DE2643189C3

DE2643189C3 - Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Propergolsträngen

Info

Publication number: DE2643189C3
Application number: DE2643189A
Authority: DE
Inventors: Marc Saint Medard-en-Jalles Saunier
Original assignee: NATIONALE DES POUDRES ET EXPLOSIFS 75181 PARIS FR Ste
Current assignee: NATIONALE DES POUDRES ET EXPLOSIFS 75181 PARIS FR Ste
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1984-03-08
Also published as: BE846593A; FR2325491A1; US4120920A; DE2643189B2; DE2643189A1; CA1084272A; FR2325491B1; IT1069109B; GB1519745A

Description

40

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Propergolsträngen auf der Basis von mit einem Sprengöl gelantinierter Nitrocellulose, sowie auf die Verwendung eines Schneckenextruders zu seiner Durchführung.

Propergole auf der Basis mit einem Sprengöl gelatinierter Nitrocellulose, insbesondere ohne Verwendung von Lösungsmittel hergestellte Propergole, die sog. Properpole aus POL, werden aus den entsprechen- so den Bestandteilen der Zusammensetzung hergestellt, die zumeist in einem Schaufelkneter gemischt werden. Aus Sicherheitsgründen wird das Kneten der Bestandteile mit einem erhöhten Feuchtigkeitsgehalt von etwa 25% vorgenommen, wobei die Agglomeration dieser Zusammensetzung durch allmähliches Verringern des Feuchtigkeitsgehalts durch Erwärmen und Druck vorgenommen werden muß. Die Agglomeration der Zusammensetzung resultiert aus der Gelatinierung der Nitrocellulose mit einem Sprengöl wie Nitroglycerin, wobei die Propergolzusammensetzungen aus POL etwa 50-70% Nitrocellulose auf 30-50% Nitroglycerin enthalten und Additive wie Weichmacher, Stabilisierungsmittel sowie Modifizierungsmittel der Verbrennung in Mengen von etwa 5—10 Gew.-% des Gesamtgewichts der Nitrocellulose und des Nftroglycerins eingebracht sind. Die Agglomeration durch Erwärmen und Kompression, die von einem allmählichen Absinken des Feuchtigkeitsgehalts begleitet ist, erfolgt nach dem herkömmlichen Verfahren durch sukzessives Durchlassen durch beheizte Walzwerke. Die Homogenisierung der Zusammensetzung, ihre Gelatinierung sowie die Entwässerung resultieren aus dem intensiven Knetvorgang und der inneren Scherbeanspruchung zwischen den Walzen des Walzwerks. Das herkömmliche und sehr wirksame Verfahren ist allerdings aufgrund unvermeidlicher manueller Eingriffe nicht zufriedenstellend, wobei der Hauptnachteil in der Gefährdung der damit befaßten Person beruht; aufgrund der infolgedessen zu treffenden Vorsichtsmaßnahmen sind die Fabrikationszeit und insbesondere die Handarbeitszeiten sehr lang. Darüber hinaus ist das Herstellungsverfahren nicht nur beim Walzen, sondern auch danach im wesentlich diskontinuierlich, da es erforderlich ist, die Pulverplatten zum Einbringen in eine Extruderpresse zur Herstellung von Propergolsträngen einzurollen, die anschließend zur Erzeugung von Propergolladungen auf bestimmte L?-gen geschnitten werden.

Die Nachteile des herkömmlichen Verfahrens, das bisher das zur Herstellung von Propergolen aus POL meistverwendete Verfahren darstellt, hatten ausgedehnte Untersuchungen im Hinblick auf eine Vermeidung derartiger gefährlicher und diskontinuierlicher Verfahrensweisen zur Folge; seit etwa 20 Jahren wurden verschiedene Herstellungsverfahren angegeben, bei denen Schraubenkneter und Schneckenextruder sowohl zur Verarbeitung von Propergolen jeder Art wie auch zur Verarbeitung von Sprengstoffen eingesetzt wurden. Kneter und Extruder erlauben nicht nur ein kontinuierliches Entwässern, Homogenisieren und Kneten der Zusammensetzung; die entsprechenden Vorrichtungen können ferner unter relativ niedrigen Gestehungskosten automatisiert und fernbedient werden. Sie arbeiten dementsprechend unter erheblich geringerer Gefährdung, wobei hinzukommt, daß iie Vorrichtung bei einem kontinuierlichen Verfahren weniger gefährliches Material enthält als bei diskontinuierlicher Verfahrensweise; zugleich wird durch die Verwendung derartiger Vorrichtungen die Handarbeitszeit bedeutend verringert.

Diese Vorrichtungen erlauben es allerdings nicht, alle Verfahrensschritte vom Verkneten der Bestandteile der Zusammensetzung bis zur Extrusion der Propergolstränge aus dieser Zusammensetzung durchzuführen, da die gegenwärtig bekannten Schraubenkneter und Schneckenextruder keine Senkung des Feuchtigkeitsgehalts der Zusammensetzung unter etwa 4% erlauben, was für die Mehrzahl der pyrotechnischen Zusammensetzungen und insbesondere für Propergole aus POL erheblich iu hoch ist, da diese notwendig einen Feuchtigkeitsgehalt unter 1% und wenn möglich von etwa 0,3% aufweisen müssen.

Die DE-PS 1048212 bezieht sich auf eine Vorrichtung für ein derartiges Herstellungsverfahren für Propergole und Sprengstoffe; danach wird die Pulvermischung während des Durchlaufens der Schneckenpresse abwechselnd einer drucklosen und einer Druckzone zugeführt, wobei zugleich eine Entwässerung erfolgt; aus dieser Druckschrift geht die verfahrensmäßige Notwendigkeit hervor, die Zusammensetzung in einem Absaugrohr vor der Endextrusion des Propergolstranges zu entwässern, was eine Zwischenstufe der Extrusion von Spänen oder Bändern erforderlich macht, die sich zur leichten Entfernung der Feuchtigkeit eignen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Strangpressen von Propergolsträngen anzugeben, mit dem die Hersteliungsbedingungen der Extrudate von Zusammensetzungen auf der Basis mit einem Sprengöl wie Nitroglycerin gelatinierter Nitrocellulose und besonders von Propcrgolen aus POL in der Weise verbessert werden können, daß sämtliche zur Kompaktierung, Gelatinierung, Trocknung und Extrusion der Zusammensetzungen erforderlichen Verfahrensschritte innerhalb eines ein/igen Schneckenexiruclers vorgenommen werden können, wobei der erfindungsgemäß verwendete Schneckenextruder derart aus verschiedenen Extruderschraubenclemcntcn aufgebaut ist, daß ein Feuchtigkeitsgehalt von 0,8% nach einer ersten, vereinfachten Aiisführiingsform und ein Feuchtigkeitsgehalt von etwa 0,3% nach einer /v. en Ausiiihr!2n°S?orrn Ηϋ^σ2Π^σ!Ι'^Η sind. b^p' dc^r 7Wfi hi

Anordnungen verschiedener Fxruderschnerkcr
te hintereinander herangezogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht siel' im M einzelnen auf die kontinuierliche Herstellung von Propergolsträngen auf der Basis von mit einem Sprengöl wie Nitroglycerin gelatinierter Nitrocellulose durch Extrusion einer Zusammensetzung, deren Gelatinierung zumindest teilweise mit Hilfe einer sich in einem Gehäuse drehenden Knetschnecke bewirkt wird,
wobei die verschiedenen Bestandteile der Zusammen setzung zuvor dosiert und in einem herkömmlichen Mischer vorgeknetet werden, und die Mischung abwechselnd drucklose und Druckzonen durchläuft, und ist dadurch gekennzeichnet,

daß sämtliche zur Kompaktierung, Gelatinierung, Trocknung bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 0.8% und Extrusion der Zusammensetzung erforderlichen Verfahrensschritten in einem Schneckenextruder vorgenommen werden, der in Strömungsrichtung von oben nach unten folgende Verfahrensschritte nacheinander durchzuführen erlaubt:

(1) Vorgeschaltete Verfahrensschritte:

- Kompakteren der am oberen Ende der Schnecke eingeführten Bestandteile,

- Zurückhalten der kompaktierten Zusammensetzung in einer Drosselzone des Strömungsquerschnitts der Zusammensetzung

sowie

- Trocknung der kompaktierten Zusammensetzung durch Austritt des Kompaktiemngswassers,

(2) zumindest eine Abfolge der Gesamtheit folgender Haupt-Verfahrensschritte: so

- Gelatinierung unter Druck durch Kneten und Scherbeanspruchung der kompaktierten und getrockneten Zusammensetzung,

- Zurückhalten der gelatinierten Zusammensetzung in einer Drosselzone des Strömungsquer-Schnitts der Zusammensetzung

sowie

- Trocknung der gelatinierten Zusammensetzung, durch Vakuumverdampfung der unter Unterdruck befindlichen !Zusammensetzung,

(3) nachgeschaltete Verfahrensschritte:

fortschreitendes Unterdrucksetzen der gelatinierten Zusammensetzung und Extrusion der gelatinierten Zusammensetzung in Strömungsrichtung von oben nach unten mit einer Kalibrierdüse, durch die der Durchmesser des erzeugten Propergoistrangs bestimmt wird.
Der erste Haupt-Verfahrensschritt der oben genannten Abfolge wird vorzugsweise mit einem Extruder mit mindestens zwei Schnecken mit parallelen Achsen vorgenommen, die ohne Reibung ineinandergreifen, wobei jede Schnecke eine Gruppe exzentrischer Scheiben aufweist, die gegeneinander winkelversetzt sind, um ein wirksames Verkneten der Zusammensetzung zu ermöglichen. Aufgrund der Exzentrizität der Scheiben ist die Tangentialgeschwindigkeit der einzelnen Scheibenumfänge unterschiedlich, wodurch im Betrieb Scherspannungen auf die Zusammensetzung einwirken, die in ihr ein relatives Abgleiten bzw. Abscheren hervorrufen, das eine sehr gute Homogenisierung ermöglicht. Der zweite der Hauptverfahrensschritte verbessert die Wirksamkeit des ersten Verfahrensschritts insofern erheblich, als das in diesem zweiten Schritt erfolgende Zurückhalten der gekneteten Zusammensetzung die Knetdauer beträchtlich erhöht, was sich zusätzlich durch einen entsprechend erhöhten Druck auswirkt. Die Drosselzone des Strömungsquerschnitts der Zusammensetzung wird vorzugsweise durch ein Schraubenelemcnt vorgenommen, daß entgegengesetzten Gang aufweist und einem Vorrücken der Zusammensetzung von oben nach unten entsprechend entgegenwirkt, wobei dieses Element nur zum Teil Schraubengang aufweist, um den Strömungswiderstand der Zusammensetzung nicht zu sehr zu erhöhen, insbesondere, wenn sich der Schraubengang über mehr als l'/j Umdrehungen dieses Elements erstreckt. Die Drosselzone kann ferner auch aus einer Reihe zu den Schrauben konzentrischer Scheiben bestehen, die etwas kleineren Durchmesser als die Bohrung aufweisen, in der sich die Schnecken befinden, wobei die Scheiben jeder Schnecke in der Weise axial versetzt sind, daß sie sich mit den Scheiben der anderen Schnecke überlappen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zwei Abfolgen der Gesamtheit der Haupt-Verfahrensschritte insbesondere dann, wenn der Gehalt an zu verdampfender Flüssigkeit 25 Gew.-% der anfänglich nach diesem Verfahren behandelten Zusammensetzung beträgt, die extrudierte Zusammensetzung einen Gehalt an verdampfbarer Flüssigkeit unter 0,8% aufweisen muß oder wenn eine hinreichende Temperaturerhöhung nicht möglich ist.

Im einzelnen erfolgt jeder Vakuumverdampfungsschritt bei einem Druck unter 267 mbar; wenn das Verfahren unter Anwendung von zwei Abfolgen der Gesamtheit der Haupt-Verfahrensschritte durchgeführt wird, wird der zweite Vakuumverdampfung' 3chritt vorteilhaft bei einem Druck unter 80 mbar durchgeführt.

Nach einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform drehen sich die Extruderschnecken, vorzugsweise die beiden Schnecken, im gleichen Drehsinn.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Propergolen auf der Basis von mit einem Sprengöl gelatinierter Nitrocellulose herangezogen wird, können die vorgeschalteten Verfahrensschritte im wesentlichen bei Raumtemperatur vorgenommen werden, während die Haupt- und nachgeschalteten Verfahrensschritte bei einer erhöhten Temperatur über 80° C durchgeführt werden müssen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zumindest eine Abfolge der Haupt-Verfahrensschritte einen vierten Verfahrensschritt auf, der in der Rekompression der zuvor entspannten Zusammensetzung besteht, um eine Trocknung während des dritten Verfahrensschritts zu ermöglichen. Die Vornahme dieses zusätzlichen vierten

Verfahrensschritts ist insbesondere dann wünschenswert, wenn das angewandte Verfahren mindestens zwei Abfolgen der Hau^i-Verfahrensschritte umfaßt, wodurch die Wirksamkeit des ersten Verfahrensschritts der zweiten Abfolge der Verfahrensschritte erhöht wird, wobei die Zusammensetzung in wirksamerer Weise i> der Zone gehalten wird, wo dieser erste Verfahrensschritt stattfindet, der die Knetung und Scherbeanspruchung umfaßt.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner, insbesondere wenn die verarbeiteten Zusammensetzungen zusätzliche Explosions- bzw. Entzündungsrisikcn mit sich bringen, durch eine Herstellungsvariante vervollständigt werden, die darauf beruht, daß in drei aufeinanderfolgenden Phasen gearbeitet wird, während denen der Extruder wie folgt beschickt wird:

- Während der Inbetriebnahme des Extruders mit Inertmaterial, um eine Zentrierung der Schnecken zum Gehäuse zu ermöglichen,

- mit den Bestandteilen der Propergolzusammensetzung während der eigentlichen Produktionsdauer des Extruders sowie

- mit Inertmaterial vor dem Abstellen des Extruders, um die Zentrierung der Schnecken gegenüber dem Gehäuse aufrechtzuerhalten, bis die gesamte Zusammensetzung daraus extrudiert ist.

Als Inertmaterial wird vorteilhaft ein Material auf der Basis nic:.tnitrierter Cellulosefasern verwendet, wobei diese Cellulose Additive zur Erzielung einer pyrotechnisch inerten Zusammensetzung enthält und einen Widerstand gegen das Vorrücken im Extruder aufweist, der etwa gleich dem Widerstand gegen das Vorrücken der zur Durchführung des Verfa¹" -ns verwendeten Zusammensetzung ist.

Der erfindungsgemäß verwendete Schneckenextruder besitzt zum Kneten und zur Trocknung von Zusammensetzungen auf der Basis von mit einem Sprengöl wie Nitroglycerin gelatinierter Nitrocellulose Schnecken, die sich in einem Gehäuse drehen, das eine stromauf gelegene öffnung zur Einführung der Bestandteile der Zusammensetzung und eine stromab gelegene öffnung zur Extrusion der gelatinierten und getrockneten Zusammensetzung aufweist, wobei die Schnecken in Strömungsrichtung von oben nach unten folgenden Aufbau besitzen:

(1) Vorgeschaltete Elemente:

— eine vorgeschaltete Einheit winkelversetstt angeordneter exzentrischer Scheiben, vor der ein Schraubenelement mit sehr großem Gang zur Mitnahme und zum fortschreitenden Unterdrucksetzen der Bestandteile der Zusammensetzung vorgesehen ist,

— ein vorgeschaltetes Schraubenelement mit teilweisem und entgegengesetztem Gewindegang zum Zurückhalten der Zusammensetzung sowie

-ein vorgeschaltetes Schraubenelement mit sehr großem Gang zur Mitnahme und zur Entspannung der kompaktierten Zusammensetzung,

wobei im unteren, in Höhe dieses Elemenits gelegenen Teil des Gehäuses eine öffnung vorgesehen ist;

(2) mindestens eine Abfolge von Einheiten axis folgenden drei Hauptelementen:

— einer Haupteinheit winkelversetzt angeordneter exzentrischer Scheiben zur Gelatinierung der Zusammensetzung,

- einem Haupt-Schraubenelement mit teilweisem und entgegengesetztem Gewindegang zum Zurückhalten der Zusammensetzung und

- einem Haupt-Schraubenelement mit sehr großem Gang zur Mitnahme und zur Entspannung der gelatinierten Zusammensetzung,

wobei in dem in Höhe dieses Elements gelegenen Bereich des Gehäuses eine öffnung vorgesehen ist, und (3) nachgeschaltete Elemente aus

- einem Schraubenelement mit kleinem Gang zum fortschreitenden Unterdrucksetzen der gelatinierten Zusammensetzung und

- einem im wesentlichen konischen Übergangs-

Der erfindungsgemäß verwendete Schneckenextru-

der weist vorzugsweise zwei Abfolgen von Hauptelementen auf.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die ersten Elemente der Abfolgen der Hauptelemente aus Haupteinheiten winkelversetzt angeordneter exzentri scher Scheiben, die mindestens fünf Scheiben aufweisen, deren am weitesten von der Drehachse entfernte Mantellinien zur Ausbildung eines Schraubengangs im Sinn der Fortbewegung der Zusammensetzung schraubenartig angeordnet sind, wodurch ein zweites Haupt-

element mit entgegengesetztem und teilweisem Gang verwendet werden kann, mit dessen Hilfe ein wirksameres Zurückhalten der Zusammensetzung in der Knetzone unter gleichzeitig ausreichend hohem Durchsatz ermöglicht wird.

J5 Bei der obigen bevorzugten Ausführungsform umfaßt die vorgeschaltete Einheit aus winkelversetzt angeordneten exzentrischen Scheiben vorteilhaft mindestens drei Scheiben, deren am weitesten von der Drehachse entfernte Mantellinien ebenfalls zur Erzielung eines Schraubengangs im Sinn der Fortbewegung der Zusammensetzung schraubenartig angeordnet sind.

Nach einer besonders einfachen und zugleich wirksamen Ausführungsform umfaßt der Extruder zwei sich im gleichen Drehsinn drehende Schnecken, wobei sämtliche Schraubenelemente der Schnecken im wesentlichen gleichen Außendurchmesser aufweisen, so daß die beiden Bohrungen des die beiden Schnecken aufnehmenden Gehäuses über die Gesamtlänge jeweils zylindrische Bohrungen darstellen, wobei die Durch-

so messer längs der Schraubenelemente 21 auch verschieden sein können.

Da der erfindungsgemäß verwendete Extruder zur Extrusion von Zusammensetzungen vorgesehen ist, die im allgemeinen gegen jede Temperaturerhöhung empfindlich sind, ist es wesentlich, eine besonders wirksame Temperaturregelung vorzusehen; da die Schnecken ferner eine Kontaktfläche mit der Zusammensetzung aufweisen, die etwa das Dreifache der Kontaktfläche zwischen Gehäuse und Zusammenset zung beträgt, ist es besonders vorteilhaft. Schnecken mit Temperaturregelung zu verwenden. Da die Extrusion der Zusammensetzung am unteren Ende des Extruders bei hohem Druck erfolgt, der im allgemeinen über 100 bar liegt, ist es erforderlich, eine besonders wirksame Temperaturregelung der nachgeschalteten Schraubenelemente vorzusehen, bei denen die Zusammensetzung unter Druck gesetzt wird. Jede Extruderschnecke weist deshalb zwei Temperaturregelungs-

kreisläufe auf, einen ersten, äußeren Kreis zur Temperaturregelung der vorgeschalteten sowie der Hauptelemente und einen zweiten Kreis in der Nähe der Schneckenachsen zur Temperaturregelung der nachgeschalteten Elemente und insbesondere des Übcrgangscle^icnts.

Nach eine/ bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine Abfolge der Hauptelemente ein viertes Schraubenelement zur Rekompression der Zusammensetzung auf, die zuvor in Höhe des dritten Hauptele- ι ο ments zur Trocknung der Zusammensetzung durch Vakuumverdampfung mit Hilfe einer Vakuumpumpe entspannt wurde, die in dem in der Nähe des dritten Elements gelegenen Gehäusebereich vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines ι "> bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfind■ gsgemäßen Verfahrens sowie des zu seiner Durchführung erfindungsgemäß verwendeten Extruders unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, wobei sämtliche Angaben lediglich beispielhaft sind; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Schraubenachse einer Ausführungsform des Extruders,

Fig.2 ein Funktionsschema zu den verschiedenen Verfahrensschritten des erfindungsgemäß bevorzugten Verfahrens, wobei die angegebenen Schritte den Abschnitten des in F i g. 1 dargestellten Extruders entsprechen, sowie

Fig. 3 einen teilweisen axialen Längsschnitt einer Abfolge von Elementen mit den drei Hauptelementen.

Der Extruder von Fig. 1 unfaßt ein Gehäuse 1 mit einer großdimensionierten oberen öffnung 2 und einer unteren öffnung 3. auf die eine entsprechende Extruderdüse paßt, mit der der Querschnitt des extrudieren Propergolstrangs variiert werden kann. Das Gehäuse, das vorteilhaft aus mehreren, dicht miteinander verbundenen Teilen besieht, weist einen internen Temperaturregelungskreislauf auf, der in der Nähe der beiden kosekanten Bohrungen verläuft, die jeweils eine der beiden Schnecken 4 aufnehmen. Die Schnecken sind dabei völlig identisch und in derselben jo Winkelstellung, was ihr Ineinandergreifen ohne irgendeinen Kontakt miteinander oder in ihrem aktiven Teil mit dem Gehäuse während der eigentlichen Produktionsphase des Extruders ermöglicht. Jede Schnecke besteht dabei aus einem Kern 5. der die Temperature- ⁴^ gelungskreisläufe enthält und auf dem die die Bearbeitung der Propergolzusammensetzung ermöglichenden Rohrelemente befestigt sind. Diese Elemente entsprechen in Strömungsrichtung von oben nach unten:

— einem Schraubenelement mit hohem, variablem, degressivem Gang 6 zum Transport der Bestandteile der Zusammensetzung, die zuvor in einen herkömmlichen Schaufelkneter eindosiert und darauf über eine Zuführungsvorrichtung mit konstantem Durchsatz eingeführt wurden, die an der öffnung 2 des Gehäuses angebracht ist. Die (nicht dargestellte) Zuführungsvorrichtung enthält zwei Vorratsbehälter, deren einer die während der eigentlichen Produktionsphase verwendeten Bestandteile und der andere ein inertes Gemisch auf der Basis nichtnitrierter Nitrocellulosefasern enthält, das bei der Inbetriebnahme des Extruders sowie beirr. Außerbetriebsetzen herangezogen wird;

— einer Einheit aus drei exzentrischen Scheiben 7 gleichen Durchmessers, die um 120° versetzt angeordnet sind, um eine Schraube im Sinn des Vorrückens der Zusammensetzung zu erzeugen, die die Kontaktierung der Bestandteile, insbesondere der Nitrocelluloseflocken, gewährleistet, die zuvor bereits durch das Schraubenelement 6 zusammengepreßt wurden. Die durch die Scheiben erzielte Knetwirkung führt zum Beginn der Gelatinierung der Nitrocellulose und senkt die Viskosität der Zusammensetzung;

— einem Schraubenelement 8 mit entgegengesetztem Gang und gegenüber dem Gewindegang des Schraubenelements 6 kleinerer Länge, dessen Gewindegänge mit entgegengesetztem Schraubensinn zur Erzeugung von Aussparungen unterbrochen sind, die das Vorrücken der Zusammensetzung ermöglichen, wodurch einerseits ein Widerstand gegen das Vorrücken zum Zurückhalten de· Zusammensetzung in der Kompaktierungs- und Knetzone der Scheibeneinheit 7 und andererseits ein Vermischen und eine Verteilung der Zusammensetzung gewährleistet wird, die dieses zum Zurückhalten dienende Element 8 durchläuft, und

— einem Schraubenelement mit sehr großem Gang 9. das zur Mitnahme der kompaktierten und vorgelatinierten Zusammensetzung und ihrer Entspannung dient, wobei eine Konzentrierierung des Kompaktierungswassers im unteren Teil des Gehäuses ermöglicht wird, das eine öffnung 10 aufweist, durch die dieses Kompaktierungswasser ablaufen kann.

Die Einheit dieser vier Elemente entspricht den vorgeschalteten Verfahrensschritten, denen zwei Abfolgen der Gesamtheit der Haupt-Verfahrensschritte folgen, bei denen folgende Elemente vorgesehen sind:

— eine Haupteinheit aus fünf exzentrischen Scheiben

angeordnet sind, um eine Schraube im Sinn des Vorrückens der Zusammensetzung zu erzielen. Aufgrund des Rückhalteelements 12 erlauben diese Scheiben die Gelatinierung der Ni.rocellulose durch Kneten und Scherwirkung unter Druck der in 7 kompaktierten und in 8 getrockneten Zusammensetzung:

— ein Schraubenelement 12 mit entgegengesetztem Gang, das mit dem Schraubenelement 8 identisch ist und entsprechend gleiche Funktion aufweist,

— ein Schraubenelement mit sehr großem Gang 13 (Entspannungselement), das zur Mitnahme der gelatinierten Zusammensetzung und in ihrer Entspannung zum Anlegen von Vakuum an die Zusammensetzung dient, wobei eine Öffnung 14 im oberen Teil des Gehäuses vorgesehen ist. die mit einer Saugpumpe großen Durchsatzes verbunden ist, die einen Druck von etwa 120 mbar aufrechterhält und den Wasserdampf absaugt;

— ein Schraubenelement mit mittlerem Gang 15 zur Rekompression der Zusammensetzung nach dem Durchtritt durch das Entspannungselement 13;

— eine Haupteinheit aus acht exzentrischen Scheiben 16 gleichen Durchmessers, die zur Erzeugung einer Schraube im Sinn des Vorrückens der Zusammensetzung winkelversetzt angeordnet sind. Diese Scheiben gewährleisten eine sehr beschleunigte Gclatinierung der Nitrocellulose sowie eine vollständige Homogenisierung der Zusammensetzung:

— ein Schraubenelement 17 mit entgegengesetztem Gang, das identisch mit den Schraubenelementen 8 und 12 ist und auch entsprechend gleiche Funktion

25

aufweist, wobei der Knetdruck der Zusammensetzung durch die Scheiben 16 einerseits von dem stromauf vorgesehenen Schraubenelement !7 und andererseits vom stromab befindlichen Schraub^nelement 15 herrührt;

— ein Schraubenelement mit sehr großem Gang 18, das mit dem Schraubcnclcmcnt 13 identisch ist und auch dieselbe Funktion wie dieses aufweist, wobei eine öffnung 19 im oberen Teil des Gehäuses vorgesehen ist, die mit einer Saugpumpe verbunden ι ο ist, mit der ein höheres Vakuum von etwa 27 mbar angelegt werden kann, und

— ein Schraubenelement mit mittlerem Gang 20, das mit dem Schraubenelement 15 identisch ist und eine leichte Rekompression der Zusammensetzung nach dem Durchtritt durch das Entspannungselement 18 ermöglicht.

Den oben genannten Hauptelementen sind folgende Elemente nachgeschaltet:

— ein Schraubciielement 21 mit kleinem Gang, mit ^2C dem die gelatinierte Zusammensetzung fortschreitend unter Druck gesetzt werden kann, da ein erhöhter Druck zur Extrusion der Zusammensetzung erforderlich ist, und

— ein im wesentlichen konisches Übergangselement 22 im konisch zulaufenden Teil des Gehäuses 1 des Extruders.

Die im Verlauf des Extrusionsprozcsses ablaufenden verschiedenen Verfahrensschritte sind in der F i g. 2 angeführt, die den Abschnitten der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung entspricht; dabei sind folgende Abkürzungen verwendet:

T: Transport der Bestandteile,

M]: Kompaktierung und Vorkneten der Bestandteile, R\: erstes Zurückhalten in einer Drosselzone, Di: erste Entspannung, die die Trocknung ermöglicht, M2: zweites Kneten, unter Druck, zur Gelatinierung, R2: zweites Zurückhalten in einer Drosselzone, Eh: zweite Entspannung, die Vakuumverdampfung

ermöglicht,
Pa: Unterdrucksetzen zwischen den beiden Abfolgen der Hauptverfahrensschritte M2, R2, Eh und M₃, R₃, D₃,

M₃: drittes Kneten, unter Druck, zur G elatinierung, R₃: drittes Zurückhalten in einer Drosselzone, Dj: dritte Entspannung, die Vakuumverdampfung ermöglicht,

Pb: Unterdrucksetzen zwischen dem letzten Haupt-Verfahrensschritt und dem ersten der nachge-

schalteten Verfahrensschritte, HP: Hochdruckbereich, in dem die Zusammensetzung

unter hohen Druck gesetzt wird, E: Übergang zur Extrusion.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die entsprechende Vorrichtung, die oben beschrieben wurden, wurden zur kontinuierlichen Herstellung verschiedener pyrotechnischer Zusammensetzungen herangezogen, wobei die schlüssigsten Versuchsergebnisse bei der Herstellung von zweibasigen Propergolen ohne Lösungsmittel-{Propergole aus POL) erhallten wurden.

So wurde beispielsweise ein Propergol aus POL folgender Zusammensetzung:

35

40

45

Gelatinierte Nitrocellulose
66% Nitrocellulose und
34% Nitroglycerin

65 Centralit
verschiedene Additive

3 Teile
10 Teile

erhalten, das dieselben Eigenschaften wie ein nach dem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Walzwerken und Extruderpressen hergestelltes Propergol aus POL aufwies.

Die der Einführung der Bestandteile in den Extruder vorgeschalteten Verfahrensschritte waren dabei die gleichen wie die vor dem nachfolgenden Walzen beim herkömmlichen Verfahren durchgeführten Verfahrensschritte:

Trocknen der reinen gelatinierten Nitrocellulose zur Senkung des Feuchtigkeitsgehalts, der zur Lagerung oder zum Transport der mit Nitroglycerin imprägnierten Nitrocellulose aufrechterhalten werden muß, sowie

90 Teile

der übrigen Bestandteile.

Der Feuchtigkeitsgehalt der zur Einführung in den Extruder fertigen Bestandteile betrug entsprechend 21 %, die apparente Dichte der Bestandteile lag bei etwa 0,3.

Da die Zusammensetzung Centralit enthält, muß die effektive Verarbeitungstemperatur über 72°C, der Schmelztemperatur des Centralits, liegen; aufgrund der Viskosität der plastifizierten Zusammensetzung muß allerdings bei einer Temperatur über 8O⁰C bereits in der Zone verarbeitet werden, wo die teilweise Geiatinierung der Nitrocellulose erfolgt.

Die Temperaturregelungskreisläufe ermöglichen die Beheizung des gesamten Extruders vor der Inbetriebsetzung des eigentlichen Produktionsabschnitts des Extruders sowie einerseits eine Beheizung der vorgeschalteten Elemente, die die Bestandteile bei Raumtemperatur aufnehmen, und der Entspannungseiemente, bei denen die kontinuierliche Verdampfung eintritt, und andererseits die Kühlung der unter Druck stehenden Bearbeitungselemente. Bei den Temperaturregelungskreisläufen der beiden Schnecken wird Wasser verwendet, wobei (vgl. Fig. 1) ein erster, äußerer Kreislauf mit einem Einlaß 22 und einem davon unabhängigen Au&Lß 23 vorgesehen ist, bei dem spiralig zirkulierendes Wasser von 8O⁰C verwendet wird, während ein zweiter, axial konzentrischer Kreislauf vorgesehen ist, der ebenfalls einen Einlaß 24 und einen davon unabhängigen Auslaß 25 aufweist und bei dem Wasser von 6O⁰C verwendet wird, das zur Kühlung der nachgeschalteten Elemente 21 und 22 dient, die aufgrund des Druckanstiegs stärker erhitzt werden.

In F i g, 3 ist die zweite Abfolge der im Extruder der F i g. 1 verwendeten Hauptelemente genauer angegeben, wobei die Einheit 16 aus acht exzentrischen Scheiben eine Knetzone von 120 mm Länge vorgibt und ein Schraubenelerneni mit umgekehrtem Gang 17 von 20 mm Ganghöhe und ein Schraubenelement (Entspannungselement) 18 mit sehr großem Gang von 40 mm diese Abfolge vervollständigen und ein nachgeschaltetes Schraubenelement 21 mit engem Gang von 15 mm zur Erzeugung des Extrusionsdrucks dient

Mit dieser Dimensionierung des Extruders ist eine kontinuierliche Erzeugung eines Propergolstrangs von 30 mm Durchmesser und einem Durchsatz in der Größenordnung von etwa 20 fcg/Ti möglich, wobei das Propergol, dessen Zusammensetzung oben angegeben ist, eine Restfeuchtigkeit von etwa 03% aufweist; die fortschreitende Absenkung des Feuchtigkeitsgehalts im

Verlauf des Verfahrens kann aufgrund der an der Versuchseinrichtung erhaltenen Ergebnisse etwa folgendermaßen dargestellt werden:

8 — 12% Am Ende der ersten Knetzone M\, die den drei exzentrischen Scheiben 7 entspricht;

5—8% am Ende der ersten Entspannungszone D\, die dem Schraubenelement 9 entspricht;

2—4% am Ende der zweiten Knetzone Afe, die den fünf exzentrischen Scheiben 11 entspricht;

1 — 14% am Ende der zweiten Entspannungszone Di, die dem Schraubenelement 13 entspricht;

0,7 — 1 % am Ende der dritten Knetzone My, die den acht exzentrischen Scheiben 16 entspricht;

0,4—05% am Ende der dritten Entspannungszone Ih, die dem Schraubenelement 18 entspricht, sowie 03 το am Ausgang der an der stromab gelegenen Öffnung des Gehäuses 1 des Extruders lisgenden Düse.

Eier im konisch zulaufenden Extrusionsteil des Gehäuses herrschende Druck liegt zwischen 200 und 250 bar; die Drehzahl der Schnecken liegt in der Größenordnung von 12 U/min zur Erzielung eines Durchsatzes von 18 kg Propergol/h.

Die Erfindung ist insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von Propergolen auf Nitrocellulosebasis geeignet, da hierdurch sämtliche manuellen Stufen eingespart werden können, die sehr aufwendige und gefährliche Installationen erfordern; sie werden erfindungsgemäß durch eine Reihe von Verfahrensschritten ersetzt, die sämtlich im Inneren eines Schneckenextruders ablaufen.

Die Erfindung bringt ferner auch einen bedeutenden technischen Fortschritt bei der Herstellung anderer pyrotechnischer Zusammensetzungen auf der Basis plastifizierter Nitrocellulose wie etwa von Leuchtkörperzusammensetzungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichtn Herstellung von Propergolsträngen auf der Basis von mit einem Sprengöl wie Nitroglycerin gelatinierter Nitrocellulose durch Extrusion einer Zusammensetzung, deren Gelatinierung zumindest teilweise mit Hilfe einer sich in einem Gehäuse drehenden Knetschnecke bewirkt wird, wobei die verschiedenen Bestandteile der Zusammensetzung zuvor dosiert und in einem herkömmlichen Mischer vorgeknetet werden, und die Mischung abwechselnd drucklose und Druckzonen durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche zur Kompaktierung, Gelatinierung, Trocknung bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 0,8% und Extrusion der Zusammensetzung erforderlichen Verfahrensschritte innei halb ei nes Schneckenextruders vorgenommen weraen, der in Strömungsrichlung von oben nach linien folgende Verfahrensschritte nacheinander durchzufuhrer erlaubt:

1. Vorgeschaltete Verfahrensschritte:

— Kompakteren der am oberen Ende der Schnecke eingeführten Bestandteile,

— Zurückhalten der kompaktierten Zusammensetzung in einer Drosselzone des Strömungsquerschnitts der Zusammensetzung

sowie

— Trocknung der kompaktierten Zusammensetzung durc.i Austrat des Korr.paktierungswassers.

2. mindestens eine Abfoi«,.: der Gesamtheit folgender Haupt-Verfahrensschritte: J5

— Gelatinierung unter Druck durch Kneten und Scherbeanspruchung der kompaktierten und getrockneten Zusammensetzung.

— Zurückhalten der gelatinierten Zusammensetzung in einer Drosselzone des Stm- ίο mungsquerschnitts der Zusammensetzung sowie

— Trocknung der gelatinierten Zusammensetzung durch Vakuumverdampfung der unter Unterdruck befindlichen Zusammensetzung sowie

3. nachgeschalfete Verfahrensschritte:

— fortschreitendes Unterdrucksetzen der gelatinierten Zusammensetzung un:l

— Extrusion der gelatinierten Zusainmenset- ^o zung am unteren Teil der Schnecken mit einer Kalibrierdiise, durch die der Querschnitt des erzeugten Propergolstrangs bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abfolgen der Gesamtheit der Haupt-Verfahrensschritte durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die vorgeschalteten Verfahrer.sschrilte im wesentlichen bei Raumtemperatur durchgeführt *') werden.

4. Verfahren nach Anspruch I oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt-Verfahrensschrittc sowie die nachgeschaltcten Verfahrensschritte bei einerTemperatur über 80"C durchgeführt werden. ^h~>

5. Verfahren nach einem der Ansprüche· I, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vakuumverdampfungsschritt bei ein· in Druck unter 267 mbar

durchgeführt wird

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Vakuumverdampfungsschritt bei einem Druck unter 80 mbar durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Abfolge der Haupt-Verfahrensschritte einen vierten Vtifahrensschritt umfaßt, in dem die zuvor zur Trocknung entspannte Zusammensetzung rekomprimiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in drei aufeinanderfolgenden Abschnitten durchgeführt wird, bei denen folgende Materialien in den Extruder eingeführt werden:

bei der Inbetriebnahme des Extruders inertes Material zur Zentrierung der Schnecken gegenüber dem Gehäuse,

während der eigentlichen Produktionsphase des Extruders in an sich bekannter Weise die Bestandteile der Propergolzusammensetzung sowie

vor dem Außerbetriebsetzen des Extruders inertes Material zur Aufrechterhaltung der Zentrierung der Schnecken gegenüber dem Gehäuse, iris die gesamte Zusammensetzung extrudiert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Material ein Material auf der Basis nichtnitrierter Cellulosefasern verwendet wird.

10. Verwendung eines Schneckenextruders mit Schnecken, die sich in einem Gehäuse drehen, das eine stromauf gelegene Öffnung zur Einführung der Bestandteile der Zusammensetzung und eine stromab gelegene Öffnung zur Extrusion der gelatinierten und getrocknete^ Zusammensetzung aufweist, wobei der Extruder 2, 3 oder 4 Schnecken (4) besitzt, die in Strömungsriciitung von oben nach unten folgenden Aufbau aufweisen:

1. Vorgeschaltete Elemente:

- eine vorgeschaltete Einheit winkelversetzt angeordneter exzentrischer Scheiben (7). vor der ein Schraubenelement (6) mit sehr großem Gang zur Mitnahme und zum fortschreitenden Unterdrucksetzen der Bestandteile der Zusammensetzung vorgesehen ist.

- ein vorgeschaltetes Schraubenelement (8) mit entgegengesetztem, teilweisem Gewindegang zum Zurückhalten der Zusammensetzung

sowie

-- ein vorgeschaltetes .Schraubenelement mit sehr großem Gang (9) zur Mitnahme und zur Entspannung der kompaktierten Zusammensetzung, wobei im unteren, in Höhe dieses Elements (9) gelegenen Teil des Gehäuses eine öffnung(iö) vorgesehen ist;

2. mindestens eine Abfolge von Einheiten aus folgenden drei Haupiclcmenten-

- einer Haupteinheii winkci'.vrs-.'t/t angeordneter exzentrischer Scheiben (Il b/w 16) zur Gelatinierung der Zusammensetzung:

- einem Haupt-Schraubcnelcment (12 bzw. 17) mit entgegengesetztem, teilweisem Gewindegang /um Zurückhalten der /usarn-

menseizung und

— einem Haupt-Schraubenelement mit sehr großem Gang (13 bzw. 18) zur Mitnahme und zur Entspannung der gelatinierten Zusammensetzung; wobei in dem in Höhe des Elements (13 bzw. 18) gelegenen Bereich des Gehäuses (1) eine öffnung (14 bzw. 19) vorgesehen ist,

sowie
3. nachgeschaltete Elemente: ι ο

— ein Schraubenelement mit kleinem Gang (21) zum fortschreitenden Unterdrucksetzen der gelatinierten Zusammensetzung

und

— ein im wesentlichen konisches Übergangselement (22) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Verwendung eines Schneckenextruders nach Anspruch 10, wobei die Schnecken zwei Abfolgen der Hauptelemenie aufweisen.

12. Verwendung eines Schneckenextruders nach Anspruch 10 oder 11, wobei er zwei Schnecken aufweist, die sich im gleichen Drehsinn drehen.

13. Verwendung eines Schneckenextruders nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei jede Schnecke (4) zwei Temperaturregelungskreisläufe (22, 23; 24, 25) aufweist, wobei der erste, äußere Kreislauf (22, 23) zur Temperaturregelung der vorgeschalteten und der Hauptelemente und der zweite Kreislauf (24,25) in der Nähe der Schneckenachse zur Temperaturregelung der nachgeschalteten Elemente und insbesondere des Übergangselements dient.

14. Verwendung eines Schneckenextruders nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei mindestens eines Abfolge der Hauptelemente ein viertes Schraubenelement (15; 20) zur Rekompression der zuvor entspannten Zusammensetzung aufweist.