DE1571243A1 - Verfahren zur Herstellung eines geformten Treibmittelkorns - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung eines geformten Sreibmittelko-rns«

Die Erfindung betrifft feste Treibmittels die ein thermoplastik aches Bindemittel enthalten», und insbesondere ein Verfahren ?5ur Verbesserung der Schußeigenschaften dieser Treibmittel«, Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Anwendung auf die Herstellung von Treibmitteln beschrieben, die Ammoniumnitrat ale HauptO3cyda tionsmittel enthalten, das vorliegende Verfahren soll jedoch nicht darauf beschränkt sein»

Bei der Gaserzeugung für Raketenav/eoke lot es la. fielen Taill erwünscht _$ daß die gasliefernfie Zusammen&®^nng §ae laiüj eija@?

gleichmäßigen Geschwindigkeit entwickelt₉ ia ü®t IFashsprache iai; von einem Brennen mit gleichmäBiger GesshwiMigkslt cli© R©d©, ÄmmQnlv\mnitT&t%UBQMM@n®<3t&ung<3n "beestehsa la liehen aus Asamoaiumnitra'feteiloten in θΙειθμ sehen Matss?iol (Mridsmittel) tmä ^es^ieMedeiieE öMe^ea wie elueni iMtBtjmtQi? %®z* JMr&ernng doi= fQ

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ohemischen Stabilisierungsmittel zur Verminderung der Zersetzung • und dgl., um die Brennqualität zu verbessern und um den Überschuß an freiem Sauerstoff zu nutzen, der durch die Zersetzung dee Ammoniumnitrate verfügbar wird* Diese oxydierbaren organischen Stoffe können irgendwelche thermoplastischen Stoffe sein, die dem Fach- . mann für die Verwendung bei Treibmittelzusammensetzungen bekannt sind.

Das bisherige Vielkomponenten--Bindemittel oder der bisherige Grundstoff besteht gewöhnlich aus einem polymeren Grundmaterial und einem, Weichmacher dafür,. Besonders geeignete polymere GrundoaterialieK sind Zelluloseester von Alkansäuren, die 2 bis 4 Kohlenstoffatome enthalten, wie Zelluloseacetat, Zellulosebutyrat und Zellulosepropionat.

Die Polyvinylharze, wie Polyvinylchlorid und Polyvinylacetat, sind ebenfalls gute Grundstoffe, Styrol/Acrylnitril-Harz ist ein Beispiel eines Mischpolymerisats, das ein gutes Grundmaterial abgibt» Polyacrylnitril ist ein anderes geeignetes Grundmaterial, wie es auch Polyamidharze, wie die verschiedenen Nylongruppen, sind.

Die Weichraacherkomponente dos Bindemitteln enthält vorzugsweise ebenfalls gebundenen Sauerstoff. JOer Sauerstoff kann in dem Weichmacher als Ätherbindung und/oder Hydroxyl- und/oder Oarbonylgruppe vorliegen* der Sauerstoff kann auch ala anorganischer Substituent,

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insbesondere als Nitrogruppe, anwesend sein»

Im allgemeinen kann jeder Weichmacher, der geeignet ist, das spezielle Polymere zu plastifizieren, verwendet werden. Es kann eine einzelne plastif!zierende Verbindung angewendet werden, gewöhnlich werden zwei oder mehr Verbindungen zusammen angewendet, beispielsweise Acetyltriäthylcitrat und Triäthylcitrat und dgl·.

Die speziellen Erfordernisse hinsichtlich der Verwendung bestimmen nicht nur das Polymere, sondern auch den speziellen Weichmacher oder die Kombination von Weichmachern, die verwendet werden. Die genaue Menge an Bindemittel ist abhängig vom Typ des Materials, das daä Bindemittel bildet, sowie von den Erfordernissen für das spezielle Korn.

Pur ein festes Treibmittel, das für militärischen Gebrauch geeignet ist, ist es notwendig, daß es lange Lagerzeiten bei Temperaturen zwischen 71 bis -54⁰C (160 bis -65⁰S¹) schuöstabil (ballistisch stabil)istο Viele Bindemittel sind zur Herstellung eines geformten festen Treibmittels verwendet worden, wozu auch die oben genannten gehören. Das mit dem Ammoniumnitrat sur Herstellung von physikalisch stabilen Körnern verwendete Bindemittel muß flexibel sein, um Yolumänderungen des Ammoniumnitrate, wie sie von einer Temperatur zur anderen eintreten, zu kompensieren, da Ammoniumnitrat in Abhängigkeit von der Temperatur in mehreren

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festen Formen existiert. Dae Bindemittelmaterial muß die Volumänderungen kompensieren, damit derartige Änderungen eine minimale Menge an Lücken und Rissen in den Körnern hervorrufen. Die BiI" dung von Hissen in dem Korn entweder innen oder außen an der Oberfläche des Korns erzeugt zusätzliche Brennoberflächen, was die Schußleistung des Korns unvorhersagbar macht« Es ist deshalb notwendig, ein Bindemittelmaterial zu liefern, das ein geformtes Korn mit befriedigendem physikalischem Ausgleichsvermögen ergibt. Ein derartiges Korn muß außerdem fähig sein, bei extrem niedrigen oder relativ hohen Temperaturen gezündet zu werden, nachdem es verschiedenen Lagerungstemperaturbedingungen unterworfen worden ist, und es muß gleichmäßig und mit einer derartigen Geschwindigkeit brennen, um die Impulsenergie gemäß der erforderlichen Leistung zu verteilen»

Pein pulverisiertes Ammoniumnitrat enthält etwa 20 Vol.»# oder mehr Leerraum und dieser Leerraum muß vollständig gefüllt werden, um ein geformtes körniges Treibmittel mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Außerdem wird zusätzlicher Leerraum geschaffen, wenn eine anorganische Verbindung als Kata-. lysator verwendet wird, und dos Bindemittel muß nicht nur die Leerräume des Ammoniumnitrats, sondern auch die in dem fein pulverisierten anorganischen KatalyBatormaterial vorhandenen Leerräume füllen.

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Kir den militärischen Gebrauch ist ein Treibmittel erwünscht, das nicht-detonierende Eigenschaften anstelle der detonierenden Eigenschaften von gewöhnlichen Ammoniumnitrat-Sprengstoffen aufweist. Die Brenneigenschaften von nicht-detonierenden Sprengstoffen hängen von der Temperatur und dem Druck in der Brennkammer ab. Eine anfänglich hohe Temperatur des Kornes fUhrt dazu» daß das Treibmittel bei einem höheren Verbrennungsdruck und einem höheren Schub v/irksam wird als bei einer kühleren Temperatur» Die Brenndauer ist kürzer, der Gesamtimpuls wird jedoch nicht bedeutend verändert. Daraus geht hervor, daß die Anfangstemperatür des Kornes eine entscheidende Wirkung auf die Brenngeschwindigkeit hat, und daß die Wetterbedingungen in Betracht gezogen werden müssen, wenn genaue Leiettingserfordernisse erfüllt werden sollen.

Die Geschwindigkeit, mit der ein fesfceö Treibmittel, während es wirksam wird, verbraucht wird, wird lie Brenngeschwindigkeit genannt. Sie wird in einer «u der Treibmi-früe!oberfläche senkrechten Richtung gemessen und wird gev/öhnlioh in cm/sek. (inoh/sec) ausgedrückt₀ Die Brenngeschwindigkeit kann durch die folgende Gleichung autjgedrückt werden, in der der Einfluß aller Durchführungsparameter im Vergleich mit rlem KammoTdrutik und der anfänglichen Korntemperatui gering ioto

ρ » a pⁿ

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Die Brenngeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit des Treibmittelverbrauchs "r" wird gewöhnlich in CBi/sek. (inch/see.) ango^eben, der Kainraerdruck "P₀" wird in kg/cm (IbB./square inch) angegeben_t "a" und "n" sind Konstanten» Die Konstante "a^M variiert mit der anfänglichen Treibmitteltemperatur und demnach stellt die Brenngeschwindigkeit eine Funktion der Temperatur des Kornes vor der Verbrennung dar. Für die meisten Einsätze ist es erwünscht, daß der Wert "r" so groß wie möglich ist_o Je kleiner der Wert von "n" ist, umso geringer ißt der detonierende Charakter einer gasliefernden Hasse und umso gleichmäßiger und glatter ist die Brenngeschwindigkeit des Treibmittelkorns. So wird durch eine glatte Verbrennung des Korns ein anhaltender Schub anstelle einer Detonation erhalten.

Die Temperaturempfindlichkeit von verschiedenen festen Treibmitteln wird gwöhnlich als Prozentsatz der Änderung des Schubes pro Einheit Temperaturänderung ausgedrückt. Temperaturänderungen beeinflussen den Gleichgewichtsdruck und die Brenngeschwindigkeit. Die Definitionen der Temperaturkoeffizienten werden angegeben von Sutton, "Rocket Propulsion Elements" (2. Ausgabe, 1958):

r_K -

(Qnj)_ 1

^~"~K ^B ^o fe^'I )_K

(<Tlii r) 1_ (cTr)

(d"T )_p - r

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ν ist der Temperaturempfinäliehkeit^koeffizient des Gleichgewichtsdruckee "bei einem bestimmten* Wert' von K (K ist das Verhält nis von Brennoberfläche zur HaIsflache), ausgedrückt in Prozent Druckänderung pro Grad Tempera^uränderung» Mathematisch ist der Wert definiert.als partielle Ableitung dee natürlichen Loge= rithmus des Kammergleiehgewiehtsuruokß ρ nach der Temperatur To Der andere Temperaturempfindlichkeitskoeffizieittt cfl bezieht sich auf die Änderung der Brenngesehwindigkeit r eines festen Treibmittels, bezogen auf die Temperatur T bei einem bestimmten Wert des Kammerdrucks ρ ο Er ist auch als Brenngeschwindigkeits-Tempe» raturkoeffizient bekannt, während /f% als Tempera tür empfindlichkeit des Druckes bekannt ist«

Pur die meisten Treibmittelanwendungen ist ein möglichst niedriger Temperaturkoeffizient erwünscht und aus der Sicht der technischen Planung auch erforderlich« Niedrige Druckwerte bei einer gegebe-

nen Temperaturhöhe erlauben eine beträchtliche Gewichtsersparnis bei den meisten Anwendungen für Geschosse_o

Im Hinblick auf die Bedeutung eines niedrigen Temperaturkoeffi» zienten zur Verbesserung der Treibmi^telleistuwg bei der Anwen dung auf militärischem Gebiet 5Bt die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von Treitimittelkörnern hoch erwünscht C

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Es wurde nun gefundein, daß die gewünschten oben erwähnten Schußeigenschaften nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das im folgenden beschrieben wird, erreicht werden können_β ·

Rohes Treibmittel wird in eine Kammer eingebracht, die geeignet ist, Druck auf das Treibmittel ausüben au laosen, und der Druck wird auf das Treibmittel ausgeübt. Die Kammer ist mit einer Austrittsöf.fnung versehen, durch die das Treibmittel extrudiert wird-Es ist eine Aufnahmekammer vorgesehen, in die daß extrudierte Treibmittel fließt. Sowohl die Größe des Durchmessers der Austrittsöffnung als auch die Treibmitteltemperatur sind kritisch, um den gewünschten Effekt zu liefern» Das extrudierte Treibmittel kann dann unmittelbar.* danach oder zu späterer Zeit zu einem geformten Korn nach dem lachmann bekannten Methoden₉ beispielsweise durch Formpressen, /erformt werdem Hach dem Stand der Technik ist eine gewisse Verbesserung des Temperaturkoeffizienten durch Mischen des Treibmittel« oder durch Scheren erreicht worden_r was der Fachmann mit "working" bezeichnet,,

Diese bekannten Verfahren sind jedoch hinoiohtlich der Bearbeitung des Treibmittels nicht gleichmäßige Ea ist bekannt, daß das Bindemittel die Ammoninmnitratkristalle benetzen muß und dien wivA gewöhnlich durch das Scheckverfahren erreicht. Beim Mischen oder Mali·

sich I'm schart das Bindemittel in zufälliger Wei,Be_f woboi/nur eine

ieringo Verbesserung den Temper« turkoeffiHiontrui im Vea'gleioh mit

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der vorliegenden Erfindung ergibt, die eine gleichmäßige Scherung des Bindemittels ergibt» Es ist jedoch wesentlich, daß mehrere Pak~ toren in Betracht gezogen werden müssen, um den gewünschten Effekt optimal zu gestalten, wenn die Extrusion angewendet v/erden 30H₀ Diese Faktoren sind: der verwendete Treibmltteltyp und insbesondere die Viskosität des Treibmittels, dio PartikelgrOße, die Größe des Durchmessers der Austrittsoffnung, die Form oder Konfiguration der Austrlttsöffnung, die !Temperatur deο treibmittela, die Temperatur des Treibmittels während der Extrusion., der zum Extrudieren angewendete Druck und die Extruaionegesohwindigkeit_o Ee ist ein geeignetes Verhältnis zwischen den oben ervrähnten Paktoren wesentlich um ein maximales "working" oder Scheren ohne Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Treibmittels zu erhalten, d<,h₀ ohne Änderung von Eigenschaften wie der Zugfestigkeit, die zu einer Störung der■ Bindemittelstruktur führen,. Eine andere Einschränkung ist, daß dan Bindemittel fließfähig sein inuß₉ ,Jedoch sollte dies nicht bei einer derart hohen. Temperntür der Pail sein, die die Gefahr der Se Ibfifc ent zündung des Treibnittels schafft*

Deshalb ist es erwünscht, wenn der !fließfähige Stoff eine hohe Viskosität besitzt,, durch eine größere Austritt Hoffnung zu extrudieren oder das Treibmittel auf ein« höhere Temperatur zu erhitzen« Es ist auch notwendig ₉ die Partikel,pxiße des Oxydationsmittels zu regeln, da bei der Extrusion durch υine kleinere Austrittsöffnung eine Zerstörung von gröberen Teilohen wahrscheinlich ist.

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Die Brenngeschwindigkeit ist der Partikelgröße des Oxydationsmittels direkt proportional und in einem gegebenen System ergibt ein kleineres Teilchen eine höhere Brenngeschwindigkeit. Wenn eine höhere Brenngeschwindigkeit erwünscht ist, kann eine kleinere Aus·- trittsöffnung verwendet werden.,

Die Austrittsöffnung ist vorzugsweise eine glattlinige Düse mit einer konvergierenden Eintrittsoffuung. Die geringste öffnung in der Düse soll zwischen 1,59 mm und 1,9 cm (1/16 bis 5A inch) liegen. Sie kann natürlich in Abhängigkeit von den anderen Variablen größer oder kleiner sein. Wenn die Düse einen größeren Steg aufweist, das ist der Abschnitt des zylindrischen Teils der Düse (die parallelen Seiten); kann die Austrittsöffnung größer sein als sie normalerweise verwandet wird* Wenn die Austrittsöffnung nur eine öffnung in der Kommer darstellt, in die das Treibmittel gebracht ist, dann kann su starkes "uorking" oder Scheren vorliegen, was von der Größe der Austritteöffnung abhängt. Der Druck muß ebenfalls sorgfältig geregelt werden, um nicht die oben erwähnten unerwünschten Wirkungen zu erzeugen» Da die Temperatur des Treibmittels stark steigt, wenn es extrudiert wird* ist wesentlich, daß sie unter dem Selbstentzündungßpunkt gehalten wird. Wenn diese Variablen nicht sorgfältig geregeis werden, kann zuviel "working" (zu starke Bearbeitung) eintreten, wodurch ein Abbau dee Bindemittels hervorgerufen wird, oder es kr.nn au wenig "working" vorliegen, so daß eioh keine verbesserten Schußeigenechaften ergeben.

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Für ein Treibmittels das Ammoniumnitrat eis hauptsächliche gaser« zeugende Komponente enthält, ist eine Anfangstemperatur zwischen 38 und 51,5⁰C (100 und 125⁰P) bevorzugt₀ Ebenfalls iat eine Austritteöffnung zwischen 1,59 mm und 1,9 oni (1/16 Ms 3/4 inch) bevorzugte Ein weiterer Punkt ist _t1ed3ch(. öaß mit der Steigerung der Temperatur die Viskosität des l'reilmtf.ttols erniedrigt wird und weniger Working" oder Scheren bei einer AustrittHoffnung mit gegebener Größe fm erwarten ißt_o !De:r Druck soll mindestens 141 kg/ cm (2000 psi) ausmachen, kann jedoch «o hoch sein, wie es wirtschaftlich praktikabel ist· Es muß natürlich dabei bedacht werden, daß ein tibermäßig hoher Druck aufgrund der Reibung hohe Temperaturen und auch sehr viel "working" sraeugt· PUr das Ammoniumnitratsystem ist ein Druck von 703 kg/cm (10 000 psi) bei einer Tempera·= tür zwischen 110 bis 118⁰O und eine Durehraessergröße der Austrittsöffnung von 6₉35 mm (1/4 inch) bevorzugt»

Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen, ohne aie zu beschränken-

Die Ergebnieee der nachfolgend wi eil:?r-gegc!lseiien Versuche werden durch die BrenngGaehuindigkeit,, vit aie in einer Orav/.^ord-Borabe berechnet wird, und «nijohließenclc:ö Cej?eohi-€;i der anderen Werte imtor Verwendung äar oben angegeben in (!loioluimgen bestimmt»

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Beispiel 1

In einem Mischer mit Z-förrnigen Knetarm (sigma blade mixer) vH.rd durch Gegenstrommji sehen und Erhitzen ein Treibmittel mit folgender Formulierung hergestellt:

Formul i er ung

Ammoniumnitrat 60_f80

Zelluloseacetat (HLfS-SSJ?) 11,00

Acetyl-triäthylcitrat 10,75

Dinitrophenoxy-äthanol (17 $ Diäthej«) 10,25

Ruß 3,00

Na triumbarbi türa t 3,00

Toluoldiamin 0,90

N-Phenlymorpholin 0,10

Duomeen-T 0,20

Das Treibmittel wird donn auf eine Temperatur von 110°C erhitzt und durch eine AuetrittsHffimng mit 3₅2 mm (i/8 inch) bei 703 kg/cm² (10 000 p«i) extrudiert.

Die Temperaturkoaff!dienten für das obige Treibmittel werden vor und nach der Extrusion berechnet und «ind in Tabelle I angegeben^

Tabelle I

vor der Extrusion nach der Extrusion 6 P ^'/0,55⁰O(⁰F) 3 P

0,11 o_foe

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Beispiel 2

Me Sreibmittelbestandteile eier for mUarung von Beispiel 1 werden auf eine temperatur von 118⁰C erhitzt und bei einem. Druck von 703 kg/cm² (10 000 pei) durch eine Aue'fcri'fcteöffnung mit der in Tabelle Il angegebenen Größe extrudiert.

Tabelle II Durchmeeser der Aus tritt ab* ffnunp

r1000

6 ρ

nicht extrudiert 0,074

extrudiert durch 3,2 mm(i/8 inoh) 0,087

0,	17	0	,38
o,	115	0	,32
o,	138

Beispiel 3

Eb wird der Arbeitsweise von Beispiel 2 gefolgt mit der Ausnahme, daß die Temperatur des Treibmittels 115⁰O beträgt»

DurchmeBBer dor nicht extrudlort extrudiort durch 3,2 mm(i/iJ")

nicht extrudioi't extrudlorfc durch 3,2 mm

Tabelle	JII	ii	ι	0,35
	r1000	0,	,17	0,31 0,32 0,30
	0,078	ooo	, 120 17 13
I/«")	0,09 ί 0,080 0,086		BAD ORiGJWAL

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Zur Veranschaulichung v/ird noch auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, die eine spezielle Ausführungsform der vor!ie~ genden Erfindung wiedergibt. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt einer zur Extrusion eines Treibmittels geeigneten Vorrichtung. In der Zeichnung wird das Treibmittel 10 in die obere Kammer 11 eingebracht, worin Druck auf das Treibmittel mit Hilfe des Kolbens 12 ausgeübt wird, wodurch das Treibmittel durch die in der Platte 14 befindliche Austrittsöffnung 13 gezwungen wird« Das Treibmittel fließt dann in die Aufnahmekammer 15»

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1 ο Verfahren zur Herstellung eines geformten Treibmittelkorns mit verbesserten Schußeigenschaften, wobei das Treibaittelkorn aus einer TreibmittelmaBse besteht, die ein brennbares thermoplastisches Bindemittelmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man das Treibmittel auf eine Temperatur zwischen 100 und 125⁰C erhitzt und durch eine Austrittsöffnung zwischen 1,59 mm und 1,9 mm (1/16 bis 3/4 inch) Durchmesser bei einem Druck über 141 kg/cm (2 000 psi) extrudiert und die extrudierte Treibmittelmasse zu einem geformten Korn verformt_β

   2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 115 bis 118⁰C liegte

   3o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Austritteöffnung einen Durchmesser von 3_f2 bis 6,35 mm (1/8 bis 1/4 inch) hat₀

   4ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck 703 kg/cm² (10 000 psi) aufmacht„

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelmasse im wesentlichen aus Ammoniumnitrat als Haupt-

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   Oxydationsmittel besteht*

   6, Treibmittelkorn, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist«,

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