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La présente invention est relative d'une façon générale aux poudres propulsives et en particulier à un procédé de préparation de telles poudres qui ont des caractéristiques balistiques et physiques avantageuses.
Divers types de cartouches, notamment les cartouches à plombs, exigent une charge propulsive ayant une vitesse de combustion rapide. Cette vitesse de combustion peut être obtenue en incorporant une grande quantité d'un accélérateur tel que de la nitroglycérine, dans les grains et, de préférence, en utilisant une charge'consistant entièrement ou partiellement en grains de poudre propulsive ayant une-structure poreuse. De telles poudres poreuses et divers procédés pour les fabriquer sont bien connus en pratique mais ces procédés soulèvent de nom- breuses difficultés. Par exemple, des grains de poudre propulsive poreuse ont une affinité marquée pour l'absorption des cires et huiles utilisées pour traiter les étuis de cartouches à plombs et également une affinité pour l'eau.
De telles ma- tières absorbées ont un effet nuisible sur les propriés balistiques de la poudre.
En outre, la fourniture de telles.poudres exige la fabrication, l'emmagasinage et la manipulation qui s'y rapporte d'un nombre considérable de types différents de poudres.
Un but de l'invention est ,par conséquent, de procurer un nouveau procédé de fabrication d'une poudre, surmontant les désavantages de la technique antérieure. Un but également de l'invention est de procurer un nouveau procédé pour la modification des grains de poudre propulsive. Un but plus particulier de l'invention est de procurer un procédé de fabrication de grains de poudre pro- pulsive, ayant ùn intérieur poreux et une couche extérieure dense.
Suivant la présente invention, les buts précédents, et d'autres enco- re, sont atteints en traitant les grains de poudre propulsive, mis en suspension dans un liquide, avec un solvant qui n'est pas miscible avec le milieu liquide formant la suspension, et en ajoutant un soluté au milieu de suspension, tandis que le solvant est enlevé des grains en suspension.
En particulier, l'invention concerne la préparation de grains de poudre propulsive ayant un intérieur poreux et une couche extérieure dense en mettant en suspension les grains de poudre propulsive dans un milueu liquide non solvant en présence d'un colloide protec- teur, en ajoutant un solvant pour les grains de poudre, qui n'est que partielle- ment miscible avec le milieu de suspension, en enlevant une partie du solvant des grains en suspension, en ajoutant un soluté au milieu non solvant, et en en- levant le restant du solvant, des grains.
On a trouvé que l'addition d'un soluté au milieu non solvant durant la période de distillation a pour résultat la formation d'un grain de poudre propulsive ayant un centre poreux et une couche extérieure dense, et que la dimen- sion relative de la partie centrale poreuse peut être réglée par le stade de la période d'enlèvement du solvant, auquel on ajoute le soluté. C'est ainsi qu'en ajoutant le soluté à la suspension lorsqu'une petite partie seulement du solvant a été enlevée des grains, les grains résultants ont un petit centre poreux entouré d'une couche dense relativement épaisse.
Des grains de poudre pratiquement tota- lement poreux mais ayant une couche ou coquille relativement mince de matière dense imperméable sont obtenus en ajoutant le soluté aux grains de poudre en suspension après qu'une quantité considérable du solvant a été enlevée des grains.
L'invention envisage également la modification ultérieure des grains qui sont traités, en les imprégnant ou les recouvrant de modificateurs, tels que la nitro- glycérine, le dinitrotoluène, etc. avant l'enlèvement du solvant des grains en suspension.
Ordinairement, l'eau est le milieu non solvant le plus convenable mais on peut également utiliser d'autres liquides qui sont des non solvants pour la poudre,¯par exemple, la glycérine, le benzène, des hydrocarbures chlorés etc.
La quantité d'eau ou d'autre non solvant utilisé doit toujours être suffisante pour former une boue en suspension des grains de poudre dans le milieu, sans en- tassement indésirable des grains de poudre en suspension De la sorte, dans la
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plupart des cas, on considère comme essentiel que le rapport en poids du milieu non solvant à la poudre soit d'au moins 5/1. Lorsqu'on utilisé de l'eau comme milieu de suspension, on a trouvé qu'une quantité d'environ 0,3 à 1 % de colloïde protecteur, tel qu'une colle à la gélatine ou de l'amidon , est efficace pour les besoins de l'invention.
Le solvant utilisé dans la mise en oeuvre de l'invention varie avec la composition de la poudre traitée et également avec le milieu non solvant particulier utilisé. Dans la plupart des cas, la poudre contient de la nitrocellu- lose et le milieu de suspension est l'eau. De ce fait, on préfère utiliser de 1' acétate d'éthyle comme solvant pour le, poudre propulsive. Il sera entendu cepen-' dant qu'on peut utiliser aussi un autre solvant, tel que de l'acétate de méthyle, de l'acétate d'isopropyle, de la méthyl isobutyl cétone, de la méthyl éthyl cétone , etc.
En tout cas, il est essentiel que le solvant choisi ne soit que partiellement miscible, à savoir d'une quantité comprise entre environ 3 et 25% avec le milieu de suspension non solvant et que le solvant ait un point d'ébulli- tion inférieur à celui du milieu non solvant,de manière que le solvant puisse être aisément enlevé du système.
Dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, le solvant doit être ajouté à la suspension contenant les grains de poudre à une allure propre à éviter une concentration locale du solvant on des quantités suffisantes pour dissoudre ou déformer les grains. En pratique, le solvant est ajouté graduellement et à une allure pratiquement constante sur une période de temps telle que le sol- vant soit incorporé dans la suspension sans formation d'un système liquide à deux phases. La première portion du solvant sature le milieu non solvant tandis que le solvant ajouté au milieu de suspension ,après saturation, est emporté par le milieu directement dans les grains de poudre sans formation d'une suspension perceptible du solvant dans le milieu de suspension.
Ceci est une caractéristi- que essentielle de la présente invention, car si de grosses gouttelettes du sol- vant étaient présentes dans la suspension, elles pourraient fluidifier totalement une portion des grains en suspension ou provoquer peut être une agglomération des grains traités.
Lorsque la poudre traitée a une base de nitrocellulose et que de l'acétate d'éthyle est utilisé comme solvant, le rapport en poids de l'acétate d'éthyle à la poudre doit être maintenue entre environ 2,2/1 et 1,2/1. Des rap- ports supérieurs quelconques auront pour résultat une déformation des grains même lorsque l'agitation est maintenue au niveau le plus bas capable de suppor- ter les grains dans le milieu non solvant. Des quantités d'acétate d'éthyle in- férieures à 1,2 partie pour chaque partie de poudre ne ramolliront pas suffisam- ment les grains pour que le soluté ait un effet appréciable quelconque sur les grains de poudre en suspension. Ce rapport du solvant à la poudre variera lorsque d'autres solvants sont utilisés et dépend de la capacité de dissolution du sol- vant.
De même, d'autres compositions de grains peuvent provoquer des variations similaires du rapport.
Le soluté est une matière qui est soluble dans le milieu de suspen- sion mais n'est pas soluble de façon appréciable dans le solvant de la base de poudre. Lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de suspension, on peut employer une grande variété de substances comme soluté. En pratique effective, le sulfate de sodium est choisi pour des raisons économiques mais d'autres matières, telles que le nitrate de baruym, le nitrate de potassium, le sulfate d'ammonium, le sucre, etc., conviennent également. Lorsqu'on utilise de l'eau comme milieu de suspension, la concentration du soluté, tel que le sulfate de sodium, est main- tenue entre environ 0,6% et environ 3 % Des concentrations de soluté supérieures et inférieures à ces limites rend difficile l'obtention de résultats uniformes.
L'invention sera encore clarifiée et mieux comprise grâce à la forme de réalisation suivante qui constitue un exemple des moyens pratiques qui peuvent être suivis pour mettra l'invention en oeuvre. Toutes les proportions sont expri nées en parties en poids à moins d'indications contraires.
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Environ 50 parties de grains sphériques gélatinés de poudre propulsi- ve à base de nitrocellulose, réalisée suivant le procédé du brevet U.S.A. n 2. 160.626 de Schaefer et ayant une densité gravimétrique d'environ 0,95 gr par cc étaient mises en suspension dans environ 450 parties d'eau contenant environ 3 parties de colle à la gélatine.Ces.grains étaient pratiquement non po- reux et ne montraient pas de gradient quelconque de densité en coupe transversale.
Cette boue de la poudre dans l'eau était agitée pour mettre en suspension les grains de poudre de façon uniforme dans la phase aqueuse et était chauffée jusqu'à une température d'environ 50 C. Environ 100 parties d'acétate d'éthyle étaient ensuite ajoutées graduellement au système sur une période d'une heure et la solu- tion agitée était maintenue à environ 50 C pendant trois heures de plus. A ce moment, environ 25 parties d'une solution contenant des quantités à peu près éga- lës'dë nitroglycérine et d'acétate d'éthyle étaient graduellement ajoutées au système sur une période d'une heure durant laquelle la température de 50 C était maintenue. Ce mélange était ensuite agité pendant trois heures supplémentaires durant lesquelles la température était élevée jusqu'à environ 72 C.
On introdui- sait ensuite de la chaleur supplémentaire dans la suspension rour amorcer l'enlè- vement du solvant à une allure constante par distillation à la pression atmosphé- rique. Lorsque la température atteignait 76 C, elle était maintenue à ce niveau, tandis qu'environ 9 parties de sulfate de sodium granulaire étaient ajoutées à la boue. Après que tout le sel a été ajouté, la température de la boue était gra- duellement élevée jusqu'à une valeur d'environ 99 C pour achever un enlèvement complet du solvant hors du système. La distillation totale demandait environ 5 ou 6 heures. On laissait ensuite refroidir la boue, et les grains de poudre étaient séparés de l'eau par filtration.
Les grains résultants étaient sphériques comme à l'origine mais avaient acquis une partie intérieure poreuse formée d' un certain nombre de petites cavités, et cette partie poreuse était recouverte d'une couche externe imperméable. Ces grains avaient une densité gravimétrique d'environ 0,85 gr par cc, et, en contraste avec la matière de départ, ils con- venaient tout à fait bien pour la préparation de charges propulsives de cartouches.
Le procédé de la présente invention peut-être utilisé pour réduire le poids spécifique de la partie interne de tous les types de grains de poudre propulsive disponibles dans le commerce. C'est ainsi que la matière de départ peut être constituée par des grains sphériques de poudre propulsive gélatinée du type donné dans::les brevets U.S.A. n 2.027.114 de Olsen Tibbitts et Kerone et n 2.160.626 de Schaefer,de même que par des grains ce poudre extrudés, des grains de poudre discoïdes ou des grains de .boute autre forme. Quelle que soit la forme particulière du grain soumis au procédé de l'invention, il y a peu ou pas de modification géométrique du grain.
De ce fait, les grains traités ont pratiquement les mêmes dimensions et forme que la matière de départ mais ils ont par contre, un intérieur poreux enveloppé d'une couche imperméable. Le procédé est applicable également à des poudres propulsives ayant divers types de bases notamment la nitrocellulose, avec ou sans nitroglycérine, nitro-amidon, nitrate de polyvinyle et d'autres bases polynitro pouvant être gélatinées.
Bien que la forme de réalisation précédente ait été décrite en dé- tail, de nombreuses variantes et modifications peuvent y être apportées par les spécialistes en ce domaine sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
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The present invention relates generally to propellant powders and in particular to a process for preparing such powders which have advantageous ballistic and physical characteristics.
Various types of cartridges, including pellet cartridges, require a propellant charge with a rapid burning rate. This burning rate can be achieved by incorporating a large amount of an accelerator, such as nitroglycerin, into the grains and, preferably, using a filler consisting entirely or partially of grains of propellant powder having a porous structure. Such porous powders and various methods of making them are well known in the art, but these methods give rise to many difficulties. For example, porous propellant powder grains have a marked affinity for the absorption of waxes and oils used to treat pellet cartridge cases and also an affinity for water.
Such absorbed materials adversely affect the ballistic properties of the powder.
Further, the provision of such powders requires the manufacture, storage and related handling of a considerable number of different types of powders.
An object of the invention is, therefore, to provide a new process for manufacturing a powder, overcoming the disadvantages of the prior art. Another aim of the invention is to provide a new process for modifying the grains of propellant powder. A more particular object of the invention is to provide a process for the manufacture of pulsing powder grains, having a porous interior and a dense exterior layer.
According to the present invention, the foregoing objects, and others as well, are achieved by treating the grains of propellant powder, suspended in a liquid, with a solvent which is not miscible with the liquid medium forming the suspension. , and adding a solute to the suspending medium, while the solvent is removed from the suspended grains.
In particular, the invention relates to the preparation of propellant powder grains having a porous interior and a dense exterior layer by suspending the propellant powder grains in a non-solvent liquid medium in the presence of a protective colloid, adding a solvent for the powder grains, which is only partially miscible with the suspending medium, by removing part of the solvent from the suspended grains, adding a solute to the non-solvent medium, and removing the remainder solvent, grains.
It has been found that the addition of a solute to the non-solvent medium during the distillation period results in the formation of a grain of propellant powder having a porous center and a dense outer layer, and that the relative size of the porous core can be controlled by the stage of the solvent removal period, to which the solute is added. Thus, by adding the solute to the suspension when only a small part of the solvent has been removed from the grains, the resulting grains have a small porous center surrounded by a relatively thick dense layer.
Powder grains substantially completely porous but having a relatively thin layer or shell of dense impermeable material are obtained by adding the solute to the suspended powder grains after a considerable amount of the solvent has been removed from the grains.
The invention also contemplates the subsequent modification of the grains which are treated, by impregnating or coating them with modifiers, such as nitroglycerin, dinitrotoluene, etc. before removing the solvent from the suspended grains.
Usually, water is the most suitable non-solvent medium, but other liquids which are non-solvents for powder can also be used, eg, glycerin, benzene, chlorinated hydrocarbons etc.
The quantity of water or other non-solvent used should always be sufficient to form a slurry of the powder grains in the medium, without undesirable settling of the suspended powder grains. In this way, in the medium.
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In most cases, it is considered essential that the weight ratio of non-solvent medium to powder be at least 5/1. When using water as the suspending medium, it has been found that about 0.3 to 1% of protective colloid, such as gelatin glue or starch, is effective for the needs of the invention.
The solvent used in the implementation of the invention varies with the composition of the powder treated and also with the particular non-solvent medium used. In most cases, the powder contains nitrocellulose and the suspending medium is water. Therefore, it is preferred to use ethyl acetate as the solvent for the propellant powder. It will be understood, however, that another solvent can also be used, such as methyl acetate, isopropyl acetate, methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketone, etc.
In any case, it is essential that the chosen solvent is only partially miscible, i.e. in an amount between about 3 and 25% with the non-solvent suspending medium and that the solvent has a lower boiling point. to that of the non-solvent medium, so that the solvent can be easily removed from the system.
In carrying out the process of the invention, the solvent must be added to the suspension containing the grains of powder at a rate capable of avoiding local concentration of the solvent in amounts sufficient to dissolve or deform the grains. In practice, the solvent is added gradually and at a substantially constant rate over a period of time such that the solvent is incorporated into the slurry without forming a two phase liquid system. The first portion of the solvent saturates the non-solvent medium while the solvent added to the suspension medium, after saturation, is carried by the medium directly into the powder grains without forming a perceptible suspension of the solvent in the suspension medium.
This is an essential feature of the present invention, because if large droplets of the solvent were present in the suspension, they could completely fluidize a portion of the suspended grains or possibly cause agglomeration of the treated grains.
When the treated powder has a nitrocellulose base and ethyl acetate is used as a solvent, the weight ratio of ethyl acetate to powder should be kept between about 2.2 / 1 and 1, 2/1. Any higher ratios will result in grain deformation even when agitation is maintained at the lowest level capable of supporting the grains in the non-solvent medium. Amounts of ethyl acetate less than 1.2 parts for each part of powder will not soften the grains enough for the solute to have any appreciable effect on the suspended powder grains. This solvent to powder ratio will vary when other solvents are used and depends on the dissolving capacity of the solvent.
Likewise, other grain compositions can cause similar variations in the ratio.
Solute is material which is soluble in the suspending medium but is not appreciably soluble in the solvent of the powder base. When water is used as a suspending medium, a wide variety of substances can be employed as the solute. In actual practice, sodium sulfate is chosen for economic reasons, but other materials, such as baruym nitrate, potassium nitrate, ammonium sulfate, sugar, etc., are also suitable. When using water as the suspending medium, the concentration of solute, such as sodium sulfate, is maintained between about 0.6% and about 3% Solute concentrations above and below these limits make difficult to achieve consistent results.
The invention will be further clarified and better understood by virtue of the following embodiment which constitutes an example of the practical means which can be followed to implement the invention. All proportions are expressed in parts by weight unless otherwise indicated.
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About 50 parts of gelatinized spherical grains of nitrocellulose-based propellant powder, made according to the process of US Pat. No. 2,160,626 to Schaefer and having a gravity density of about 0.95 grams per cc were suspended in about 450 parts of water containing about 3 parts of gelatin glue. These grains were practically non-porous and did not show any density gradient in cross-section.
This slurry of the powder in water was stirred to suspend the powder grains uniformly in the aqueous phase and was heated to a temperature of about 50 C. About 100 parts of ethyl acetate were. then gradually added to the system over a period of one hour and the stirred solution was held at about 50 ° C for another three hours. At this time, about 25 parts of a solution containing about equal amounts of nitroglycerin and ethyl acetate was gradually added to the system over a period of one hour during which the temperature of 50 ° C was. maintained. This mixture was then stirred for an additional three hours during which the temperature was raised to about 72C.
Additional heat was then introduced into the slurry to initiate the removal of the solvent at a constant rate by distillation at atmospheric pressure. When the temperature reached 76 ° C, it was kept at this level, while about 9 parts of granular sodium sulfate was added to the slurry. After all of the salt was added, the temperature of the slurry was gradually raised to a value of about 99 ° C to complete complete removal of the solvent from the system. Total distillation took about 5 or 6 hours. The sludge was then allowed to cool, and the powder grains were separated from the water by filtration.
The resulting grains were spherical as originally but had acquired a porous inner part formed of a number of small cavities, and this porous part was covered with an impermeable outer layer. These grains had a gravity density of about 0.85 g per cc, and, in contrast to the starting material, they were quite suitable for the preparation of propellant charges for cartridges.
The process of the present invention can be used to reduce the specific weight of the internal part of all types of commercially available propellant powder grains. Thus, the starting material can be constituted by spherical grains of gelatin propellant powder of the type given in: US Patents 2,027,114 to Olsen Tibbitts and Kerone and 2,160,626 of Schaefer, as well as by grains this extruded powder, discoid powder grains or other shaped .boute grains. Whatever the particular shape of the grain subjected to the process of the invention, there is little or no geometric modification of the grain.
As a result, the treated grains have practically the same dimensions and shape as the starting material, but they instead have a porous interior surrounded by an impermeable layer. The process is also applicable to propellant powders having various types of bases in particular nitrocellulose, with or without nitroglycerin, nitro-starch, polyvinyl nitrate and other polynitro bases which can be gelatinized.
Although the preceding embodiment has been described in detail, numerous variations and modifications can be made to it by those specialists in this field without thereby departing from the scope of the invention.
CLAIMS.
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