DE102010004738A1

DE102010004738A1 - Hochenergetisches Schwarzpulver und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102010004738A1
Application number: DE201010004738
Authority: DE
Inventors: Jacek Dipl.-Ing. 38704 Knop; Michael 38640 Ohse; Eberhard Prof. Dr.-Ing. habil. 38640 Gock
Original assignee: Wano Schwarzpulver 38704 GmbH; WANO SCHWARZPULVER GmbH
Current assignee: Wano Schwarzpulver 38704 GmbH; WANO SCHWARZPULVER GmbH
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: DE102010004738B4

Abstract

Durch mechanische Aktivierung des Binärsatzes von Schwarzpulver Schwefel und Holzkohle z. B. mittels Schwingmahlung, wird durch Strukturveränderungen eine deutliche Erhöhung des Enthalphiebetrages erreicht, so dass ein entscheidender Einfluss auf den Explosionsenergiebetrag von Schwarzpulver genommen werden kann. Der Grad der mechanischen Aktivierung wird durch Röntgendiffraktometrie bestimmt. Gemessen werden die Röntgenimpulse an der Gitterebene 222 von Schwefel. Das gegenüber herkömmlichem Schwarzpulver erzeugte hochenergetische neue Produkt besitzt eine von mehr als 30%ige spezifische Energie, entsprechend > 333 l/g.

Description

Die heutige Standardzusammensetzung von Schwarzpulver ist folgende:

– 75% Kaliumnitrat,
– 10% Schwefel,
– 15% Holzkohle.

Kaliumnitrat ist der Sauerstoffträger. Schwefel erhöht die Entzündbarkeit und reduziert die Bildung von Kohlenmonoxid. Je nach Holzgattung und Herstellungsart der Holzkohle können Schwarzpulver mit verschiedenen Eigenschaften hergestellt werden. Das Holz soll weich aber nicht harzhaltig sein. Als Holzarten kommen deshalb im Wesentlichen in Betracht, Buche, Erle und Faulbaum. Es hat immer wieder Bemühungen gegeben, auf die Eigenschaften der Holzkohle über Oberflächenbehandlung, Korngröße und -verteilung sowie durch Zugabe von Modifikatoren wie z. B. Graphit und Dextrin Einfluss zu nehmen [Knop, J.: Schwarzpulver, aktuelle Anwendungen des ältesten Sprengstoffes der Menschheit, 30. Informationstagung, Sprengtechnik, Siegen, 28.–29, März 2008]
Der letzte Versuch zur Verbesserung der Wirksamkeit von Schwarzpulver wurde 1969 in Norwegen unternommen, der von einer gemeinsamen Vermahlung der oben genannten drei Komponenten in einer Strahlmühle ausgeht. In einer ringförmigen Kammer wird das mit Druckluft beschleunigte Material durch Prallbeanspruchung gemahlen. In einem nachgeschalteten Zyklon erfolgt eine Klassierung und Rückführung des Grobanteils [Loevold; Kjiell; Nittedal: Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulvermehl, P 2005549.6–45, 5. Juli 1973]. Die Einführung dieses Verfahrens scheiterte unter anderem auf Grund unzureichend dichter Schleusen zwischen Mühle und Peripherie. Die Folge waren Explosionen durch Kettenreaktionen infolge ungeklärter Funkenbildungen.
Andere Bemühungen befassten sich mit der entmischungsfreien Herstellung von Schwarzpulver-Presslingen beim Zusatz von Graphit. Es wurde eine um 10% größere Abbrandgeschwindigkeit erzielt [Moog Nico Feuerwerk GmbH und CO. KG, WANO Schwarzpulver GmbH: Schwarzpulver-Pressling, Gebrauchsmuster U1, Rollennummer G87 16612.7, 17.12.1987, Moog Nico Feuerwerk GmbH und CO. KG, WANO Schwarzpulver GmbH: Schwarzpulver, DE 3704747 C2 , 01.06.1989].
Bisher ist es nicht gelungen, die bereits seit 100 Jahren praktizierte Technologie im Hinblick auf die Steigerung der spezifischen Energie entscheidend zu verbessern.
Es wurde nun gefunden, dass durch eine mechanische Aktivierung der Einsatzstoffe Holzkohle und Schwefel mittels einer neuen Schwingmühlen-Technologie ein entscheidender Einfluss auf den Explosionsenergiebetrag von Schwarzpulver genommen werden kann. Nach bisherigem Erkenntnisstand kann durch die mechanische Aktivierung der Einsatzstoffe Schwefel (S) und Kohlenstoff (C) und das Explosionsenergiepotential so entscheidend erhöht werden, dass verglichen mit herkömmlichem Schwarzpulver, ein neues Produkt entsteht.
Bei der mechanischen Aktivierung handelt es sich im Wesentlichen um eine Stoßbeanspruchung des Mahlgutes, wobei Strukturstörungen durch Gitterdeformationen aufgeprägt werden, die zu einer Erhöhung des Enthalpiebetrages führen. Wird das mechanisch aktivierte Material einer Reaktion zugeführt, wird die gespeicherte Energie wieder abgegeben, was im Falle des Schwarzpulvers zu einer entscheidenden Erhöhung der spezifischen Energie des Schwarzpulvers führt.
Strukturstörungen werden üblicherweise durch Röntgendiffraktometrie nachgewiesen. Dabei werden Intensitätsmessungen der Röntgenpeaks vorgenommen. Kristalline Systeme, wie Elementarschwefel, lassen sich durch spezifische Röntgenbeugungsdiagramme, die Reflexionen bei bestimmten Beugungswinkeln (2 θ) wiedergeben, charakterisieren. Im Falle von Kristallgitterstörungen z. B. durch mechanische Beanspruchung vermindern sich die Peakhöhen und die Peakflächen, was durch Intensitätsabnahme messbar ist.
Wenn man die Intensität an einer bestimmten Gitterebene z. B. von Schwefel als I₀ vor der mechanischen Beanspruchung und die Intensität nach der mechanischen Beanspruchung mit I bezeichnet, ergibt sich ein Verhältnis von I/I₀. Jedem Verhältnis von I/I₀ sind bestimmte Eigenschaften des kristallinen Systems zugeordnet. Es handelt sich um eine reproduzierbare Größe, die einen bestimmten energetischen Zustand charakterisiert. Wenn man das Gemisch Schwefel-Holzkohle betrachtet, sind die durch mechanische Beanspruchung aufgeprägten Gitterstörungen durch die Höhe der Röntgenpeaks des Schwefels z. B. für die Hauptgitterebene 222 messbar. Ein I/I₀ von z. B. 0,5 für Schwefel an der Gitterebene 222 bedeutet, dass bei dieser messbaren Stoffeigenschaft das Schwarzpulver eine bestimmte genau messbare spezifische Energie freisetzt. Damit ergibt sich eine signifikante Kontrollmethode für die Bestimmung der Stoffeigenschaft des Schwarzpulvers, wenn nach der Aktivierung des Systems Schwefel-Holzkohle die Vermengung mit KNO₃ erfolgt ist.
Die spezifische Energie des Schwarzpulvers wird von der Geschwindigkeit des Geschosses abgeleitet. Dazu wird die Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses mit einer Fotozelle gemessen und die kinetische Energie nach der Gleichung (1)
berechnet. Dividiert man das Ergebnis durch die Schwarzpulvermasse, erhält man die spezifische Energie entsprechend Gleichung 2:
Die Vorteile der veränderten Stoffeigenschaften des Schwarzpulvers gegenüber konventionellem Schwarzpulver sind:

– Optimale Ausnutzung der Energie,
– Rohstoffeinsparung,
– Verringerung der Verbrennungsrückstände.

Die Vorteile konzentrieren sich auf die Wehrtechnik, indem mit entscheidend kleineren Pulvermengen die gleiche Wirkung erzielt wird.
Nachfolgend werden anhand von 3 Beispielen die neuen Stoffeigenschaften von Schwarzpulver nach mechanischer Aktivierung des Systems Schwefel-Holzkohle belegt. Ein konventionelles Schwarzpulver besitzt eine spezifische Energie von etwa 250 Joule/g.
Beispiel 1:
In einer Exzenter-Schwingmühle vom Typ ESM 653 ks 0,5 wurde ein Binärsatz (40% Schwefel, 60% Holzkohle) mit 500 kWh/t mechanisch aktiviert. Die röntgenographische Kontrolle ergab an der Gitterebene 222 für Elementarschwefel ein I/I₀ von 0,3.
Die ballistische Prüfung wies eine Erhöhung der spezifischen Energie des Schwarzpulvers um 29.8% entsprechend 322 Joule/g nach.
Beispiel 2:
Der Binärsatz wurde mit der gleichen Maschine, aber mit einem Energieaufwand von 100 kWh/t mechanisch aktiviert. Die röntgenographische Kontrolle ergab ein I/I₀ von 0,9.
Bei der ballistischen Prüfung betrug die Erhöhung der spezifischen Energie von 5.5% entsprechend 261 Joule/g.
Beispiel 3:
In diesem Fall wurde der Energieaufwand für die mechanische Aktivierung auf 925 kWh/t erhöht. Bei der röntgenographischen Kontrolle wurde ein I/I₀ von 0,1 ermittelt. Die ballistische Prüfung ergab eine Erhöhung der spezifischen Energie des Schwarzpulvers von 35% entsprechend 333 Joule/g.
Die innige Vermengung des mechanisch aktivierten Binärsatzes mit Kaliumnitrat wird unter Wasserzugabe in einem Kollergang vorgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3704747 C2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Knop, J.: Schwarzpulver, aktuelle Anwendungen des ältesten Sprengstoffes der Menschheit, 30. Informationstagung, Sprengtechnik, Siegen, 28.–29, März 2008 [0002]
Loevold; Kjiell; Nittedal: Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulvermehl, P 2005549.6–45, 5. Juli 1973 [0003]

Claims

Hochenergetisches Schwarzpulver, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung durch mechanische Aktivierung mindestens eines brennbaren Bestandteiles vor der Vermengung mit Kaliumnitrat erfolgt.
Hochenergetisches Schwarzpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung durch mechanische Aktivierung beider brennbarer Bestandteile (Schwefel und Kohle) vor der Vermengung mit Kaliumnitrat vorgenommen wird.
Hochenergetisches Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Vermengung mit den aktivierten brennbaren Bestandteilen auch Kaliumnitrat separat mechanisch aktiviert wird.
Hochenergetisches Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Röntgenintensitäten I/I₀ an der Gitterebene 222 von Schwefel kleiner als 0,9 ist.
Hochenergetisches Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Energie > 250 Joule/g ist.
Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Aktivierung in einer Schwingmühle erfolgt.
Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Aktivierung in einer Planetenkugelmühle, einer Rührwerkskugelmühle, einem Attritor oder einer Strahlmühle vorgenommen wird.
Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Panzerungen der Mühlen Keramik verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die mechanische Aktivierung eingesetzte Mühle gekühlt ist.
Verfahren zur Herstellung von Schwarzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Aktivierung unter Schutzgas erfolgt.