DE102010005923A1

DE102010005923A1 - Pressbares insensitives Sprengstoffgemisch

Info

Publication number: DE102010005923A1
Application number: DE102010005923A
Authority: DE
Inventors: Oliver 91207 Pham; Marco 90556 Auer; Arno Dr. 91239 Hahma; Johann 90552 Licha; Dominik 91227 Clement
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: DE102010005923B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pressbares insensitives Sprengstoffgemisch mit einem sensitiven ersten Sprengstoff und einem Polymer als Bindemittel, wobei das Polymer ein energetisches Polymer ist und das Sprengstoffgemisch weiterhin einen insensitiven zweiten Sprengstoff umfasst, wobei der erste Sprengstoff mindestens eine durchschnittliche Körnung aufweist, die mindestens 7 mal größer ist als eine durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs.

Description

Die Erfindung betrifft ein pressbares insensitives Sprengstoffgemisch mit einem sensitiven Sprengstoff und einem Polymer als Bindemittel. Als insensitiv bzw. unempfindlich wird ein Sprengstoff bzw. Sprengstoffgemisch bezeichnet, welcher/welches durch eine Schockwelle mit einem Druck von ≤ 26 kbar nicht zur Detonation gebracht werden kann. Sensitive Sprengstoffe bzw. Sprengstoffgemische detonieren dagegen bei einem solchen Druck.
Aus der DE 202 20 625 U1 ist eine gepresste unempfindliche Sprengstoffmischung bekannt, bei der grob- und feinkörnige Kristalle eines Sprengstoffs durch ein Bindersystem gebunden sind. Das Bindersystem besteht dabei aus einem Weichmacher und dem Polymer HYTEMP^®. Bei HYTEMP^® handelt es sich um ein Polyacrylat der Firma ZEON Chemicals L. P. Der Weichmacher ist für die Elastizität des Bindersystems und damit für die Unempfindlichkeit der Sprengstoffmischung erforderlich. Nachteilig an dieser Mischung ist, dass eine Migration des Weichmachers eine Konsistenzänderung und eine Inhomogenität der Sprengstoffmischung bewirkt. Dadurch ergeben sich in der Sprengstoffmischung Bereiche, welche eine höhere Sensitivität als die von einem unempfindlichen Sprengstoffgemisch gewünschte Sensitivität aufweisen. Eine Langzeitstabilität der Sprengstoffmischung ist nicht gegeben. Weiterhin führt das Herausdiffundieren des Weichmachers zu Defekten an Gummidichtungen und Kunststoffteilen.
Aus der DE 10 2006 030 678 A1 ist eine Blast-Wirkladung, bestehend aus rotem Phosphor oder einer roten Phosphor enthaltenden Verbindung, einem Sprengstoff und einem Binder bekannt. Bei dem Sprengstoff kann es sich um Oktogen (Cyclotetramethylentetranitramin, auch als HMX bezeichnet) handeln. Als Bindemittel kann ein Sprengstoff, wie beispielsweise TNT oder TATE, verwendet werden. Die HMX und ein solches Bindemittel enthaltende Blast-Wirkladung lässt ein Pressen auf eine hohe Dichte nicht zu, weil HMX eine hohe Schockwellensensitivität aufweist und auch die als Bindemittel eingesetzten Sprengstoffe sensitiv sind. Eine hohe Dichte der Sprengstoffmischung ist jedoch wünschenswert, weil die Detonationsleistung eines Sprengstoffgemischs umso höher ist, je höher dessen Dichte ist.
Aus der US 2004/0050466 A1 ist ein pressbares Gemisch aus HMX und einem thermisch stabilen polymeren Binder, welcher THV-220G^TM umfasst, bekannt. Bei diesem Binder für Explosivstoffe handelt es sich um ein Fluorthermoplast der Firma Dyneon LLC, welcher selbst nicht energetisch ist, d. h. sich nicht durch Explosion unter Energiefreisetzung zersetzen kann. Der Binder kann mit einem Weichmacher versetzt sein. Nachteilig an diesem Gemisch ist, dass es keine allzu hohe Detonationsleistung bereitstellen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen insensitiven Explosivstoff bereitzustellen, der eine hohe Detonationsleistung bereitstellen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.
Erfindungsgemäß ist ein pressbares insensitives Sprengstoffgemisch mit einem sensitiven ersten Sprengstoff und einem Polymer als Bindemittel vorgesehen. Bei dem Polymer handelt es sich um ein energetisches Polymer, d. h. ein Polymer, welches selbst explosiv ist und bei seiner Detonation Energie freisetzt. Das Sprengstoffgemisch umfasst weiterhin einen insensitiven zweiten Sprengstoff, wobei der erste Sprengstoff mindestens eine durchschnittliche Körnung aufweist, die mindestens 7 mal größer ist als eine durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs. Die durchschnittliche Körnung ergibt sich im Allgemeinen aus einer Gauß-Verteilung der Körnungen. Der erste Sprengstoff kann auch in verschiedenen durchschnittlichen Körnungen, wie beispielsweise 300 μm und 40 μm, vorliegen. Durch das Verhältnis der durchschnittlichen Körnungen kann der insensitive zweite Sprengstoff den grobkörnigeren ersten Sprengstoff beschichten und/oder einbetten, ohne dass dabei größere Freiräume verbleiben.
Bei bisher bekannten pressbaren Sprengstoffmischungen wurde ein nicht-energetisches thermoplastisches Polymer als Bindemittel verwendet, um die Pressbarkeit sowie die Insensitivität des durch Pressen erzeugten Presskörpers bereitzustellen. Durch das Verpressen dieser Gemische können hohe Dichten und dadurch hohe Detonationsleistungen bereitgestellt werden. Die Elastizität des thermoplastischen Polymers ermöglicht es, Schockwellenenergie aufzunehmen und somit die Insensitivität zu gewährleisten. Derartige Polymere bewirken in dem Gemisch einen Verlust an Detonationsleistung, weil sie selbst nichts zur Detonationsleistung beitragen, der Polymeranteil den Anteil an Sprengstoff am Gemisch verringert und Polymere, wie z. B. HYTEMP^®, der Explosionsreaktion sogar unter Umständen Energie entziehen können.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass sich durch den bloßen Ersatz des nicht-energetischen Polymers durch ein energetisches Polymer zwar die Detonationsleistung erhöhen ließe, wegen der geringen Dichte derartiger Polymere sich jedoch nicht die gewünschte hohe Dichte des Gemischs erreichen lässt. Würde die Dichte durch Reduktion des Anteils eines energetischen Polymers erhöht, wäre dadurch die gewünschte Insensitivität nicht mehr sicherzustellen.
Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass ein bloßes Phlegmatisieren des ersten Sprengstoffs mit einem insensitiven zweiten Sprengstoff ebenfalls nicht ausreicht, um ein insensitives pressbares Sprengstoffgemisch zu erhalten. Sie haben jedoch erkannt, dass die Insensitivität und die Pressbarkeit dadurch erreicht werden kann, dass ein grobkörniger sensitiver erster Sprengstoff in einem feinkörnigen insensitiven zweiten Sprengstoff und einem energetischen Polymer eingebettet wird. Gleichzeitig kann dadurch eine hohe Dichte (Pressdichte) und damit eine hohe Detonationsleistung bereitgestellt werden. Ein Weichmacher mit den oben genannten Nachteilen ist nicht erforderlich.
Durch den Einsatz des insensitiven zweiten Sprengstoffs kann die Insensitivität gesteigert werden und der Anteil an energetischem Polymer, welches üblicherweise eine geringe Dichte aufweist, gering gehalten werden. Dadurch kann ein gepresstes Sprengstoffgemisch hoher Dichte und dennoch hoher Insensitivität bereitgestellt werden. Das Polymer gewährleistet die Insensitivität durch die Fähigkeit, auf das Sprengstoffgemisch einwirkende mechanische Energie (Schockwelle) durch elastische Verformung aufzunehmen.
Das erfindungsgemäße Sprengstoffgemisch ist gegenüber Schlag, Reibung und Stoßwellen unempfindlich. Es kann durch Pressen so verdichtet werden, dass es die bisher bekannten insensitiven pressbaren Gemische an Pressdichte und Detonationsleistung übertrifft. Darüber hinaus übertrifft die Langzeitstabilität des erfindungsgemäßen Sprengstoffgemischs diejenige bisher bekannter insensitiver pressbarer Gemische. Die höhere Detonationsleistung ist u. a. dadurch bedingt, dass das Bindemittel ein energetisches Bindemittel ist und dass durch die Feinkörnigkeit des zweiten Sprengstoffs im Verhältnis zum ersten Sprengstoff eine höhere Pressdichte ermöglicht wird. In gepresstem Zustand des Sprengstoffgemischs kann der zweite Sprengstoff bei hoher Packungsdichte des Sprengstoffgemischs viele intermolekulare Wechselwirkungen mit dem ersten Sprengstoff eingehen. Die Insensitivität kann mit einem Anteil des energetischen Polymers am Sprengstoffgemisch von weniger als 5 Gew.-% erreicht werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Sprengstoff um Oktogen (HMX). Oktogen liegt üblicherweise in Form von Kristallen vor. Bei dem zweiten Sprengstoff kann es sich um Triaminotrinitrobenzol (TATB) oder 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen (FOX-7) oder andere insensitive Sprengstoffe mit einer Dichte gleich oder höher des Basissprengstoffs (ersten Sprengstoffs) handeln.
In einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Polymer um Glycidylazidpolymer (GAP). GAP weist eine Dichte von 1,3 g/cm³ und damit eine höhere Dichte als bisher verwendete nicht-energetische Polymere auf. Eine besonders gute Pressbarkeit ergibt sich durch auspolymerisiertes GAP. Weitere geeignete energetische Polymere sind Poly(3-nitratomethyl-3-methyloxetan) (PolyNIMMO) oder Poly(3-azidomethyl-3-methyloxetan) (PolyAMMO).
Besonders insensitiv ist das Sprengstoffgemisch, wenn das Polymer, insbesondere mittels eines Vernetzungsreagenzes, insbesondere mittels eines Isocyanats, insbesondere mittels Isophorondiisocyanat (IPDI), vernetzt ist. IPDI kann freie OH-Gruppen von GAP miteinander vernetzen, so dass aus GAP mit einer honigartigen Konsistenz ein gummiartiges Polymer wird, welches sehr gut Schockwellen absorbieren kann. Als Vernetzer sind außerdem auch HDI, TDI, MDI und N-100 geeignet.
Der Anteil des Polymers am Sprengstoffgemisch kann 3,5 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 7 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 5 Gew.-%, betragen. Je niedriger der Anteil des Polymers am Sprengstoffgemisch ist, desto höher ist die beim Pressen des Sprengstoffgemischs zu erreichende Dichte.
Der Anteil des ersten Sprengstoffs am Sprengstoffgemisch beträgt bevorzugt mehr als 90 Gew.-%. Dadurch kann eine hohe Detonationsleistung bereitgestellt werden. Der Anteil des zweiten Sprengstoffs am Sprengstoffgemisch kann 1 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 6 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 5 Gew.-%, betragen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine durchschnittliche Körnung des ersten Sprengstoffs mindestens 8 mal, insbesondere mindestens 9 mal, insbesondere mindestens 10 mal, größer als die eine durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs. Je kleiner die durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs im Verhältnis zum ersten Sprengstoff ist, desto höher ist die mögliche Packungsdichte der Sprengstoffpartikel des Sprengstoffgemischs, weil dann auch kleinere Hohlräume durch den zweiten Sprengstoff ausgefüllt werden können.
Die durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs beträgt vorzugsweise 5 μm bis 20 μm, insbesondere 10 μm bis 20 μm, insbesondere 10 μm bis 15 μm.
Das Sprengstoffgemisch kann durch Pressen auf eine Dichte von mindestens 1,80 g/cm³, insbesondere mindestens 1,82 g/cm³, insbesondere mindestens 1,83 g/cm³, verdichtet sein. Eine Dichte von mindestens 1,83 g/cm³ ist bisher bei einem pressbaren insensitiven Sprengstoffgemisch nicht erreicht worden.
Vorzugsweise ist in dem Sprengstoffgemisch kein Weichmacher enthalten. Ein Weichmacher ist auf Grund der Einbettung des ersten Sprengstoffs in den feinkörnigen insensitiven zweiten Sprengstoff nicht erforderlich. Darüber hinaus benötigt GAP keinen Weichmacher zur Aufrechterhaltung seiner Elastizität. Die oben genannten mit Weichmachern einhergehenden Nachteile der Konsistenzänderung des Sprengstoffgemischs auf Grund der Migration des Weichmachers, der sich dadurch bildenden Inhomogenität, der lokalen Änderungen der Sensitivität in dem Sprengstoffgemisch, der verringerten Langzeitstabilität sowie der durch austretenden Weichmacher verursachten Defekte an Gummidichtungen und Kunststoffteilen werden dadurch vermieden.
Das Sprengstoffgemisch kann weiterhin ein Tensid, insbesondere ein Stearat, insbesondere Sorbitanmonosterat, umfassen. Durch das Tensid kann eine ansonsten nicht ausreichende molekulare Wechselwirkung zwischen dem ersten Sprengstoff und dem zweiten Sprengstoff vermittelt werden. Der Anteil des Tensids am Sprengstoffgemisch kann 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,9 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%, betragen. In einem Ausführungsbeispiel ist in dem erfindungsgemäßen Sprengstoffgemisch, abgesehen von dem ggf. enthaltenen Vernetzungsreagenz und/oder Tensid, keine nicht-energetische Komponente enthalten. Dadurch kann eine besonders hohe Detonationsleistung bereitgestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen pressbaren insensitiven Sprengstoffgemischs aus HMX, TATB und vernetztem GAP werden zunächst 63,69 g HMX und 3,50 g TATB vermischt bis die Mischung eine einheitliche gelbe Farbe angenommen hat und von Homogenität ausgegangen werden kann. 2/3 des eingesetzten HMXs wiesen dabei eine Körnung von 300 bis 350 μm und 1/3 des eingesetzten HMXs eine Körnung von 40 bis 60 μm auf. Das TATB lag in einer Körnung von 5 bis 7 μm vor. Die Klassierung erfolgte durch Sieben.
In ein 500 ml Becherglas werden 2,45 g GAP eingewogen und mit 200 ml Ethylacetat versetzt. In die Lösung werden nun 362 mg Isophorondiisocyanat (IPDI) als Vernetzer zugegeben. Das Becherglas wird in ein 50°C warmes Wasserbad überführt und mit einem Flügelrührer bei 400 bis 500 Umdrehungen pro Minute 3 Minuten lang gerührt, so dass eine homogene Lösung entsteht. Danach wird über einen Zeitraum von ca. 5 Minuten unter Rühren das HMX-TATB-Gemisch zugegeben. Nach vollständiger Zugabe wird noch 20 Minuten bei 50°C und ca. 500 Umdrehungen pro Minute weitergerührt. Anschließend wird die Temperatur des Wasserbads auf 90°C angehoben und das Ethylacetat soweit abgezogen, bis die Mischung mit einer Flüssigkeitsschicht von ca. 1 mm bedeckt ist.
Die Mischung wird nach Entnahme aus dem Wasserbad mit einem Spatel noch einmal gründlich homogenisiert und zum vollständigen Abdampfen des Lösungsmittels und Aushärten des GAPs bei 50°C im Ofen über Nacht gelagert. Nach Abkühlen wird das Sprengstoffgemisch auf eine Dichte von 1,83 g/cm³ verdichtet. Daraus ergibt sich eine berechnete Detonationsgeschwindigkeit von 9014 m/s und ein berechneter Detonationsdruck von 338 kbar. Eine Sensitivitätsmessung mittels des Small-Scale-Gap-Tests ergab, dass bei einer Schockwelle von 28 kbar noch keine Initiierung erfolgte. Das Sprengstoffgemisch ist damit als insensitiv gegenüber Schockwelleneinwirkung einzustufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20220625 U1 [0002]
DE 102006030678 A1 [0003]
US 2004/0050466 A1 [0004]

Claims

Pressbares insensitives Sprengstoffgemisch mit einem sensitiven ersten Sprengstoff und einem Polymer als Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein energetisches Polymer ist und das Sprengstoffgemisch weiterhin einen insensitiven zweiten Sprengstoff umfasst, wobei der erste Sprengstoff mindestens eine durchschnittliche Körnung aufweist, die mindestens 7 mal größer ist als eine durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs.
Sprengstoffgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sprengstoff Oktogen (HMX) ist.
Sprengstoffgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sprengstoff Triaminotrinitrobenzol (TATB) oder 1,1-Diamino-2,2-dinitroethylen (FOX-7) oder FOX-12 oder Nitroguanidin oder Aminotetrazole oder Diaminoazoxyfurazan (DARF) ist.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Glycidylazidpolymer (GAP), Poly(3-nitratomethyl-3-methyloxetan) (PolyNIMMO), Poly(3-azidomethyl-3-methyloxetan) (PolyAMMO), Nitrocellulose oder Polygylzidylnitrat (PolyGLYN) ist.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer, insbesondere mittels eines Vernetzungsreagenzes, insbesondere mittels eines Isocyanats, insbesondere mittels Isophorondiisocyanat (IPDI), oder über Vernetzung der Azid-Gruppen mittels Nitrilen unter Tetrazol-Bildung vernetzt ist.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Polymers am Sprengstoffgemisch 3,5 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 7 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 5 Gew.-%, beträgt.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Sprengstoffs am Sprengstoffgemisch mehr als 90 Gew.-% beträgt.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Sprengstoffs am Sprengstoffgemisch 1 Gew.-% bis 8 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 6 Gew.-%, insbesondere 4 Gew.-% bis 5 Gew.-%, beträgt.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine durchschnittliche Körnung des ersten Sprengstoffs mindestens 7 mal, insbesondere mindestens 8 mal, insbesondere mindestens 9 mal, insbesondere mindestens 10 mal, größer ist als die eine durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Körnung des zweiten Sprengstoffs 5 μm bis 50 μm, insbesondere 10 μm bis 20 μm, insbesondere 10 μm bis 15 μm, beträgt.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprengstoffgemisch durch Pressen auf eine Dichte von mindestens 1,80 g/cm³, insbesondere mindestens 1,82 g/cm³, insbesondere mindestens 1,83 g/cm³, verdichtet ist.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass darin kein Weichmacher enthalten ist.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprengstoffgemisch weiterhin ein Tensid, insbesondere ein Stearat, insbesondere Sorbitanmonosterat, oder weiterhin nichtionische Tenside wie Polyethylenglykolether oder Polyethylenglykole umfasst.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Tensids am Sprengstoffgemisch 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,9 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%, beträgt.
Sprengstoffgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass darin, abgesehen von dem ggf. enthaltenen Tensid, keine nicht-energetische Komponente enthalten ist.