DE102007019968A1

DE102007019968A1 - Schmelzgießbarer pyrotechnischer Satz

Info

Publication number: DE102007019968A1
Application number: DE200710019968
Authority: DE
Inventors: Ernst-Christian Dr. Koch; Johann Licha
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen schmelzgießbaren pyrotechnischen Satz, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er als Bindemittel eine oder mehrere Komponenten enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Trinitrotoluol, Trinitroanisol und 2,4-Dinitroanisol, wobei der Massenanteil des Bindemittels in einem Bereich von etwa 15 bis 65 Gew.-% liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schmelzgießbaren pyrotechnischen Satz.
Zur Herstellung pyrotechnischer Sätze werden typischerweise pulverförmige Komponenten zusammen mit einem organischen Binder homogenisiert. Als Binder werden herkömmlicherweise Polyolefine wie zum Beispiel Polybutadien, Polystyrole, Polychlorverbindungen wie zum Beispiel PVC und chloriertes PVC, Polychloroprene, Polyfluorverbindungen wie zum Beispiel Hexafluorisopren-Vinylidenfluorid-Copolymer, Polyurethane, usw. eingesetzt. Weiter kommen auch natürliche Gummis und Harze, thermoplastische Polymere und ähnliche Stoffe zur Anwendung.
Diese Polymere werden als Lösungen bzw. Dispersionen eingesetzt, thermisch extrudiert oder reaktiv ausgehärtet. Bis auf diejenigen Sätze, die durch Extrusion bereits in ihre Endform gebracht werden können, müssen alle die mit anderen Techniken erzeugten Satzgranulate noch durch Pressen, Walzen oder auch durch Extrusion in ihre entsprechende Form gebracht werden. Aufgrund der nicht unerheblichen, auf das Material einwirkenden Scherkräfte beim Kneten, Pressen, Walzen und Extrudieren kommt es bei diesen Arbeitsschritten häufig zu Unfällen durch explosionsartige Umsetzung des Satzes. Ebenso hat die Verwendung von leicht entzündlichen organischen Lösemitteln wie Aceton und n-Hexan schon oft zu Brand- und Explosionsunglücken bei der Verarbeitung pyrotechnischer Sätze geführt.
Es hat daher in der Vergangenheit nicht an Versuchen gemangelt, die Sicherheit bei der Verarbeitung von pyrotechnischen Sätzen zu erhöhen.
Es ist beispielsweise vorgeschlagen worden, pyrotechnische Sätze mit in überkritischen Lösemitteln, wie zum Beispiel überkritischem Kohlendioxid, gelösten Bindern zu homogenisieren. Durch Absenken des Drucks kann dann das Bindemittel ausgefällt werden, und die erhaltenen Sätze können, da sie vollständig lösemittelfrei sind, sofort weiterverarbeitet werden. Wenngleich praktikabel, ist der Umgang mit überkritischen Lösemitteln technisch sehr aufwändig.
Es ist auch vorgeschlagen worden, pyrotechnische Sätze durch Extrusion mit thermoplastischen Bindern in Doppelschneckenextrudern herzustellen. Allerdings ist dieses Fertigungsverfahren auf thermoplastische Binder beschränkt, und die Extrusion ist mit einem nicht unerheblichen mechanischen Energieeintrag in den Satz verbunden, der, wie oben erwähnt, zur unbeabsichtigten Auslösung des Satzes führen kann.
Ein weiteres Problem in Zusammenhang mit pyrotechnischen Sätzen ist schließlich, dass viele derzeit eingesetzten Binder endergonischen Charakter haben, d. h. bei der Zersetzung Energie aufnehmen und daher die Abbrandgeschwindigkeit gegenüber dem bindemittelfreien System verringern.
In der Sprengstofftechnik werden daher schon seit langer Zeit gießbare Mischungen aus Trinitrotoluol oder Trinitroanisol oder Dinitroanisol und anderen nicht schmelzbaren Sprengstoffen, wie zum Beispiel Hexogen oder Oktogen, hergestellt. So sind gießbare Mischungen aus Trinitrotoluol und Ammoniumnitrat als Amatole bekannt. Es wurden auch Mischungen von TNT und Hexogen und Ammoniumnitrat beschrieben. Schließlich sind als Ammonale Mischungen aus TNT, Ammoniumnitrat und Aluminium bekannt. Vor kurzem wurden auch thermisch insensitive Mischungen aus TNT und Guanidin-Harnstoff-Dinitramid (GUDN) beschrieben.
Als so genannte Wettersprengstoffe gibt es zum Beispiel die folgenden Sprengstoffe mit niedriger Detonationstemperatur: Wetter-Permonit mit 32,5 Gew.-% KClO₄, 34,5 Gew.-% NH₄NO₃, 7,0 Gew.-% TNT, 3,0 Gew.-% Nitroglycerin, 15,0 Gew.-% NaCl und 8,0 Gew.-% organische Zusätze; Perchloratit 1 und 3 mit 10 bzw. 35–45 Gew.-% Ammoniumnitrat, 68 bzw. 30–40 Gew.-% Kaliumperchlorat, 16 bzw. 15–20 Gew.-% Dinitrotoluol, 1 bzw. 3–8 Gew.-% Holzmehl und 1 bzw. 0 Gew.-% Dinitronaphthalin; Sabulite mit 58,5 Gew.-% Ammoniumnitrat, 5,0 Gew.-% Kaliumperchlorat, 1,0 Gew.-% Trinitronaphthalin, 14,0 Gew.-% Trinitrotoluol, 20,0 Gew.-% Natriumchlorid und 1,5 Gew.-% Holzmehl.
Ein im 1. Weltkrieg auf deutscher Seite eingesetzter Ersatzsprengstoff wurde als Perdit bezeichnet und enthielt 72,0 Gew.-% Ammoniumperchlorat, 10,0 Gew.-% Kaliumperchlorat, 15,0 Gew.-% Dinitrotoluol, flüssiges Isomerengemisch, und 3,0 Gew.-% Holzmehl. In den 1960ern wurde in Norwegen die Verwendung von Dinitrotoluol als oxidierend wirkender Zusatz in pressbaren Leuchtsätzen auf der Basis von Natriumnitrat und Magnesium beschrieben: 50–60 Gew.-% Alkalimetallnitrat, 13–25 Gew.-% Dinitrotoluole (Isomerenmischung), 20–28 Gew.-% Magnesium und 4–8 Gew.-% Cellulose.
In der US 7,067,024 B2 werden Zusammensetzungen als Ersatz für die Sprengstoffformulierung Composition B (TNT/RDX: 40/60) vorgeschlagen, die auf 2,4-Dinitroanisol, Ammoniumperchlorat, RDX und gegebenenfalls die Schwadenenergie steigernden Metallpulvern basieren. Eine typische Zusammensetzung enthält 34,00 Gew.-% 2,4-Dinitroanisol, 0,25 Gew.-% N-Methyl-p-nitroanilin, 25,00 Gew.-% Ammoniumperchlorat und 40,75 Gew.-% Hexogen.
Das US-Patent Nr. 5,525,166 offenbart pyrotechnische Sätze für Raketentreibsätze mit niedrigschmelzenden (< 150°C) Bindern auf der Basis polyaromatischer Kohlenwasserstoffe. Eine typische Zusammensetzung enthält 47,83 Gew.-% Kaliumperchlorat, 4,35 Gew.-% Kaliumnitrat, 34,78 Gew.-% Kaliumbenzoat und 13,04 Gew.-% (mp. 69°C) Biphenyl.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gießbaren pyrotechnischen Satz zu entwickeln, der im Vergleich zu herkömmlichen Sätzen einfacher und sicherer zu verarbeiten ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen pyrotechnischen Satz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße pyrotechnische Satz ist dadurch gekennzeichnet, dass er als Bindemittel eine oder mehrere Komponenten enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Trinitrotoluol, Trinitroanisol und 2,4-Dinitroanisol; und dass der Massenanteil des Bindemittels in einem Bereich von etwa 15 bis 65 Gew.-% liegt.
Bei Trinitrotoluol (TNT), Trinitroanisol (TNA) und 2,4-Dinitroanisol (DNAN) handelt es sich um energetische Binder, die als Binder und alleinige Brennstoffe mit hochreaktiven Oxidationsmitteln oder als Binder in abbrennenden Metall/Oxidatorsystemen mit Oxidationsmitteln eingesetzt werden können. Sie sind einfach zu verarbeiten, kostengünstig, verfügen über eine hohe volumetrische Explosionsenthalpie und zerfallen exotherm, wodurch die Abbrandgeschwindigkeit erhöht wird.
Vorzugsweise liegt der Massenanteil des Bindemittels in einem Bereich von etwa 35 bis 65 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der pyrotechnische Satz als Bindemittel ausschließlich Trinitrotoluol.
Geeignete Oxidationsmittel für einen pyrotechnischen Satz mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Perchloraten, Nitraten, Peroxiden, Dinitramiden, Fluorinitramiden, Nitroformaten und Fluoronitroformaten der Alkali- und Erdalkalimetalle, Polytetrafluorethylen, Graphitfluorid, Hexachlorethan und Hexachlorbenzol.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele pyrotechnischer Sätze besser verständlich.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass Trinitrotoluol (TNT), Trinitroanisol (TNA) und 2,4-Dinitroanisol (DNAN), die zum Teil bereits aus dem Gebiet der Sprengstofftechnik als Bindemittel bekannt sind, wie eingangs beschrieben, als energetische Binder in (schmelz)gießbaren pyrotechnischen Sätzen verwendet werden können.
Relevante Werkstoffeigenschaften der hier vorgeschlagenen Bindemittel sind wie folgt.
TNT schmilzt bei 81°C, 2,3,5-TNA bei 106°C und 2,4-DNAN bei 94°C. Alle drei Stoffe verfügen über eine höhere Explosionsenthalpie als der aushärtbare energetische Binder GAP (ΔH_c(TNT) = 7,99 kJ·cm^–3, ΔH_c(TNA) = 8,03 kJ·cm^–3, ΔH_c(DNAN) = 8,40 kJ·cm^–3, ΔH_c(GAP) = 2,96 kJ·cm^–3). Im Gegensatz zu GAP sind die drei Bindemittel aber erheblich einfacher zu verarbeiten und auch erheblich kostengünstiger.
Es hat sich herausgestellt, dass TNT, TNA und DNAN als energetische Binder und alleinige Brennstoffe mit hochreaktiven Oxidationsmitteln und/oder als Binder in abbrennenden Metall/Oxidatorsystemen mit Oxidationsmitteln mit einem Massenanteil in einem Bereich von etwa 15 bis 65 Gew.-% gemischt werden können. Geeignete Oxidationsmittel sind zum Beispiel Perchlorate, Nitrate, Peroxide, Dinitramide und Fluorinitramide, Nitroformate und Fluoronitroformate der Alkali- und Erdalkalimetalle, Polytetrafluorethylen, Graphitfluorid, Hexachlorethan und Hexachlorbenzol.
Dabei steigert der exotherme Zerfall von TNT, TNA und DNAN die Abbrandgeschwindigkeit gegenüber den herkömmlichen Systemen mit einem endergonisch wirkenden Binder erheblich.
Die nachfolgenden Beispiele von Leuchtsätzen dienen der Verdeutlichung der Erfindung, ohne sie auf die speziellen Beispiele einzuschränken. Dabei betreffen die Zahlenangaben jeweils die Massenanteile in Gew.-%, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Beispiel 1:

40% Magnesium
30% Natriumnitrat
30% TNT

Beispiel 2:

38% Magnesium
17% Kaliumnitrat
45% TNT

Beispiel 3:

39% Zirkonium
37% Kaliumnitrat
24% TNT

Beispiel 4:

33% Magnesium
34% Ammoniumperchlorat
31% TNT

Beispiel 5:

63% Magnesium
13,5% Polytetrafluorethylen
23,5% TNT

Beispiel 6:

65% Kaliumperchlorat
34% TNT
1% Leitfähigkeitsruß

Beispiel 7:

63% Kaliumperchlorat
2% Bor
35% TNT

Beispiel 8 (Tarnnebelsatz):

65% Roter Phosphor
5% Kaliumnitrat
30% TNT

Beispiel 9 (Leuchttreibsatz):

33% inhibiertes Magnesium (z. B. chromatiert, fluoridiert, wolframiert)
34% Ammoniumperchlorat
33% TNT

Zum Vergleich sei erwähnt, dass in den obigen Beispielen 1 bis 8 jeweils das energetische Bindemittel TNT durch das schmelzbare, nicht-energetische Biphenyl mit gleichem Massenanteil ersetzt werden kann. Hinsichtlich obigem Beispiel 9 könnte TNT durch 15% Anthracen, 14% HTPB und 4% Additive ersetzt werden.
Die oben angegebenen pyrotechnischen Sätze (Beispiele 1 bis 9) können mit herkömmlichen Anzündmitteln gezündet werden. Bei metallfreien Formulierungen empfiehlt es sich, die Gießkörper mit einer Anfeuerung auf Basis von zum Beispiel sauerstoffüberbillanzierten Mischungen auf Basis von Bor/KNO₃/Nitrocellulose oder Bor/KCLO₄/Viton zu bestreichen, um eine verzugsfreie Anzündung ohne Russentwicklung zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7067024 B2 [0011]
- US 5525166 [0012]

Claims

Pyrotechnischer Satz, dadurch gekennzeichnet, dass er als Bindemittel eine oder mehrere Komponenten enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Trinitrotoluol, Trinitroanisol und 2,4-Dinitroanisol; und dass der Massenanteil des Bindemittels in einem Bereich von etwa 15 bis 65 Gew.-% liegt.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil des Bindemittels in einem Bereich von etwa 35 bis 65 Gew.-% liegt.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Bindemittel ausschließlich Trinitrotoluol enthält.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Bindemittel ausschließlich Trinitroanisol enthält.
Pyrotechnischer Satz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Bindemittel ausschließlich 2,4-Dinitroanisol enthält.
Pyrotechnischer Satz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Oxidationsmittel eine oder mehrere Komponenten enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Perchloraten, Nitraten, Peroxiden, Dinitramiden, Fluorinitramiden, Nitroformaten und Fluoronitroformaten der Alkali- und Erdalkalimetalle, Polytetrafluorethylen, Graphitfluorid, Hexachlorethan und Hexachlorbenzol.