-
-
Kältefeste Treibladungspulver
-
Vorliegende Erfindung behandelt kältefeste Treibladungspulver auf
der Basis von Nitrocellulose, die noch bei Temperaturen von -40oC und -60 0C elastisch
sind bzw. in diesem Temperaturbereich eine verringerte Sprödigkeit zeigen. Diese
Pulver werden vornehmlich als Treibladungspulver für Rohrwaffen eingesetzt.
-
Treibladungspulver für Rohrwaffen haben auch heute noch als wesentliche
Grundkomponente Nitrocellulose, die der eigentliche Träger der mechanischen und
innenballistische Eigenschaften ist.
-
In den sogenannten einbasigen Pulvern ist Nitrocellulose der einzige
Grundstoff und zu etwa 94 bis 99% im Pulver enthalten. Die restlichen Komponenten
sind Zusatzstoffe, die auf den mechanischen Zustand keinen gravierenden Einfluß
besitzen, sondern im wesentlichen das Abbrandverhalten im weitesten Sinne verändern.
-
Bei den zweibasigen Pulvern kommt eine zweite, meistens flüssige Grundkomponente
hinzu, die ebenfalls als Energieträger anzusehen ist. Diese zweite Komponente ist
meistens ein flüssiger Explosivstoff wie Glycerintrinitrat oder Diglycoldinitrat
und wirkt über den energetischen oder thermodynamischen Beitrag hinaus noch als
Weichmache für die Nitrocellulose.- Dabei wird ein plastifizierbares Gel gebildet,
das alle strukturmechanischen Eigenschaften eines weichgemachten Kunststoffes aufweist.
Auch in diesem Falle ist die Nitrocellulose der für den mechanischen Zustand verantwortliche
Faktor. Die zweite, flüssige Komponente kann zwar über eine Strukturorientierung
und über eine innere Dämpfung der von außen ansetzenden Beanspruchungsenergie eine
Änderung oder Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bewirken, sie kann jedoch
nicht eine grundsätzliche oder typische Eigenart eines Pulveraufbaus korrigieren,
die auf die Nitrocellulose zurückzuführen ist. Bei den zweibasigen Pulvern ist die
Nitrocellulose mit einem Anteil von 50 bis 90% beteiligt.
-
In den dreibasigen Pulvern ist zusätzlich zu den vorgenannten noch
eine dritte, meist kristalline,Energie liefernde, Komponente vorhanden, die im allgemeinen
keinen positiven Beitrag zu den mechanischen Eigenschaften bringen kann, sondern
nur aus energetischen, thermodynamischen und innenballistischen Gründen eingesetzt
wird. Der Anteil dieser kristallinen Komponenten liegt zwischen 5 und 55%, während
das Verhältnis Nitrocellulose:Sprengöl im Verhältnis 5:1 bis 1:1 variieren kann.
-
Ein großer Nachteil dieser ein-, zwei- oder dreibasigen Nitrocellulosepulver
ist die verhältnismäßig große Kältesprödigkeit. Bei tiefen Temperaturen, z.B. bei
-400C, ist diese Sprödigkeit schon so groß, daß ein großer Teil der besonders geformten
Pulverkörner bei der Einleitung des
Schießvorganges, wenn der Druckstoß
der Anzündung auf die Pulverkörner einsetzt, zerbrechen und dadurch den La dungsaufbau
der Munition verändern. Es treten dann unzulässig hohe Gasdrucke auf, die die Waffe
gefährden können. Als besondere Schwierigkeit kommt noch dazu, daß viele Pulver,
die für eine sehr leistungsorientierte Munition ausgewähIt werden, eine geometrisch
komplizierte Form aufweisen, in der durch den Formgebungsvorgang bedingte Bruchstellen
bereits vorgeprägt sind. Gekoppelt mit einer für die Waffenballistik notwendigen
scharfen, schlagartigen Anzündung, zerbrechen diese Pulverkörner im Tieftemperaturbereich
leicht. Die damit vergrößerte Oberfläche bewirkt einen überproportionalen Druckanstieg,
der die zulässigen Grenzen oft überschreitet.
-
Eine Verbesserung dieser Tieftemperatursprödigkeit durch Weichmachung
des Systems ist meistens nicht möglich. Aus energetischen Gründen kann nur eine
sehr begrenzte Menge Weichmacher eingesetzt werden. Meistens muß dieser Weichmacher
auch noch in der Oberfläche verankert sein, um die Innenballistik dieser Pulver
festzulegen oder zu verbessern, so daß für eine grundsätzliche Weichmachung kein
Rezepturanteil zur Verfügung steht.
-
Die Weichmachung durch Sprengöle bringt auf dem Gebiet der Tieftemperaturelastizität
keine Verbesserung. Es sind eher Nachteile zu konstatieren. Nitroglycerin hat einen
Kristallisationspunkt von 130C und ist als Weichmachungskomponente sehr kälteempfindlich.
Der Verglasungspunkt oder der brittle point liegen sehr hoch und je nach der angewandten
Meßmethode oder der Proben form beginnt die Versprödung schon im positiven Temperaturbereich.
-
Für zwei- und dreibasige Pulver wurde deshalb bereits auch schon nach
Sprengölen gesucht, mit denen eine grös-
sere Kälteelastizität als
mit Nitroglyerin erreichbar ist Es wurden z.B. Diglycoldinitrat, Methrioltrinitrat,
Butan trioltrinitrat oder andere Salpetersäureester für diesen Zweck eingesetzt.
Grundsätzlich konnte dadurch jedoch das Problem der ungenügenden mechanischen Stabilisierung
der Nitrocellulose im Tieftemperaturbereich nicht gelöst werden. Häufig reichte
die Wirkung nicht aus, oder der Energieinhalt war zu niedrig oder es war die Verbindung
in technischem Umfang nicht verfügbar.
-
Es bestand nun die Aufgabe, ein Treibladungspulver auf der Basis von
Nitrocellulose zu finden, das auch im Temperaturbereich unterhalb -25°C noch elastisch
ist oder mindestens eine verringerte Sprödigkeit besitzt. Dies ist besonders wichtig
für Treibladungspulver, die z.B.
-
in Flugzeugbordkanonen eingesetzt-werden, bei denen nicht nur sehr
hohe, sondern je nach Flugprofil auch sehr tiefe Temperaturen auftreten können.
Ein solcher Fall liegt zum Beispiel bei dem MRCA Multi Role Combat Aircraft vor,
bei dessen Einsatz auch Temperaturen unter-400C wahrscheinli werden. Gleichzeitig
soll aber dieses Pulver gegenüber anderen, herkömmlichen Pulvern keine Energieeinbußen
aufweisen und die innenballistischen Forderungen der bekannten Pulver erfüllen.
-
In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun ein ein- oder mehrb -siges Treibladungspulver
für Rohrwaffen gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Nitrocellulose
ent hält, deren Viskosität größer als 200 cP, gemessen in 3% iger Acetonlösung ist.
-
Es ist bekannt, daß die mechanischen Eigenschaften eines Treibladungspulvers
in erster Linie von der Nitrocellulose abhängen, wie z.B. Zugfestigkeit, Druckfestigkeit,
Elastizität,Dehnung und Schlagfestigkeit usw.. Die Nitro-
cellulose
ist ein chemisch umgesetzter hochmolekularer Naturstoff, in der die Struktur des
Ausgangsstoffes, der Cellulose, vorgebildet ist. Bei der Nitrierung der Cellulose
wird nun diese Ordnung zwar nicht aufgehoben, jedoch gestört. Dies hängt von den
Nitrierbedingungen ab.
-
Je nach dem gewünschten Einsatz der Nitrocellulose wird die Herstellungsweise,
die Nitrierung, etwas anders geführt. Dies bewirkt, daß ein jeweils verschiedener
Veränderungsgrad oder Abbaugrad auftritt. Normalerweise wird der Zustand, in dem
sich die Nitrocellulose befindet, durch die Lösungsviskosität beurteilt. Die bevorzugt
für Treibladungspulver verwendete Schießbaumwolle mit einem Stickstoffgehalt von
über 13% Stickstoff hat normalerweise eine Lösungsviskosität in 3%-iger Acetonlösung
von höchstens 30 cP, nur in Ausnahmefällen wird eine Nitrocellulose höherer Viskosität
bis zu etwa 60 bis 70 cP ver wendet. Auch Collodiumwollen mit einem Stickstoffgehalt
um 12,6% werden nicht über 160 cP eingesetzt.
-
Nitrocellulose mit einer Viskosität von mehr als 200 cP in einer 3%-igen
Acetonlösung ist an sich bekannt. Sie wird auf die an sich gleiche Weise wie niedriger
viskose Nitrocellulose durch Nitrierung von Cellulose und anschließender Stabilisierung
der dabei entstandenen Nitrocellulose erhalten. Die Nitrierung erfolgt unter schonenden
Bedingungen und bei der Stabilisierung wird bei Temperaturen unter 100°C gearbeitet.
-
Die in den erfindungsgemäßen Treibladungspulvern enthaltene Nitrocellulose
ist weiterhin - in Abhängigkeit von der Viskosität - durch ihr hohes Molekulargewicht
gekennzeichnet. Ihr mittleres numerisches Molekulargewicht (Mn) liegt im allgemeinen
über 90 000. Bevorzugt beträgt es 100 000 bis 120 000. Diese Molgewichtsbestimmungen
basieren auf Membran-Osmometrie von Lösungen der Nitro-
cellulose
in Tetrahydrofuran bei 350C. Nitrocellulosen mit einem Molgewicht in dieser Größenordnung
sind im Handel erhältlich.
-
Der Stickstoffgehalt der in den erfindungsgemäßen Treibladungspulvern
enthaltenen Nitrocellulose spielt für die günstigen Tieftemperatur-Eigenschaften
nur eine untergeordnete Rolle. Er kann in der gleichen Größenordnung wie bei den
bisher bekannten Pulvern schwanken.
-
Die erfindungsgemäßen Treibladungspulver zeigen die oben erwähnten
Nachteile der bekannten Treibladungspulver mit niedrig viskoser Nitrocellulose bei
tiefen Temperaturen nicht mehr. Sie sind mechanisch stabil und haben eine veb ~
besserte Schlagzähigkeit, ohne daß die ballistischen Eigenschaften negativ beeinflußt
werden.
-
Während z.B. ein Treibladungspulver für die 27 mm Flugzeug-Bordkanone
mit niedrig viskoser Nitrocellulose im Waffenbeschuß bei -40°C eine unerwünschte
Druckerhöhung verursacht, die höher als im ganzen übrigen Temperaturbereich sein
kann, so daß für den praktischen Einsatz ei ne Temperaturuntergrenze von -250C vorgesehen
werden muß, ist bei dem erfindungsgemäßen Treibladungspulver eine einwandfreie Waffen-
und Munitionsfunktion bei -40 0C sichergestellt und auch bei der Prüfung bei -540C
ist noch kein Ansatz einer unerwünschten Drucksteigerung fest ~ zustellen. In Tabelle
1 (Anlage) sind die Maximaldrucke eines üblichen Pulvers denen eines erfindungsgemäßen
Pulvers einander gegenübergestellt.
-
Die Prüfung der mechanischen Eigenschaften der erfindung gemäßen Treibladungskörper
erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Schlag-Stauchprüfung. Dabei werden auf Treibladungskörper
einer definierten Geometrie Körper mit de-
finiertem Gewicht aus
einer bestimmten Höhe fallengelassen. Es wird untersucht, wie stark die Stauchung
(in cm) bei gegebener Fallhöhe ist bzw. ob der Körper platzt oder Bruchstücke absplittern.
Ein Platzen der Körper darf nicht eintreten und die Stauchung sollte möglichst groß
sein.
-
Die erfindungsgemäßen Treibladungspulver können außer den energieliefernden
Komponenten nach Stabilisatoren und Mündungsfeuerdämpfer in den gleichen Anteilen
wie bei bekannten Treibladungspulvern enthalten. Als Stabilisatoren seien Diphenylamin,
Diphenylharnstoff, Alkyldiphenylharnstoff oder Dialkyldiphenylharnstoff genannt.
-
Beispiele für Mündungsfeuerdämpfer sind Kaliumoxalat oder Kaliumsulfat.
-
Die erfindungsgemäßen zwei- und dreibasigen Treibladungspulver lassen
sich auch als Raketenfeststofftreibstoffe verwenden. In diesem Fall können den Pulvern
auch noch an sich bekannte Abbrandmoderatoren untergemischt werden.
-
Beispiel: Es wurde eine Nitrocellulose-Pulvermasse durch Vermischen
von 74 Gew.-Teilen Nitrocellulose (mit den in der Tabelle angegebenen Eigenschaften),
20 Gew.-Teilen Diglycoldinitrat, 5 Gew.-Teilen Nitroguanidin und 1 Gew.-Teil Äthyldiphenylharnstoff
hergestellt. Aus dieser Pulvermasse wurden durch Verpressen über eine Lochmatrizze
19-Lochpulverkörper mit 4 mm Außendurchmesser und 4 mm Länge hergestellt.
-
Die Pulver wurden in eine Hülse 27 mm x 145 geladen und mit einem
Üb-Geschoß von 260 g Masse laboriert. Die Beschußprüfung erfolgte in einem 27 mm
Gasdruckmesser.
(Beschußwerte siehe Tabelle 1).
-
Die Pulver wurden bei -400C und -600C der Schlag-Stauchprüfung unterworfen.
Das Gewicht des auf die Preßlinge herabfallenden Körpers betrug immer 1 kg. Die
jeweilige Fallhöhe und die dabei erzielten Stauchwerte sind in der Tabelle 2 angegeben.
Bei jedem Beispiel wird bei den Stauchwerten der Mittelwert aus 50 Fallversuchen
angegeben. In den Rubriken "geplatzt" und "zersplittert" wird die Anzahl der Probekörner
angegeben, die die entsprechenden Erscheinungen zeigten.
-
Die Beispiele 1 und 2 sind Vergleichsversuche mit bekann ten Pulverkörnern.
Sie platzen bereits bei erheblich geringeren Fallhöhen und sind damit für die Verwertung
im Tieftemperaturbereich ungeeignet.
-
T A B E L L E 1 -40°C -25°C +21°C +35°C +50°C +70°C Vergl.-Pulver
83,5 g Ve m/s 1015 1010 1014 1020 1025 1017 Pmax bar 4767-506+798 4250-170+262 4137-328+238
4237-198+292 4391-199+247 4319-156+173 S(p) bar 404 250 132 150 111 94 Erfindungsgemäße
Pulver 87 g v7 m/s 992 1005 1033 1037 1037 1022 Pmax bar 3968-118+97 4120-75+70
4554-69+56 4628-68+77 4594-74+111 4303-83+77 S(p) bar 75 66 45 55 74 62
Beispiel
eingesetzte Nitrocellulose Falltest Viskosität Mn Temp. Fallhöhe Stauchwert geplatzt
gesplittert cP °C (cm) (%) 1 12,5 36,103 -40 6 8 35 8 -60 4 3 18 30 2 13 49.103
-40 6 4 30 2 -60 5 3 20 12 3 248 98.103 -40 15 24 - 4 -60 12 14 - 20 4 246 106.103
-40 15 21 - 4 -60 12 13 - 22