DE2921212C2 - - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung behandelt kältefeste Treibladungspulver auf der Basis von Nitrocellulose, die noch bei Temperaturen von -40°C und -60°C 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 innenballistischen 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 Weichmacher 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 -40°C, 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 Ladungsaufbau 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 ausgewählt 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 13°C und ist als Weichmachungskomponente sehr kälteempfindlich. Der Verglasungspunkt oder der brittle point liegen sehr hoch und je nach der angewandten Meßmethode oder der Probenform beginnt die Versprödung schon im positiven Temperaturbereich.

Für zwei- oder dreibasige Pulver wurde deshalb bereits auch schon nach Sprengölen gesucht, mit denen eine größere Kälteelastizität als mit Nitroglycerin erreichbar ist. Es wurden z. B. Diglycoldinitrat, Methrioltrinitrat, Butantrioltrinitrat oder eine 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 -40°C wahrscheinlich werden. Gleichzeitig soll aber dieses Pulver gegenüber anderen, herkömmlichen Pulvern keine Energieeinbußen aufweisen und die innenballistischen Forderungen der bekannten Pulver erfüllen.

Die Erfüllung dieser Aufgabe liegt in der Verwendung von Nitrocellulose mit einem mittleren numerischen Molekulargewicht von 100 000 bis 120 000, dessen Bestimmung auf der Membran-Osmometrie von Lösungen der Nitrocellulose in Tetrahydrofuran bei 35°C basiert, zur Herstellung ein- oder mehrbasiger Treibladungspulver, die bei Temperaturen von -40°C und 60°C noch elastisch sind und für Rohrwaffen eingesetzt werden.

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 Nitrocellulose 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.

Nitrocellulose mit einer Viskosität von mehr als 200 mPa · s 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.

Nitrocellulosen mit einer Viskosität von mehr als 200 mPa · s haben im allgemeinen mittlere numerische Molekulargewichte (M _n ) über 90 000. In der DE-OS 16 46 291 wird angegeben, daß sich solche Nitrocellulose zur Herstellung von Fluid-ball-Pulver eignet. Diese Pulver werden im allgemeinen nicht zur Herstellung von Treibladungspulver für Rohrwaffen eingesetzt. Die Angaben in diesem Schutzrecht lassen demzufolge keine Rückschlüsse darauf ziehen, welches Verhalten Treibladungspulver auf Basis dieser Nitrocellulosen in der Kälte zeigen.

Erfindungsgemäß wird eine solche Nitrocellulose für Treibladungspulver eingesetzt, die - in Abhängigkeit von ihrer Viskosität - durch ihr hohes Molekulargewicht gekennzeichnet ist. Ihr mittleres numerisches Molekulargewicht liegt zwischen 100 000 und 200 000. Die Molekulargewichtsbestimmungen basieren auf Membran- Osmometrie von Lösungen der Nitrocellulose in Tetrahydrofuran bei 35°C. Nitrocellulosen mit einem Molgewicht in dieser Größenordnung sind im Handel erhältlich.

Der Stickstoffgehalt der in den erfindungsgemäßen Treibladungspulvern enthaltenen Nitrocellulose spielt für die günstigsten 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 verbesserte 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 eine Temperaturuntergrenze von -25°C vorgesehen werden muß, ist bei dem erfindungsgemäßen Treibladungspulver eine einwandfreie Waffen- und Munitionsfunktion bei -40°C sichergestellt und auch bei der Prüfung bei -54°C ist noch kein Ansatz einer unerwünschten Drucksteigerung festzustellen. In Tabelle 1 (Anlage) sind die Maximaldrucke eines üblichen Pulvers denen eines erfindungsgemäßen Pulvers einander gegenübergestellt.

Die Prüfung der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Treibladungskörper erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Schlag-Stauchprüfung. Dabei werden auf Treibladungskörper einer definierten Geometrie Körper mit definiertem 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 oder die Stauchung sollte möglichst groß sein.

Die erfindungsgemäßen Treibladungspulver können außer den energieliefernden Komponenten noch 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.

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 Lochmatritze 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 -40°C und -60°C 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 bekannten Pulverkörnern. Sie platzen bereits bei erheblich geringeren Fallhöhen und sind damit für die Verwertung im Tieftemperaturbereich ungeeignet.

Tabelle 1

Claims (1)

1. Verwendung von Nitrocellulose mit einem mittleren numerischen Molekulargewicht von 100 000 bis 120 000, dessen Bestimmung auf der Membran-Osmometrie von Lösungen der Nitrocellulose in Tetrahydrofuran bei 35°C basiert, zur Herstellung ein- oder mehrbasiger Treibladungspulver, die bei Temperaturen von -40°C und -60°C noch elastisch sind und für Rohrwaffen eingesetzt werden.