardless of the ambient temperature at which the ammunition fired a similarly high muzzle energy is available, i.e. the propellant powder behaves largely independent of temperature.
- the functional materials have very high bulk densities.
- the bulk density is a measure of which weight of propellant powder can be accommodated in a certain volume unit and is typically given in the unit g TLP / l. This positive property is of great importance because the shell volume of a given ammunition component is predetermined. The more amount of powder that can be accommodated in this given sleeve volume, the higher the potential that can be converted into kinetic energy. For example, with comparable peak gas pressure, a muzzle energy increased by up to 12% compared to conventional single-base TLP can be achieved.
- the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, which allows the precise adjustment of the layer structure.
- the solution is defined by the features of claim 1.
- the plasticizer and / or the desensitizer in the form of an aqueous emulsion in the absorbent (unimpregnated) grain, i.e. diffused into the so-called green powder.
- the invention is based on the surprising finding that the impregnation
- the functional materials are also produced in an aqueous emulsion can, which also TLP with the desired layer-like structure result.
- the present invention therefore involves the process of impregnating an untreated single-base green powder in aqueous emulsion, as well as the subsequent completion to provide the functional, layered TLP.
- the invention thus differs significantly from the known methods in which Impregnations, by means of which the layer-like distribution of the explosive oil and the Have the desensitizers set specifically, typically in so-called polishing drums be performed.
- highly sensitive explosive oils such as nitroglycerin due to acute safety risks would arise and the production of larger quantities of functional high-energy Materials would complicate, if not make impossible avoided in the method according to the invention.
- the impregnation process can be carried out in a 2-step process or in a 1-step process be performed.
- the green grain is first in one aqueous emulsion treated with the explosive oil. After the exposure is finished the excess emulsion is pumped out.
- the liquid proportions in the reactor can by a Strainer to be drained. Then the powder mass (remaining in the reactor) is combined in one Another process step of an aqueous emulsion containing the polymeric desensitizer exposed. This procedure allows good control of the process parameters.
- the green grain is first of all with a treated aqueous emulsion of the explosive oil. After the exposure time, the remaining emulsion is not separated from the powder, but with the addition of the polymer Phlegmatizers continue to be used. By varying the addition times of the explosive oil or the polymeric desensitizer and the time, the concentration profiles be changed in a targeted manner.
- the 1-step process includes fewer process steps and is therefore more economical.
- auxiliaries stabilizers and / or wetting agents
- auxiliaries suppress foam formation, stabilize the emulsion or can specifically influence the penetration behavior of the active components.
- a large number of energetic plasticizers are known in powder technology. These include, in particular, low-molecular aliphatic nitric acid esters, nitro compounds, nitramines and azides.
- a class of substances which is particularly suitable for this purpose are the so-called 2-nitroxyethyl-nitramaines (alkyl-NENA) with the general structural formula I, where R 1 is an aliphatic radical.
- alkyl-NENA 2-nitroxyethyl-nitramaines
- Another particularly suitable class of substances for this are the so-called dinitro-diazaalkanes of the general formula II, where R 2 and R 3 are aliphatic radicals.
- the present invention also relates to novel functional materials which additionally contain a crystalline energy carrier in the basic matrix made of nitrocellulose.
- crystalline energy sources are known per se. These are, for example, so-called crystalline nitramines of the general formula III.
- the radical R 4 forms part of a ring system and can preferably contain further units of the structure (-CH 2 -N-NO 2 ).
- Particularly preferred compounds of structure III are hexogen IV, octogen V and CL-20 VI.
- the upper limit of the crystalline energy content is such that the maintain mechanical strength of the resulting powder grain even at low temperature remains. In order to ballistically recognize the expected positive effect, the amount should not be less than about 5%.
- These compounds of general structure III or mixtures of these therefore, in amounts between 5-80%, preferably 10-50% of the total powder mass, mixed with the nitrocellulose matrix and are homogeneously distributed in the finished grain.
- the powders pretreated in this way (which functionally correspond to the green powder) then through an impregnation process which corresponds to that described above results in layered grain structure and is also part of the present invention, treated with an energetic plasticizer and a desensitizer.
- the advantage of these layered functional materials is that they are opposite the functional materials that do not contain any crystalline energy in the grain matrix included, have an increased energy content, which thanks to the special Layer structure optimally converted into kinetic energy in a system-compatible manner can be.
- the impregnation process for the production of high-energy functional materials is described below.
- the impregnation process goes from untreated Green powder of any shape, which essentially consists of nitrocellulose with an N content between 11-13.5%.
- the green powder used can optionally be used in powder technology well-known additives for stabilization, pipe protection, softening and flare control contain.
- Known additives which are suitably used are sodium bicarbonate (CAS- #: 144-55-8), calcium carbonate to increase stability (CAS- #: 471-34-1), magnesium oxide (CAS- #: 1309-48-4), Akardit II (CAS- #: 724-18-5), Centralit I (CAS- #: 90-93-7), Centralit II (CAS- #: 611-92-7), 2-nitrodiphenylamine (CAS- #: 836-30-6) and diphenylamine (CAS- #: 122-39-4), for softening about diethyl phthalate (CAS- #: 84-66-2), camphor (CAS- #: 76-22-2), dibutyl phthalate (CAS- #: 84-74-2), Di-n-propyl adipate (CAS- #: 106-19-4) or methylphenyl urethane (CAS- #: 261-79-6), for Tube protection, e.g.
- magnesium oxide (CAS- #: 1303-48-4), molybdenum trioxide (CAS- #: 1313-27-5), Magnesium silicate (CAS- #: 14807-96-6), calcium carbonate (CAS- #: 471-34-1) or Titanium dioxide (CAS- #: 13463-67-7), and for fire suppression about sodium oxalate (CAS- #: 62-76-0), potassium bitarate (CAS- #: 868-14-4), sodium hydrogen carbonate (CAS- #: 144-55-8), Potassium hydrogen carbonate (CAS- #: 298-14-6), sodium oxalate (CAS- #: 62-76-0), potassium sulfate (CAS- #: 7778-80-5) or potassium nitrate (CAS- #: 7757-79-1).
- the green powder other known additives, for example to improve the ignition behavior and Modulation of the burning behavior, included. All of the additives mentioned are during added to the powder dough during green grain production, i.e. they are even in distributed the grain matrix. The total amount of these additives in the green grain is between 0-20% the nitrocellulose, preferably between 5-15%.
- Green powder is typically cylindrical single or multi-hole powder with a ratio of diameter / grain length between 0.5-2.0, preferably 0.9-1.5.
- the outside diameter of the green powder is in the range between 0.5-10 mm, preferably 0.5-5 mm.
- the hole diameter is between 0.03-0.7 mm.
- the green grain can known way by pressing a solvent-containing powder dough in an extruder or obtained by extrusion.
- the manufacturing method according to the invention can be one-stage or two-stage.
- the impregnation process should first be illustrated using the 2-step process:
- the above Green powder described is placed in a metallic reactor vessel, which with Lid inlet valve, bottom outlet valve, mechanical and static flow fittings and connections for vacuum and which is equipped with 1-5 times the amount Water (compared to the amount of powder to be treated) is loaded.
- the powder can first Pre-bathed with stirring for 4-24 hours at a temperature of 20-85 ° C become. Then a solution of the is for a period of 10-60 minutes Explosive oil (approx. 20% dissolved in a suitable solvent) was added, the proportion of the Explosive oil compared to the green grain used is in the range of 3-20%.
- the 1-step process is carried out analogously to the 2-step process described above with the only difference that after the exposure time of the explosive oil solution the liquid portions remain in the reactor and the desensitizing emulsion directly is added.
- the exposure times and the time the pressure drop can reduce the burn-off characteristics of the finished powder be influenced in a targeted manner.
- Suitable explosive oils can be nitroglycerin (CAS- #: 55-63-0) or diethylene glycol dinitrate (Dinitrodiglycol, CAS- #: 693-21-0) can be used. It is a multitude of connections possible, which can be used as suitable desensitizers. On the one hand the affinity with the nitrocellulose must be such that the desensitizer with the appropriate Diffuse solvent as transport medium (carrier) into the powder grain can. On the other hand, no further diffusion is allowed after the removal of the solvent occur, which would lead to a change in the distribution profile. As suitable have organic ether and ester compounds with a molecular weight between 100-100,000, preferably between 1000-10,000.
- a previously unknown novel class of functional energetic materials is obtained by replacing the explosive oils described above with less impact-sensitive (simply put: "insensitive") energetic plasticizers of the general structures I or II.
- these novel functional materials are distinguished by a particularly favorable ratio of Vo / Pmax.
- such functional materials have a favorable ratio of ⁇ Vo gTLP / ⁇ Pmax gTLP , ie the muzzle velocity per gram charge increases compared to the pressure more than with layer-like TLP based on explosive oils.
- these insensitive energetic plasticizers perform compared to conventional ones Blasting oils to lower the explosion heat by 150-200 J / g what a lowering of the flame temperature during the powder burn-up and thus an improvement the pipe life.
- R 1 C 1 -C 4 (methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n-butyl, i-butyl, t-butyl), R 2 / R 3 independently of one another C 1 -C 4 2 (methyl, ethyl).
- Another class of previously unknown functional energetic materials is obtained by adding a crystalline energy source to the green grain described above admits the general formula III.
- the crystalline energy sources can optionally Before incorporation into the powder dough, the size distribution is adjusted by grinding are or if necessary cleaned by recrystallization.
- the production The green grain is used to achieve a homogeneous distribution of the crystalline Energy sources in the matrix by means of known methods such as, for example, by extrusion with the help of static mixers or by processing in twin screw extruders.
- layer-like grain structure is used as propellant bulk powder, especially for medium and Small caliber applications, suitable.
- Example 1 Manufacturing process in aqueous emulsion
- the mixture is then heated to a temperature of 85 ° C and under constant Stir pre-bathed while maintaining the temperature for 15 hours. After that at 80 ° C a mixture containing 12.5 kg nitroglycerin and 0.25 kg 2-nitrodiphenylamine, dissolved in 60 liters of ethanol, added dropwise over a period of 30 minutes. You leave now for 2 1/4 hours with optimal backmix setting (powder bed completely in Treat) and then drip over a period of 15 minutes a suspension containing 1.97 kg of a non-solid, highly viscous at room temperature Average molecular weight polyester of 3000 (which is water soluble and as The desensitizer works in 30 kg of water. Then you leave while stirring Treat for a further 2 hours at a temperature of 80 ° C.
- the moist powder is now spread evenly on coarse-mesh metal sieves and with warm air flowing through at a temperature of 60 ° C for 24 hours dried.
- the TLP is finally polished by polishing approx. 0.3% graphite and, if necessary by treatment with special moderators in the known manner in the polishing drum completed.
- the completed TLP has an explosion heat of 3999 J / g, its bulk density is 1062 g / liter.
- a muzzle velocity of 1438 m / s can be achieved with a sub-caliber arrow projectile of mass 123 g at 21 ° C while observing the weapon-approved maximum gas pressure, which corresponds to a muzzle energy of 1271 J / g TLP .
- Example 2 Manufacturing process in aqueous emulsion
- Example 1 Analogously to Example 1, 200 kg of a 7-hole green powder with an outside diameter of 2.57 mm, 2.94 mm long and an average hole diameter of 0.16 mm from the solid proportions of 1.2% Akardit-ll, 0.2% calcium carbonate, 1.4% potassium sulfate and 97.2% nitrocellulose with a nitrogen content of 13.15%, with 14.4 kg nitroglycerin and Treated 3.3 kg of the same polyester as in Example 1. That after completion The propellant powder obtained as in Example 1 has a bulk density of 1063 g / l at an explosion heat of 3961 J / g.
- a muzzle velocity of 126 g and a charge mass of 44.5 g at 21 ° C can achieve a muzzle velocity of 1063 m / s at a peak gas pressure of 4146 bar (compliance with the weapon-permissible peak gas pressure), which is a kinetic muzzle energy of 1601 J / g TLP and a thermal efficiency of 0.404.
- the resulting propellant powder has a bulk density of 1070 g / l with a heat of explosion of 3799 J / g.
- a muzzle velocity of 908 m / s can be achieved with a bullet with a mass of 126 g and a load of 44.5 g at 21 ° C, while with a load of 42 g it can reach 853 m / s.
- the same ratio has a value of only 0.07.
- Example 4 TLP with grain matrix made of nitrocellulose + crystalline energy carrier
- the propellant charge powder resulting after completion, as in Example 1, has a bulk density of 1071
- TLP in addition to the manufacturing process itself, Known TLP also proposed new TLP in which the known explosive oils NGL and DEGN are replaced by reduced-sensitivity energetic plasticizers. These TLPs are less sensitive to vibrations. To optimize performance crystalline energy sources must be added to the grain matrix.
- the resulting layered TLPs show full system compatibility a higher level of performance than normal TLP and a balanced temperature behavior on.
- the TLP are cheaper to manufacture and compared to two-based TLP do not have the disadvantageous burning properties (pipe erosion) of nitramine-containing TLP on.
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Abstract
Das Verfahren zur Herstellung von Treibladungspulver (TLP) mit schichtartigem Kornaufbau geht von einem Grünpulver aus, welches in wässriger Emulsion mit einem energetischen Weichmacher und einem polymeren Phlegmatisator imprägniert wird. TLP lassen sich so in industriellen Mengen herstellen, indem die gefährliche Direkt-Einarbeitung eines Sprengöls umgangen wird. Die so hergestellten TLP haben ähnliche Eigenschaften und einen ähnlichen Aufbau wie die vorbekannten TLP.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines funktionalen hochenergetischen
Materials mit schichtartig strukturiertem Korn enthaltend einen energiereichen Weichmacher
und einen polymeren Phlegmatisator. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein
solches Material.
Die Erkenntnisse, welche anlässlich der in neuerer Zeit ausgetragenen internationalen militärischen
Konflikte gewonnen wurden, deckten die Notwendigkeit einer Neuorientierung
auf, welcher insbesondere im Bereich mobiler Waffensysteme im Mittelkaliberbereich
(Kalibergrösse zwischen 12-50 mm) eine besondere Bedeutung beikommt. Hierbei sind
Leistungssteigerungen, welche mittels waffenseitigen Neuentwicklungen erkauft werden
müssen, sehr teuer, da materialtechnisch massive Verbesserungen notwendig sind um den
resultierenden höheren Spitzengasdrücken erfolgreich zu widerstehen.
Aus Kostengründen besteht daher in der Wehrtechnik ein grosses Interesse, die gewünschten
Leistungssteigerungen in bereits eingeführten, bestehenden Waffenplattformen
zu bewerkstelligen. Ein innovatives Konzept hierzu basiert auf einer Familie neuartiger unterkalibriger
Munition (Frangible, Pfeil). Diese erbringt ihre gewünschte Zieleinwirkung rein
durch Umsetzung kinetischer Energie, d.h. ohne zusätzliche Explosivstoffe. Trotzdem lässt
sich diese neuartige Munition aus gängigen Waffen abfeuern. Da dieser neuartigen Munition
zur Erreichung der gewünschten Zielwirkung lediglich die kinetische Geschossenergie
zur Verfügung steht, ist die Mündungsgeschwindigkeit, d.h. diejenige Geschwindigkeit, mit
welcher die Munitionskomponente den Waffenlauf verlässt, resp. mit welcher kinetischen
Energie das Projektil auf das Ziel auftrifft, hierbei von grösster Bedeutung. Je höher die
Mündungsgeschwindigkeit ist, umso wirkungsvoller ist der zielwirksame Effekt, da insbesondere
bei solchen kinetischen Geschossen der Geschwindigkeitsverlust (kleiner Cw-Wert)
sehr gering ist. Eine Verkürzung der Flugzeit und eine Flugbahnstabilisierung sind
weitere wichtige positive Aspekte resultierend aus einer hohen Mündungsgeschwindigkeit,
was zudem eine kleinere Windempfindlichkeit und eine Erhöhung der Ersttrefferwahrscheinlichkeit
bewirkt.
Um die von der oben beschriebenen, neuartigen unterkalibrigen Hochleistungsmunition
benötigten Mündungsgeschwindigkeiten zu erzielen, sind in der Wehrtechnik neuartige
Treibladungspulver (TLP) verlangt, welche gegenüber auf Nitrocellulose basierenden einbasigen
Treibladungspulvern eine höhere kinetische Energie auf die Munitionskomponente
übertragen können. Das Problem bei der Bereitstellung dieser geforderten neuen Hochleistungs-TLP
besteht nun darin, unerwünschte Nebeneffekte zu vermeiden, d.h. auf dem
geforderten erhöhten Leistungsniveau trotzdem die volle erweiterte Systemverträglichkeit
bezüglich Rohr (Erosion, Korrosion), Waffe (Spitzengasdrücke, Kadenz) und Umwelt (Vermeidung
umweltproblematischer Rezepturkomponenten) zu gewährleisten. Auch sollte die
ballistische Stabilität, d.h. die Zeitdauer, innerhalb welcher die mit dem Treibladungspulver
gefüllte Munition sicher und anforderungskonform verschossen werden kann, gegenüber
den konventionellen Treibladungspulvern nicht reduziert werden. Schliesslich ist es wünschenswert,
dass die geforderten Hochleistungs-TLP kostengünstig herstellbar sind, d.h.
von leicht zugänglichen, kostengünstigen Startmaterialien ausgehen und insbesondere
keine aufwendigen Verarbeitungsprozesse (wie z.B. Walzprozesse bei mehrbasigen TLP )
benötigen.
Mit Pulvern, welche grössere Anteile an kristallinen Sprengstoffen wie Hexogen, Octogen
oder CL-20 enthalten (Nitraminpulver), können zwar hohe Mündungsgeschwindigkeiten
erzielt werden, doch wird dabei die Rohrlebensdauer auf eine unakzeptabel niedrige
Schusszahl reduziert. Der Grund dieses unerwünschten Verhaltens liegt darin, dass die
Flammtemperatur der Verbrennungsgase im Waffenlauf infolge des hohen Energieinhaltes
dieser Pulver sehr hoch ist sowie der hohe Gehalt an Wasserstoff in den resultierenden
Verbrennungsgasen.
Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung des Energieinhalts besteht in der Beifügung eines geeigneten
hochenergetischen Sprengöls zur Kornmatrix. In diesem Zusammenhang sind
zunächst die sogenannten Kugelpulver zu nennen. Die maximale Grösse der sphärischen
Pulverteilchen ist jedoch limitiert. Daher sind diese Pulver jedoch inhärent sehr brisant und
haben vor allem im Kleinkaliberbereich eine technische Bedeutung erlangt. Ausserdem
weisen diese Pulver gegenüber einbasigen TLP zumeist eine stark eingeschränkte ballistische
und chemische Stabilität auf.
Aus der US 4.963.296 sind sogenannte zweibasige TLP bekannt. Sie stellen einen zweiten
Pulvertyp dar, welcher ein in der Kornmatrix eingearbeitetes Sprengöl enthält. Infolge des
aufwendigen Herstellungsverfahrens sind diese Pulver jedoch sehr kostspielig. Ausserdem
bewirkt dieser Pulvertyp für Mittelkaliber-Applikationen eine starke Rohrerosion und hat
daher in diesem Gebiet praktisch keine technische Bedeutung erlangt.
In der Publikation von B. Vogelsanger, K. Ryf, Int. Annu. Conf. ICT (1998), 29th(Energetic
Materials), 38.1-38.14 sind neuartige funktionale hochenergetische Materialien
beschrieben, welche Dank einem funktionalen, schichtartigen Aufbau in der Kornmatrix die
oben beschriebenen Nachteile nicht aufweisen. Basierend auf diesen neuartigen
funktionalen Materialien ist es gelungen, eine neue Generation von Höchstleistungs-TLP
(Schüttpulver) bereitzustellen, welche u.a. erfolgreich als Antriebskomponenten für unterkalibrige
Hochleistungsmunition eingesetzt werden können und hierbei die Erzielung der
von der Technik geforderten hohe Mündungsgeschwindigkeit erlauben. Die vorteilhaften
Eigenschaften dieser neuen TLP-Generation wird durch einen gezielten, schichtweisen
Aufbau des zylinderförmigen Pulverkorns erreicht. Dabei befindet sich der oder die energetischen
Weichmacher bzw. Sprengöle und ein polymerer Phlegmatisator in den gewünschten
äusseren 100-500 Mikrometer des Pulverkorns. Zusätzlich befindet sich ein Anteil des
Sprengöls auch in den Lochzonen des TLP. Dank diesem gezielt einstellbaren, schichtweisen
Aufbau waren nun erstmals TLP zugänglich, welche ein spezielles, gezielt steuerbares
Abbrandverhalten aufweisen, welches mehrere positive Eigenschaften einbringt: So können
unakzeptabel hohe Spitzengasdrücke vermieden werden, da durch den schichtartigen
Aufbau der Aussen- und Innenzonen des Pulverkorns das Abbrandverhalten vorteilhaft beeinflusst
wird. Als Resultat dieser Eigenschaft kann der Energieinhalt dieser funktionalen
Materialien besser in kinetische Mündungsenergie umgesetzt werden. Durch die Möglichkeit
einer gezielten Anpassung der Verteilungsprofile von Sprengöl und Phlegmatisator
lassen sich TLP mit optimalem Abbrandverhalten für unterschiedliche Kalibergrössen realisieren.
Dadurch wird eine maximale Flexibilität bezüglich Adaption für unterschiedliche
Waffen- und Munitionstypen ermöglicht. Als Folge weisen die Pulver eine hohe kinetische
Mündungsenergie und einem hohen thermischen Wirkungsgrad auf.
Zusätzlich bewirkt der schichtweise Aufbau der Aussenhaut und der Innenzonen der neuartigen
Pulver ein Abbrandverhalten, welches weitgehend unabhängig von der Temperatur
des Pulverkörpers ist. Dies bedeutet, dass innerhalb eines breiten Temperaturbereichs
ähnlich hohe Mündungsgeschwindigkeiten und Spitzengasdrücke resultieren. Dies hat zur
Folge, dass unabhängig von der Umgebungstemperatur, bei welcher die Munition verschossen
wird, eine ähnlich hohe Mündungsenergie zur Verfügung steht, d.h. das Treibladungspulver
verhält sich weitgehend temperaturunabhängig.
Schliesslich weisen die funktionalen Materialien sehr hohe Schüttdichten auf. Die Schüttdichte
ist ein Mass dafür, welches Gewicht an Treibladungspulver in einer bestimmten Volumeneinheit
untergebracht werden kann und wird typischerweise in der Einheit gTLP/l angegeben.
Diese positive Eigenschaft ist von grosser Bedeutung, da das Hülsenvolumen
einer gegebenen Munitionskomponente vorgegeben ist. Je mehr Pulvermenge sich in diesem
vorgegebenen Hülsenvolumen unterbringen lässt, umso höher ist das Potential, welches
sich in kinetische Energie umsetzen lässt. So kann z.B. bei vergleichbarem Spitzengasdruck
eine gegenüber konventionellen einbasigen TLP um bis zu 12% erhöhte Mündungsenergie
erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches
die präzise Einstellung der Schichtstruktur erlaubt.
Die Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung werden
der Weichmacher und/oder der Phlegmatisator in Form einer wässrigen Emulsion in
das aufnahmefähige (unimprägnierte) Korn, d.h. in das sogenannte Grünpulver eindiffundiert.
Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass sich die Imprägnierung zur
Herstellung der funktionalen Materialien auch in einer wässrigen Emulsion durchführen
lässt, wobei ebenfalls TLP mit dem gewünschten schichtartigen Aufbau resultieren. Die
vorliegende Erfindung beinhaltet daher den Prozess der Imprägnierung eines unbehandelten
einbasigen Grünpulvers in wässriger Emulsion, sowie der anschliessenden Fertigstellung
zur Bereitstellung der funktionalen, schichtartig aufgebauten TLP.
Die Erfindung unterscheidet sich somit deutlich von den bekannten Verfahren, bei welchen
Imprägnierungen, mittels deren sich die schichtartige Verteilung des Sprengöls und des
Phlegmatisators gezielt einstellen lassen, typischerweise in sogenannten Poliertrommeln
durchgeführt werden. Bei diesen bekannten Verfahren wird einer Charge von unimprägniertem
Pulver (Grünpulver) eine flüssige Imprägniersubstanz (oder ggf. eine Lösung einer
festen Imprägniersubstanz, gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel), zugesetzt, wobei
die Imprägniersubstanz unter Drehwirkung und bei erhöhter Temperatur in das Pulverkorn
eindiffundiert wird. Das Problem, das bei diesen bekannten Verfahren beim Eindiffundieren
von hochempfindlichen Sprengölen wie etwa Nitroglycerin infolge akuter Sicherheitsrisiken
entstehen würde und die Herstellung grösserer Mengen der funktionalen hochenergetischen
Materialien beträchtlich erschweren, wenn nicht sogar verunmöglichen würde, ist
beim erfindungsgemässen Verfahren vermieden.
Das Imprägnierungsverfahren kann in einem 2-Stufenprozess oder in einem 1-Stufenprozess
durchgeführt werden. Beim 2-Stufenprozess wird das Grünkorn zunächst in einer
wässrigen Emulsion mit dem Sprengöl behandelt. Nach Beendigung der Einwirkung wird
die überschüssige Emulsion abgepumpt. Die flüssigen Anteile im Reaktor können durch ein
Sieb abgelassen werden. Danach wird der (im Reaktor verbleibenden) Pulvermasse in einem
weiteren Prozessschritt einer wässrigen Emulsion enthaltend den polymeren Phlegmatisator
ausgesetzt. Dieses Vorgehen erlaubt eine gute Kontrolle der Prozessparameter.
Beim 1-Stufenprozess wird, analog dem 2-Stufenprozess, das Grünkorn zunächst mit einer
wässrigen Emulsion des Sprengöls behandelt. Nach Beendigung der Einwirkzeit wird die
verbleibende Emulsion aber nicht vom Pulver abgetrennt, sondern unter Zugabe des polymeren
Phlegmatisators weiterverwendet. Durch Variation der Zugabezeiten des Sprengöls
oder des polymeren Phlegmatisators sowie des Zeitpunktes können die Konzentrationsprofile
gezielt verändert werden. Der 1-Stufenprozess beinhaltet weniger Prozessschritte und
ist daher wirtschaftlicher.
Der eingesetzten wässrigen Emulsion können sowohl beim 1-Stufen- als auch beim 2-Stufenprozess
nach Bedarf bekannte Hilfsstoffe (Stabilisatoren und/oder Netzmittel) beigegeben
werden, welche unter anderem die Schaumbildung unterdrücken, die Emulsion stabilisieren
oder das Eindringverhalten der Wirkungskomponenten gezielt beeinflussen können.
Die Vorteile der schichtartig aufgebauten TLP gegenüber einem konventionellen einbasigen
TLP sind in der folgenden Tabelle illustriert. Man erkennt deutlich, dass mit dem
neuen, zu schützenden Herstellungsprozess schichtartig aufgebaute TLP erhalten werden,
welche ähnlich vorteilhafte Eigenschaften aufweisen wie die in der EP 0 960 083 A1 beschriebenen
Materialien, d.h. über den gesamten Temperaturbereich lässt sich unter waffenverträglichen
Bedingungen ein markant erhöhtes Leistungspotential realisieren (vgl.
Tabelle 1).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von neuartigen funktionalen
Materialien, welche gegenüber den oben beschriebenen Materialien verbesserte
Eigenschaften aufweisen. Bei den in B. Vogelsanger, K. Ryf, Int. Annu. Conf. ICT (1998),
29th(Energetic Materials), 38.1-38.14, beschriebenen Materialien werden für die
Imprägnierung ausschliesslich Sprengöle wie Nitroglycerin verwendet. Diese weisen jedoch
bekanntermassen einige Nachteile auf. Ein solcher Nachteil ist die extrem hohe Empfindlichkeit
dieser Sprengöle. So weisen Nitroglycerin und Dinitrodiglykol je eine Schlagempfindlichkeit
von lediglich 0.2 Nm auf, was deren Handhabung bei der Verarbeitung
stark erschwert und einschränkt. Ein weiterer Nachteil dieser Sprengöle ist deren hoher
Energieinhalt (Explosionswärme), der für Nitroglycerin 6542 J/g und für Dinitrodiglykol
4527 J/g beträgt. Enthält das Pulver nun grössere Mengen dieser Sprengöle, erhöht sich
beim Abbrand die Flammtemperatur und führt hiermit zu einer Zunahme der Rohrerosion.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass diese Sprengöle im Imprägnierungsprozess
durch energetische Weichmacher ersetzt werden können, welche einen tieferen
Energieinhalt und vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften aufweisen und welche
zusätzlich weniger schlagempfindlich sind. Die hieraus resultierenden neuartigen Pulver
zeichnen sich überraschenderweise durch ein deutlich verbessertes Verhältnis von Vo /
Pmax aus, d.h. bei Ausnutzung der Druckreserven können höhere Mündungsgeschwindigkeiten
realisiert werden. Darüber hinaus weisen derartige funktionale Materialien auch ein
günstiges Verhältnis von Δ Vo gTLP / Δ Pmax gTLP auf, d.h. pro Gramm Ladungszunahme
steigt die Mündungsgeschwindigkeit gegenüber dem Druck stärker an als bei TLP auf Basis
von Sprengölen. Dieser Effekt wird im weiter unten angegebenen Beispiel 3 verdeutlicht.
In der Pulvertechnik ist eine Vielzahl von energetischen Weichmachern bekannt. Hierzu
gehören insbesondere niedermolekulare aliphatische Salpetersäureester, Nitroverbindungen,
Nitramine und Azide. Eine hierzu besonders geeignete Stoffklasse bilden die sogenannten
2-Nitroxyethyl-nitramaine (Alkyl-NENA) mit der allgemeinen Strukturformel I,
wobei R1 ein aliphatischer Rest darstellt. Eine weitere besonders geeignete Stoffklasse
hierfür bilden die sogenannten Dinitro-diazaalkane der allgemeinen Formel II, wobei R2 und
R3 für aliphatische Reste stehen. Die Verwendung von Substanzen der allgemeinen
Struktur II ist in der Pulvertechnik bekannt, doch wurden diese Substanzen bisher nie
schichtweise in die Pulvermatrix eingebaut, sondern befanden sich homogen in der Pulvermatrix
verteilt analog einem 2-basigen TLP (vgl. EP 960083A1). Die Weichmacher können
einzeln oder gemischt in das Grünkorn eingebracht werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind zudem neuartige funktionale Materialien, welche
in der Grundmatrix aus Nitrocellulose zusätzlich einen kristallinen Energieträger enthalten.
Derartige kristalline Energieträger sind an sich bekannt. Es handelt sich hierbei z.B.
um sogenannte kristalline Nitramine der allg. Formel III. Dabei bildet der Rest R4 Teil eines
Ringsystems und kann bevorzugt weitere Einheiten der Struktur (-CH2-N-NO2) enthalten.
Besonders bevorzugte Verbindungen der Struktur III sind Hexogen IV, Oktogen V und CL-20
VI.
Die obere Grenze des Gehalts an kristallinem Energieträger ergibt sich derart, dass die
mechanische Festigkeit des resultierenden Pulverkorns auch bei Tieftemperatur erhalten
bleibt. Um den erwarteten positiven Effekt ballistisch zu erkennen, sollte die Menge nicht
kleiner als ca. 5% sein. Diese Verbindungen der allgemeinen Struktur III oder Gemische
davon werden daher in Mengen zw. 5-80%, bevorzugt 10-50% der gesamten Pulvermasse,
der Nitrocellulose-Matrix beigemischt und sind homogen im fertiggestellten Korn verteilt.
Die derart vorbehandelten Pulver (welche funktional dem Grünpulver entsprechen) werden
anschliessend durch einen Imprägnierungsprozess, welcher den zuvor beschriebenen
schichtweisen Kornaufbau ergibt und ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist,
mit einem energetischen Weichmacher und einem Phlegmatisator behandelt. Der Vorteil
dieser schichtartig aufgebauten funktionalen Materialien besteht darin, dass sie gegenüber
den funktionalen Materialien, welche keinen kristallinen Energieträger in der Kornmatrix
enthalten, einen erhöhten Energieinhait aufweisen, welcher Dank dem speziellen
Schichtaufbau in systemverträglicher Weise optimal in kinetische Energie umgesetzt
werden kann.
Stichwortartig zusammengefasst lässt sich die Erfindung wie folgt umschreiben:
Der Imprägnierungsprozess zur Herstellung der hochenergetischen funktionalen Materialien
ist im Folgenden beschrieben. Der Imprägnierungsprozess geht von unbehandeltem
Grünpulver beliebiger Form aus, welches im Wesentlichen aus Nitrocellulose mit einem N-Gehalt
zw. 11-13.5% besteht. Das verwendete Grünpulver kann gegebenenfalls in der Pulvertechnik
bekannte Zusätze zur Stabilisierung, Rohrschonung, Weichmachung und Feuerscheindämpfung
enthalten. Bekannte Zusätze, welche geeigneterweise eingesetzt werden,
sind zur Stabilitätserhöhung etwa Natriumhydrogenkarbonat (CAS-#: 144-55-8), Calziumkarbonat
(CAS-#: 471-34-1), Magnesiumoxid (CAS-#: 1309-48-4), Akardit II (CAS-#:
724-18-5), Centralit I (CAS-#: 90-93-7), Centralit II (CAS-#: 611-92-7), 2-Nitrodiphenylamin
(CAS-#: 836-30-6) und Diphenylamin (CAS-#: 122-39-4), zur Weichmachung etwa Diethylphthalat
(CAS-#: 84-66-2), Campher (CAS-#: 76-22-2), Dibutylphthalat (CAS-#: 84-74-2),
Di-n-propyladipat (CAS-#: 106-19-4) oder Methylphenylurethan (CAS-#: 261-79-6), zur
Rohrschonung etwa Magnesiumoxid (CAS-#: 1303-48-4), Molybdäntrioxid (CAS-#: 1313-27-5),
Magnesiumsilikat (CAS-#: 14807-96-6), Calciumkarbonat (CAS-#: 471-34-1) oder
Titandioxid (CAS-#: 13463-67-7), und zur Feuerscheindämpfung etwa Natriumoxalat (CAS-#:
62-76-0), Kaliumbitarat (CAS-#: 868-14-4), Natriumhydrogenkarbonat (CAS-#: 144-55-8),
Kaliumhydrogenkarbonat (CAS-#: 298-14-6), Natriumoxalat (CAS-#: 62-76-0), Kaliumsulfat
(CAS-#: 7778-80-5) oder Kaliumnitrat (CAS-#: 7757-79-1). Ferner kann das Grünpulver
noch weitere bekannte Zusätze, etwa zur Verbesserung des Anzündverhaltens und zur
Modulierung des Abbrandverhaltens, enthalten. Alle die erwähnten Zusätze sind während
der Grünkornherstellung dem Pulverteig zugegeben worden, d.h. sie sind gleichmässig in
der Kornmatrix verteilt. Die Gesamtmenge dieser Zusätze im Grünkorn liegt zw. 0-20% gegenüber
der Nitrocellulose, bevorzugt zw. 5-15%.
Beim Grünpulver handelt es sich typischerweise um zylinderförmige Ein- oder Mehrlochpulver
mit einem Verhältnis Durchmesser/Kornlänge zw. 0.5-2.0, bevorzugt 0.9-1.5. Die
Aussendurchmesser der Grünpulver liegen im Bereich zw. 0.5-10 mm, bevorzugt 0.5-5
mm. Die Lochdurchmesser liegen im Bereich zw. 0.03-0.7 mm. Das Grünkorn kann auf
bekannte Weise durch Verpressung eines lösungsmittelhaltigen Pulverteigs in einer Strangenpresse
oder mittels Extrusion erhalten werden.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren kann einstufig oder zweistufig sein. Der
Imprägnierungsprozess soll zunächst am 2-Stufenverfahren verdeutlicht werden: Das oben
beschriebene Grünpulver wird in einen metallischen Reaktorkessel gegeben, welcher mit
Deckeleinlassventil, Bodenauslassventil, mechanischen und statischen Strömungseinbauten
und Anschlüssen für Vakuum ausgerüstet ist und welcher mit der 1-5-fachen Menge
Wasser (gegenüber der zu behandelnden Pulvermenge) beschickt ist. Das Pulver kann zunächst
unter Rühren während 4-24 Stunden bei einer Temperatur von 20-85 °C vorgebadet
werden. Danach wird während einer Zeitdauer von 10-60 Minuten eine Lösung des
Sprengöls (ca. 20% in geeignetem Lösungsmittel gelöst) zugegeben, wobei der Anteil des
Sprengöls gegenüber dem eingesetzten Grünkorn im Bereich von 3-20% liegt. Man lässt
nun während 2-8 Stunden weiterbehandeln, bevor man den Druck auf 400 - 600 mbar
reduziert und das Lösungsmittel aus der Flotte abdestilliert. Das wiedergewonnene
Destillat kann gegebenenfalls im Prozess rezykliert werden. Danach wird der Ansatz
abgekühlt und die verbleibenden flüssigen Anteile durch das Bodenventil im Reaktorboden
abgelassen. Hiernach wird dem Reaktor eine bezüglich der Pulvermasse wiederum eine 1-5-fache
Menge Frischwasser zugeführt und auf 80°C erwärmt. Danach gibt man während
einer Zeitdauer von 10-60 Minuten eine Emulsion des polymeren Phlegmatisators (ca. 10%
in Wasser, Anteil gegenüber Grünkorn zw. 1-5%) zu. Dabei können den eingesetzten
Lösungen des Sprengöls und des polymeren Phlegmatisators gegebenenfalls kleine
Mengen an Hilfsstoffen, etwa zur Stabilisierung der Emulsion oder zur Erhöhung der
Stabilität des TLP, beigemischt sein. Unter optimaler Backmixeinstellung (hängt vom
Pulverkorn ab) lässt man während 2-6 Stunden weiterbehandeln bevor der Ansatz wieder
auf Raumtemperatur angekühlt wird. Danach werden die verbleibenden flüssigen Anteile
durch das Bodenventil des Reaktorkessels, welches mit einem feinmaschigen Sieb
versehen ist, abgelassen. Im Reaktorkessel verbleibt das imprägnierte funktionale
Material, welches nach dem Wegnehmen des Siebs aus dem Reaktorkessel ausgeladen
und auf engmaschigen Metallsieben zum Trocknen mittels durchströmender Warmluft
ausgebreitet wird.
Beim 1-Stufenprozess wird analog zum oben beschriebenen 2-Stufenprozess vorgegangen
mit dem einzigen Unterschied, dass nach Beendigung der Einwirkzeit der Sprengöllösung
die flüssigen Anteile im Reaktor verbleiben und dazu direkt die Phlegmatisatoremulsion
zugegeben wird. Durch Variation der Zugabezeiten, der Einwirkungszeiten und des Zeitpunktes
der Druckabsenkung kann die Abbrandcharakteristik des fertiggestellten Pulvers
gezielt beeinflusst werden.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass sich beim 1-Stufenprozess die Steuerparameter zielgenauer
einstellen lassen. Darüberhinaus ist der 1-Stufenprozess infolge der kleineren
Anzahl von Prozessschritten wesentlich kostengünstiger.
Das mittels dem oben beschriebenen 1- resp. 2-Stufenverfahren erhaltene funktionale
Material wird schliesslich durch Aufpolieren von 0.01-2% Graphit und gegebenenfalls weiteren
bekannten Hilfsstoffen in Mengen von 0-4% auf bekannte Weise in einer Poliertrommel
fertiggestellt. Dabei wurde überraschenderweise gefunden, dass sich die funktionalen
Materialien in diesem Polierprozess in Treibladungspulver mit ausserordentlich hohen
Schüttdichten von 1060 - 1100 g/l überführen lassen. Dies erlaubt, in ein gegebenes Hülsenvolumen
ein Maximum an Lademenge einzubringen.
Als geeignete Sprengöle können Nitroglycerin (CAS-#: 55-63-0) oder Diethylenglykoldinitrat
(Dinitrodiglykol, CAS-#: 693-21-0) eingesetzt werden. Es ist eine Vielzahl von Verbindungen
möglich, welche sich als geeignete Phlegmatisatoren verwenden lassen. Einerseits
muss die Affinität mit der Nitrocellulose derart sein, dass der Phlegmatisator mit dem geeigneten
Lösungsmittel als Transportmedium (Carrier) in das Pulverkorn eindiffundieren
kann. Andererseits darf nach der Entfernung des Lösungsmittels keine weitere Diffusion
eintreten, welche zu einer Veränderung des Verteilungsprofils führen würde. Als geeignet
haben sich hierzu organische Ether- und Esterverbindungen mit einem Molekulargewicht
zw. 100-100'000, bevorzugt zwischen 1000-10'000, erwiesen.
Eine bisher unbekannte neuartige Klasse von funktionalen energetischen Materialien wird
erhalten, indem die oben beschriebenen Sprengöle durch weniger schlagempfindliche
(vereinfacht gesagt: "unempfindliche") energetische Weichmacher der allgemeinen Strukturen
I oder II ersetzt werden. Einerseits wurde überraschenderweise gefunden, dass sich
diese neuartigen funktionalen Materialien durch ein besonders günstiges Verhältnis von Vo
/ Pmax auszeichnen. Darüberhinaus weisen derartige funktionale Materialien ein
günstiges Verhältnis von Δ Vo gTLP / Δ Pmax gTLP auf, d.h. pro Gramm Ladungszunahme
steigt die Mündungsgeschwindigkeit gegenüber dem Druck stärker an als bei schichtartigen
TLP auf Basis von Sprengölen.
Zweitens führen diese unempfindlichen energetischen Weichmacher im Vergleich zu herkömmlichen
Sprengölen zu einer Erniedrigung der Explosionswärme um 150-200 J/g, was
eine Absenkung der Flammtemperatur während des Pulverabbrandes und damit eine Verbesserung
der Rohrlebensdauer bewirkt.
Die Herstellung der neuartigen funktionalen Materialien mit energetischen Weichmachern
der allg. Strukturen I und II geht, analog den oben beschriebenen sprengölhaltigen funktionalen
Materialien, von einem unbehandelten Grünkorn auf Basis von Nitrocellulose aus.
Auch der Imprägnierungsschritt in wässriger Emulsion verläuft analog wie zuvor mit der
einzigen Ausnahme, dass anstelle der Sprengöle nun energetische Weichmacher der allg.
Strukturen I oder II oder Mischungen davon eingesetzt werden. Als vorteilhaft haben sich
Verbindungen mit R1 = C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy oder Aryl, R2 und R3 unabhängig
voneinander C1-C5-Alkyl oder C1-C5-Alkoxy erwiesen. Besonders bevorzugt sind Verbindungen
mit R1 = C1-C4 (Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, i-Butyl, t-Butyl), R2/R3 unabhängig
voneinander C1-C2 (Methyl, Ethyl).
Eine weitere Klasse bisher unbekannter funktionaler energetischer Materialien erhält man,
indem man dem vorher beschriebenen Grünkorn zusätzlich einen kristallinen Energieträger
der allgemeinen Formel III beimischt. Die kristallinen Energieträger können gegebenenfalls
vor der Einarbeitung in den Pulverteig mittels Mahlung in ihrer Grössenverteilung angepasst
werden oder mittels Umkristallisation gegebenenfalls gereinigt werden. Die Herstellung
des Grünkorns erfolgt zwecks Erreichen einer homogenen Verteilung der kristallinen
Energieträger in der Matrix mittels bekannter Verfahren wie zum Beispiel durch Extrusion
mit Hilfe von Static Mixers oder durch Verarbeitung in Doppelschneckenextrudern.
Die Verwendung der obigen neuartigen hochenergetischen funktionalen Materialien mit
schichtartigem Kornaufbau ist als Treibladungs-Schüttpulver, insbesondere für Mittel- und
Kleinkaliber-Anwendungen, geeignet.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben
sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
200 kg eines 7-Loch-Grünpulvers mit 2.77 mm Aussendurchmesser, 3.17 mm Länge und
0.12 mm Lochdurchmesser, aufgebaut aus den festen Anteilen von 1.2% Akardit-II, 1%
Calciumkarbonat, 0.4% Kaliumsulfat und 97.4% Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt
von 13.15% und hergestellt auf in der Pulvertechnik bekannte Weise durch Verpressen
eines lösungsmittelfeuchten Knetteigs durch eine Matrize, werden in einem 1000 Liter
Stahlreaktor ausgerüstet mit mechanischem Flügelrührer, Deckeleinlassventil, Bodenauslassventil
sowie und Anschlüssen für Vakuum, mit der zweifachen Menge Wasser versetzt.
Anschliessend wird der Ansatz auf eine Temperatur von 85°C erwärmt und unter ständigem
Rühren unter Halten der Temperatur während 15 Stunden vorgebadet. Danach wird
bei 80°C eine Mischung enthaltend 12.5 kg Nitroglycerin und 0.25 kg 2-Nitrodiphenylamin,
gelöst in 60 Liter Ethanol, während einer Zeitdauer von 30 Minuten zugetropft. Man lässt
nun während 2 1/4 Stunden bei optimaler Backmixeinstellung (Pulverbett vollständig in
Schwebe) behandeln und tropft anschliessend während einer Zeitdauer von 15 Minuten
eine Suspension enthaltend 1.97 kg eines bei Raumtemperatur hochviskosen, nicht festen
Polyesters mit mittlerem Molekulargewicht von 3000 (welcher wasserlöslich ist und as
Phlegmatisator wirkt) in 30 kg Wasser zu. Anschliessend lässt man unter Rühren während
weiteren 2 Stunden bei einer Temperatur von 80°C nachbehandeln. Anschliessend wird
der Druck im Reaktorkessel langsam auf 600 mbar reduziert und Teile des Lösungsmittels
aus der Flotte abdestilliert. Danach wird das Vakuum gebrochen und der Ansatz auf
Raumtemperatur abgekühlt. Danach werden die verbleibenden flüssigen Anteile des
Ansatzes durch Oeffnen des Bodenventils abgelassen, die verbleibende feuchte
Pulvermasse mit 100 Liter Frischwasser und während 2 Std. mit abgeschalteter Heizung
weitergerührt. Danach werden die flüssigen Anteile erneut durch das Bodenventil
abgelassen und die verbleibende feuchte Pulvermatrix anschliessend aus dem Reaktor
entfernt.
Das feuchte Pulver wird nun gleichmässig auf grobmaschigen Metallsieben ausgebreitet
und mit durchströmender Warmluft bei einer Temperatur von 60°C während 24 Stunden
getrocknet. Das TLP wird schliesslich durch Aufpolieren von ca. 0.3% Graphit und gegebenfalls
durch Behandlung mit speziellen Moderatoren auf bekannte Weise in der Poliertrommel
fertiggestellt.
Das fertiggestellte TLP weist eine Explosionswärme von 3999 J/g auf, seine Schüttdichte
beträgt 1062 g/Liter. In einer 25 mm Rohrwaffe lässt sich bei einem unterkalibrigen Pfeilgeschoss
der Masse 123 g bei 21°C eine Mündungsgeschwindigkeit von 1438 m/s erreichen
unter Einhaltung der waffenmässig zulässigen Spitzengasdrucks, was einer Mündungsenergie
von 1271 J/gTLP entspricht.
Bei -32°C erreicht dasselbe Pulver bei gleicher Ladung wie zuvor eine Geschwindigkeit von
1416 m/s auf, bei 62°C eine solche von 1442 m/s. Demgegenüber ergibt ein konventionelles
einbasiges TLP, geschossen im gleichen Waffensystem wie zuvor mit einer
unterkalibrigen Pfeilmunition der Masse 130 g bei 21°C eine Mündungsgeschwindigkeit
von 1381 m/s, was einer Mündungsenergie von 1191 J/g entspricht. Bei -30°C ergibt sich
eine Mündungsgeschwindigkeit von 1320 m/s, bei 50°C eine solche von 1411 m/s.
Analog Beispiel 1 werden 200 kg eines 7-Loch-Grünpulvers mit 2.57 mm Aussendurchmesser,
2.94 mm Länge und einem mittleren Lochdurchmesser von 0.16 mm, aufgebaut
aus den festen Anteilen von 1.2% Akardit-ll, 0.2% Calciumkarbonat, 1.4% Kaliumsulfat und
97.2% Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 13.15%, mit 14.4 kg Nitroglycerin und
3.3 kg desselben Polyesters wie in Beispiel 1 behandelt. Das nach der Fertigstellung
analog Beispiel 1 resultierende Treibladungspulver weist eine Schüttdichte von 1063 g/l
bei einer Explosionswärme von 3961 J/g auf.
In einer 20 mm Rohrwaffe lässt sich bei einem Geschoss der Masse 126 g und einer Ladungsmasse
von 44.5 g bei 21°C eine Mündungsgeschwindigkeit von 1063 m/s bei einem
Spitzengasdruck von 4146 bar (Einhaltung des waffenmässig zulässigen Spitzengasdrucks)
erreichen, was einer kinetischen Mündungsenergie von 1601 J/gTLP und einem thermischen
Wirkungsgrad von 0.404 entspricht.
Analog Beispiel 2 werden 200 kg eines 7-Loch-Grünpulvers mit 2.65 mm Aussendurchmesser,
3.06 mm Länge und einem mittleren Lochdurchmesser von 0.16 mm, aufgebaut
aus den festen Anteilen von 1.2% Akardit-II, 0.2% Calciumkarbonat, 1.4% Kaliumsulfat und
97.2% Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 13.15%, mit 14.4 kg einer Mischung
von 60% Methyl-NENA (Verbindung I, R1 = Methyl) und 40% Ethyl-NENA (Verbindung I, R1 =
Ethyl) sowie mit 2.8 kg desselben Polyesters wie in Beispiel 1 behandelt. Das resultierende
Treibladungspulver weist eine Schüttdichte von 1070 g/l bei einer Explosionswärme von
3799 J/g auf.
In einer 20 mm Rohrwaffe lässt sich bei einem Geschoss der Masse 126 g und einer Ladungsmasse
von 44.5 g bei 21°C eine Mündungsgeschwindigkeit von 908 m/s erreichen,
bei einer Ladungsmasse von 42 g dagegen werden 853 m/s erreicht. Pro Gramm Ladung
resultiert hiermit ein Geschwindigkeitszuwachs von 22.0 m/s bei einem Druckzuwachs
von 116.4 bar, was einem Verhältnis Δ Vo gTLP / Δ Pmax gTLP von 0.19 entspricht. Beim TLP
aus Beispiel 2 weist dasselbe Verhältnis einen Wert von lediglich 0.07 auf. Beim Heraufladen
(Zufügen von Ladung) geht also bei TLP von Beispiel 3 die Geschwindigkeitszunahme
mit einer deutlich tieferen Druckzunahme einher als beim Treibladungspulver von Beispiel
2.
Analog Beispiel 3 werden 200 kg eines 7-Loch-Grünpulvers mit 3.00 mm
Aussendurchmesser, 3.50 mm Länge, einem mittleren Lochdurchmesser von 0.17 mm und
einer Dichte von 1.62 g/ml, aufgebaut aus den festen Anteilen von 20.0% RDX (auch als
Hexogen bezeichnet; vgl. Struktur IV) einer mittleren Korngrösse von 5 Mikrometer, 1.0%
Akardit-II, 0.4% Calciumkarbonat, 0.6% Kaliumsulfat, 1% Restlösungsmittel und 77%
Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 12.6%, mit 14.4 kg einer Mischung von 60%
Methyl-NENA (Verbindung I, R1 = Methyl) und 40% Ethyl-NENA (Verbindung I, R1 = Ethyl)
sowie mit 2.8 kg einer bei Raumtemperatur viskosen, nicht festen Polyesterverbindung mit
einem mittleren Molekulargewicht von 3000 behandelt. Das nach der Fertigstellung analog
Beispiel 1 resultierende Treibladungspulver weist eine Schüttdichte von 1071 g/l bei einer
Explosionswärme von 3963 J/g auf.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass neben dem Verfahren zum Herstellen an sich
bekannter TLP auch neue TLP vorgeschlagen werden, in denen die bekannten Sprengöle
NGL und DEGN durch empfindlichkeitsreduzierte energetische Weichmacher ersetzt sind.
Diese TLP sind weniger sensibel auf Erschütterungen. Zur Leistungsoptimierung können
der Kornmatrix kristalline Energieträger beigefügt sein.
Die resultierenden, schichtartig aufgebauten TLP weisen bei voller Systemkompatibilität
ein gegenüber normalen TLP erhöhtes Leistungsniveau und ein ausgeglichenes Temperaturverhalten
auf. Die TLP sind im Vergleich zu zweibasigen TLP günstiger herzustellen und
weisen die nachteiligen Abbrandeigenschaften (Rohrerosion) nitraminhaltiger TLP nicht
auf.
Claims (18)
- Verfahren zur Herstellung eines funktionalen hochenergetischen Materials mit schichtartig strukturiertem Korn enthaltend einen energiereichen Weichmacher und einen polymeren Phlegmatisator, dadurch gekennzeichnet, dass der Weichmacher und/oder der Phlegmatisator in Form einer wässrigen Emulsion in das aufnahmefähige Korn eindiffundiert wird bzw. werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Korn im Wesentlichen aus Nitrocellulose besteht, insbesondere dass es zu mindestens 80% aus Nitrocellulose mit einem Stickstoffgehalt von 11-13.5% besteht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Korn eine zylindrische Struktur hat mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 0.5 und 2.0, einem Aussendurchmesser zwischen 0.5 und 10 mm und dass insbesondere mindestens ein Loch, vorzugsweise mehrere Löcher mit einem Lochdurchmesser zwischen 0.03 und 0.7 mm vorhanden ist bzw. sind.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Korn durch Verpressen eines lösungsmittelhaltigen Pulverteigs aus Nitrocellulose in einer Strangpresse oder mittels Extrusion hergestellt wird, wobei der lösungsmittelhaltige Pulverteig insbesondere Substanzen der allgemeinen Struktur III mit R4 = (-CH2-N-NO2)n und n = 2 oder 3, in einem Gesamtanteil von 5-80% der Trockensubstanz des Pulverteigs enthält, wobei die beigemischten Substanzen bevorzugt die Strukturen IV, V oder VI aufweisen und deren Gesamtanteil im aufnahmefähigen Korn zwischen 10-60% liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionstiefe im Bereich von 100-500 µm erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lösung oder Emulsion des energiereichen Weichmachers in einem organischen Lösungsmittel einer Mischung von unbehandeltem Grünpulver in Wasser zugeführt wird, gefolgt von der Zugabe einer Lösung oder Emulsion des Phlegmatisators in Wasser, wobei vorzugsweise die Zugabe der Lösung oder Emulsion des energiereichen Weichmachers in einem organischen Lösungsmittel und die Lösung oder Emulsion von Phlegmatisator in Wasser bei einer Temperatur zwischen 20-85 °C vorgenommen wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Grünpulver vor der Zugabe der Lösung oder Emulsion des bei Raumtemperatur flüssigen energiereichen Weichmachers in einem organischen Lösungsmittel im Reaktor unter Rühren während 4-24 Stunden bei einer Temperatur von 20-85 °C vorgebadet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grünpulver in der 1- bis 5-fachen Gewichtsmenge Wasser vorgelegt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach beendigter Zugabe der Lösung oder Emulsion des Phlegmatisators der Druck im Reaktorkessel während 2-6 Stunden auf 400-800 mbar reduziert wird und dass die verbleibenden flüssigen Anteile durch ein Bodensieb aus dem Reaktor abgelassen werden und dass die resultierende Pulvermasse mit warmer Luft getrocknet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die getrocknete Pulvermasse in einer Poliertrommel 0.01-2% Graphit aufgetragen wird, um ein Schüttpulver mit einer Schüttdichte >1000 g/l zu erhalten.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Weichmacher Nitroglycerin oder Diethylenglykoldinitrat ist oder insbesondere die Struktur I oder II mit R1 = C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy oder Aryl, R2 und R3 unabhängig voneinander C1-C5-Alkyl oder C1-C5-Alkoxy aufweist und in einer Menge von 5-20% gegenüber dem Grünpulver eingesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Weichmacher die Struktur I oder II mit R1 = C1-C4 (Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, i-Butyl, t-Butyl), und mit R2/R3 unabhängig voneinander C1-C2 (Methyl, Ethyl) aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerer Phlegmatisator eine organische Ether- und Esterverbindung mit einem Molekulargewicht zw. 100-100'000 verwendet wird.
- Funktionales hochenergetisches Material mit schichtartig strukturiertem Korn gebildet durch einen in ein Grünpulver eingebrachten energiereichen Weichmacher und einen polymeren Phlegmatisator, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Weichmacher die Struktur I oder II mit R1 = C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy oder Aryl, R2 und R3 unabhängig voneinander C1-C5-Alkyl oder C1-C5-Alkoxy aufweist und in einer Menge von 5-20% gegenüber dem Grünpulver eingesetzt ist.
- Funktionales hochenergetisches Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Grünpulver durch Verpressung eines lösungsmittelhaltigen Pulverteigs aus Nitrocellulose hergestellt ist, wobei der lösungsmittelhaltige Pulverteig Substanzen der Strukturen IV, V oder VI, in einem Gesamtanteil von 10-60% der Trockensubstanz des Pulverteigs enthält.
- Grünkorn zur Herstellung eines funktionalen hochenergetischen Materials mit schichtartig strukturiertem Korn enthaltend einen energiereichen Weichmacher und einen polymeren Phlegmatisator, wobei das Grünkorn durch Verpressung eines lösungsmittelhaltigen Pulverteigs aus Nitrocellulose gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der lösungsmittelhaltige Pulverteig Substanzen der Struktur IV, V oder VI, in einem Gesamtanteil von 10-60%der Trockensubstanz des Pulverteigs enthält.
- Treibladungspulver enthaltend ein hochenergetisches funktionales Material nach Anspruch 14.
- Munition mit einem Treibladungspulver nach Anspruch 17.
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