DE3113010A1

DE3113010A1 - "doppelbasige festtreibstoffe mit verbessertem abbrandverhalten"

Info

Publication number: DE3113010A1
Application number: DE19813113010
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. Dipl.-Chem. 5210 Troisdorf Brachert; Joachim Dr. Dipl.-Chem. 5206 Neunkirchen Mönch
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1981-04-01
Filing date: 1981-04-01
Publication date: 1982-10-21
Also published as: NL8201365A; US4416712A; GB2097377A; FR2503138A1; GB2097377B

Description

Troisdorf, den 13. März 1981

OZ: 81021 (4031) Dr.Sk/Ce

DYNAMIT NOBEL AKTIENGESELLSCHAFT Troisdorf, Bez. Köln

Doppelbasia;e Festtreibstoffe mit verbessertem Abbrand-

verhalten

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind doppelbasige Festtreibstoffe auf Basis von Nitrocellulose/Nitroglycerin, Weichmachern und Abbrandmoderatoren, die nach' dem Preßverfahren hergestellt werden. Sie finden Verwendung in Treibsätzen für Raketenantriebe oder für andere Vorrichtungen, die durch abbrennende Gase angetrieben werden.

Es ist bekannt, den Abbrand von Festtreibstoffen durch Zusatz von Abbrandmoderatoren zu beeinflussen. Dies ist deshalb notwendig, weil der Abbrand der Treibstoffe ohne Zusatz von Moderatoren unregelmäßig ist und stark von dem Druck und der Temperatur in der Abbrandkammer abhängig ist.;

. Das Abbrandverhalten eines Treibstoffes läßt sich durch

Messung der Brenngeschwindigkeit ermitteln. Dabei wird 25unter der Brenngeschwindigkeit der von der Flammenfront pro

Zeiteinheit senkrecht zur freien Oberfläche des Treibsatzes zurückgelegte Weg verstanden. Ohne Zusatz von Abbrandmoderatoren ist die Brenngeschwindigkeit sowohl von der Temperatur als auch von dem Druck in der Abbrandkammer abhängig.

Die bisher bekannten Abbrandmoderatoren bewirken lediglich eine Änderung des Abbrands im Hinblick auf den Druck, so daß der Abbrand über einen gewissen Druckbereich hinweg nahezu konstant ist. Eine Temperaturkonstanz mit Hilfe dieser bekannten Abbrandmoderatoren konnte bisher nicht erzielt v/erden.

Es bestand' deshalb die Aufgabe, Festtreibstoffe aufzufinden, deren Abbrand weitgehend unabhängig von der herrschenden Temperatur erfolgt, wobei gleichzeitig aber auch die bisher erzielbare Unabhängigkeit von Druck erhalten bleiben soll und auch keine festen Partikel in den Abbrandgaser auftreten sollen, die zu Rauch- oder Nebelbildung Anlaß geben.

In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun gefunden, daß der Zusatz von Celluloseacetat zu zweibasigen Festtreibstoffen eine Erhöhung der Brenngeschwindigkeiten dieser Treibstoffe bei tiefen Temperaturen bewirkt. Diese Anhebung der Brenngeschwindigkeiten durch Zusatz von Celluloseacetat ist im niederen Temperaturbereich überraschenderweise unverhältnismäßig stärker air. im mittleren und oberen Temperaturbereich. Sie ergibt sich bereits bei Zusätzen 2;wisehen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf das Gwicht des gesamten Treibsatzes.

Weiterhin wurde in Erfüllung der oben genannten Aufgabe gefunden, daß beim gleichzeitigen Zusatz von Ruß und Celluloseacetat zu den Festtreibstoffen die Abbrandgeschwindigkeit sich no regulieren läßt, daß sie innerhalb einen bestimmten Druekbercichn unabhunreif»; von Druck und

Temperatur ist. H

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind demzufolge zweibasige Festtreibstoffe auf Basis Nitrocellulose/Eitroglycerin, Weichmachern, Abbrandmoderatoren und Stabilisatoren, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie zusätzlich ein Gemisch aus Celluloseacetat und Büß in Anteilen zwischen 0,2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Eesttreibstoffs, enthalten.

Eine.weitgehende Temperatur- und Druckkonstanz des Abbrands läßt sich erhalten, wenn das Gewichtsverhältnis von Ruß und Celluloseacetat zwischen 1:0,5 und 1:10, vorzugsweise zwischen 2:1 und 5:1 liegt. Das günstigste Verhältnis von Celluloseacetat zu Ruß hängt dabei von der jevfeiligen Menge an Ruß ab, die der Treibsatz enthält.

Erfindungsgemäß liegt der Anteil an Ruß in den Sätzen zwischen 0,05 und 1,0 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Treibsatz, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,4· Gew.-%. Entsprechend liegt die Menge des Celluloseacetats in den erfindungsgemäßen Treibsätzen zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,0 Gew.-%.

25Der erfindungsgemäße Zusatz von Ruß und Celluloseacetat zu zweibasigen Treibsätzen ermöglichen es also, den Abbrand der Treibsätze so zu regeln, daß dieser weitgehend unabhängig von Temperatur und Druck erfolgt. Das genaue Verhältnis von Ruß!Celluloseacetat hängt selbstverständlich

JOvon der jeweils gewählten Zusammensetzung des Treibsatzes und von der gewünschten Brenngeschwindigkeit ab. -Es laßt sich jedoch durch kurze, orientierende Vorversuche leicht ermitteln.

ist zwar bereits bekannt, daß'dor Zusatz von Ruß allein

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zu zweibasigen Treibsätzen eine brenngeschwindigkeitssteigernde Wirkung ergibt. Die Steigerung ist jedoch in allen Temperaturbereichen nahezu gleich, so daß eine Temperaturunabhängigkeit des Abbrands dadurch nicht erreicht werden konnte. Erst die erfindungsgemäße Kombinatioc von Ruß und Celluloseacetat ermöglicht den Effekt einer temperaturabhängigen Inversion des Abbrands, so daß dieser über einen großen Temperaturbereich hinweg gleichmäßig erfolgt.

Treibsätze, deren Abbrand sich erfindungsgemäß unabhängig von Druck und Temperatur regulieren lassen, umfassen die unter der Bezeichnung "zweibasige Treibsätze" bekannten Treibsätze. In diesen Treibsätzen besteht der energieliefernde Bestandteil aus einem Gemisch aus Cellulosenitrat mit einem Stickstoffgehalt zwischen 11 und 13*4- % Stickstoff, vorzugsweise 12 bis 13 % N, (im allgemeinen als Nitrocellulose bezeichnet) und Glycerintrinitrat (im allgemeinen als Nitroglycerin bezeichnet). Weiterhin enthalten diese bekannten zweibasigen Treibsätze noch Stabilisatoren für diese energieliefernden Bestandteile, Weichmacher zur besseren Verarbeitung des Satzes in den Schneckenaggregaten und bereits bekannte Abbrandmoderatoren, wie z.B. PbO oder organische Blei- und Kupferverbindüngen. Die Menge dieser Verarbeitungs- und Abbrandmoderatoren liegt im allgemeinen unter 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Satzes.

Die erfindungsgemäße Wirkung zeigt sich auch bei solchen zweibasigen Treibsätzen, die außer dem Gemisch an Nitrocellulose/Nitroglycerin noch andere feste, hoch energiereiche Explosivstoffe enthalten, wie z.B. Pentaerythrittetranitrat oder cyclische Nitramine wie Cyclotrimethylentrinitramin.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Treibsätze erfolgt auf an sich "bekannte Weise. Dabei wird zweckmäßigerweise ein vorgefertigtes Gemisch aus Nitrocellulose und Nitroglycerin, das zur gefahrlosen Verarbeitung noch ca. 20 % Wasser enthält, mit den übrigen Komponenten in. entsprechenden Mischaggregaten homogen gemischt. Anschließend erfolgt eine Granulierung und daraufhin Trocknung bei Temperaturen um 60 ⁰C im warmen Luftstrom. Die erhaltenen Granulate werden anschließend ggf. einem weiteren Formgebungsprozeß unterworfen.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel 1)

Dieses Beispiel behandelt eine Treibstoffmasse ohne Zusatz von Abbrandmoderatoren. Sie hat folgende Zusammensetzung: 15

50,4 % Nitrocellulose (12,6 % Stickstoff) 38,1 % Nitroglycerin
6,1 % Diäthyldiphenylharnstoff
5,1 % Äthylphenyluretban
0,3 % Wachs.

Die Herstellung erfolgte durch Mischen eines vorgefertigter Gemenges aus Nitrocellulose und Nitroglycerin, welches noch ca. 20 Gew.-% Wasser enthielt. Dieses wurde mit den übrigen Komponenten zusammen in einem Werner & Pfleiderer-Kneter mindestens 1 Stunde homogen gemischt. Danach folgten drei Durchgänge dor Masse durch einen Scheibenkneter. Anschließend wurde das Material auf einer Granulierschneckenpresse zweimal granuliert und das erhaltene Granulat daraufhin 12 bis 15 Stunden bei 60 ⁰C im Warmluftstrom getrocknet. Das erhaltene Granulat wurde auf einer Doppelwellenschneckenpresse zu strangförmigem Material verpreßt. Aus diesem wurde nach entsprechender Vorbereitung Brennstäbe für die Bestimmung der Brenngoschwindigkeit nach

35Crawford gefertigt. Die Ergebnisse der Prüfunp- sind in der

beigefügten Abbildung 1 dargestellt.

Diese Abbildung zeigt, daß ohne Zusatz von Abbrandmoderatoren die Brenngeschwindigkeitslinien einen stetigen Anstieg aufweisen. Diese Linien sind demzufolge temperatur- und druckabhängig.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel 2)

Es wurde eine Treibstoffnasse hergestellt, die einen bekannten Abbrandmoderator enthält. Die Masse hatte folgende Zusammensetzung:

48.8 % Nitrocellulose (12,6 % Stickstoff)

36.9 % Nitroglycerin

6,0 % Diäthyldiphenylharnstoff
5,0 % Ithylphenylurethan
5,0 % Blei-2-äthylhexoat
0,3 % Wachs.

Die Herstellung des Treibsatz er, erfolgte in gleicher Weine wie im Beispiel 1. Die Ergebnisse der Ermittlung der Brenngeschwindigkeiten sind in Abbildung 2 dargestellt. Diese Abbildung zeigt, daß durch den Zusatz dieser bekannten Abbrandmoderatoren der Abbrand in der V/eise beeinflußt wird, daß im unteren Druckbereich eine Steigerung der Brenngeschwindigkeit erfolgt. Dies führt je nach der Art und der eingesetzten Menge des angewandten Moderators zur Bildung eines Plateauabbrandes oder (bei größerer Dosierung des Reglers) einer. Mesaabbrnndes. Die Abhänp;ip;koit von der

30Temperatur bleibt jedoch.erhalten. Dies wird deutlich aus dem Abstand der einzelnen Abbrandkurven bei verschiedenen Temperaturen.

Beispiel 3 CVergleichsbcispiel 3)
35Es wurde eine Treibstoffmasse hergestellt, in der mehrere

ί-

"bekannte Abbrandmoderatoren kombiniert wurden. Die Herstellung erfolgte wie im Beispiel 1. Die Ergebnisse der Ermittlung der Brenngeschwindigkeiten sind aus der Abbildung 3 erkennbar. Auch hier ist die Abhängigkeit des Abbrandes von der Temperatur ersichtlich., wenn auch in einem kleinen Druckbereich eine Annäherung der Linien erkennbar ist. Diese Annäherung ist aber rein zufällig und in keiner Weise steuerbar.

Die Zusammensetzung der Treibstoffmasse war folgende:

'IB₇G % Nitrocellulose (12,Γ, % Stickstoff) 36,8 "/ο Nitroglycerin 6,0 % Diäthyldiphenylharnstoff 5»0 °/° Äthylphenylurethan 2,0 % Blei-2-äthylhexoat 0,4 % Bleisalicylat 0,9 % Blei-II-oxid

0,3 % Wachs.
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Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel 4) Dieses Beispiel zeigt, daß durch Zusatz von Ruß die Temperaturunabhängigkeit nicht geändert·werden kann. Die Herstellung und Bewertung der Treibstoffmasse erfolgte in gleicher Weise wie in den Beispielen 1 bis 3·, Die Masse hatte folgende Zusammensetzung:

■4-9,3 % Nitrocellulose (12,6 % Stickstoff) 37,2 % Nitroglycerin 6,0 % Diäthyldiphenylharnstoff 5,0 % Äthylphenylurethan 2,0 % Blei-2-äthylhexoat

0,2 % Ruß (Handelsprodukt Durex 0 der Degussa,Frankfurt) 0,3 % Wachs.
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Aboilchmn; 4 zeir;t die Abbrandlinien dieser Masse.

.9·

Jg -

Beispiel 5 (erfindungsgemäß)

Entsprechend Beispiel 1 wurde eine Treibstoffmasse folgender Zusammensetzung hergestellt:

48,2 % Nitrocellulose (12,6 % Stickstoff) 37,1 % Nitroglycerin
6,0 % Diäthyldiphenylharnstoff
5,0 % Äthylphenylurethan
2,0 % Blei-2-äthylhexoat
1,2 % Celluloseacetat (Handelsprodukt Cellit L 900 der Bayer AG, Leverkusen)

0,2 % Ruß (Handelsprodukt D\irex 0 der Degussa,Prankfurt) 0,3 % Wachs.

Die Bewertung des Treibsatzes erfolgte wie in den Beispielen 1 bis 4-. Aus der Abbildung 5 ist das Abbrandveihalten dieses Treibstoffs erkennbar. Die Abbrandlinien zeigen, daß bei niedrigen Temperaturen infolge des Zusatzes des Celluloseacetats die Brenngeschwindigkeit überproportional zunimmt, so daß eine Inversion des Abbrandverhaltens eintritt.

Beispiel 6 (erfindunrgngemäß)

Es wurde eine Treibstoffmasno der gleichen Zurjamincnsetfvunp; wie im. Beispiel 5 hergestellt mit dem Unterschied, daß die Menge des Celluloseacetats geringfügig herabgesetzt wurde. Die Masse hatte einen Anteil von nur 1,0 % Celluloseacetat, so daß das Verhältnis von Celluloseacetat:Ruß bei 5=1 lag.

Die Ergebnisse der Brenngesch\irindigkeitsprüfung sind in Abbildung 6 dargestellt; die Abbildung zeigt, daß die Abbrandlinien über einen weiten Druckbereich ganz dicht beieinander liegen und auch über diesen Drxackbereich hinweg kaum noch eine Änderung der Brenngeschwindigkeit eintritt.

Beispiel 7 (erfindungsgemäß)

Dieses Beispiel zeigt, daß die erfindungsgemäße Wirkung de Gemisches aus Celluloseacetat und Ruß unabhängig·νοη den in dem Gemisch anwesenden übrigen Abbrandmoderatoren auftritt Es wurde die gleiche Zusammensetzung wie im Beispiel 6 gewählt mit dem Unterschied, daß anstelle des Blei-2-äthylhexoats Bleistearat genommen wurde. Die Verarbeitung und Prüfung erfolgte wie im Beispiel 6. Die Ergebnisse der Brenngeschwindigkeitsprüfung sind in Abbildung 7 dargestellt.

Beispiel 8

Es wurde eine Treibstoffmasse folgender Zusammensetzung in gleicher Weise wie in den vorangegangenen Beispielen hergestellt:

44,9 % Nitrocellulose (12,6 % Stickstoff) 32,3 % Nitroglycerin

5,0 % Pentaerythrittetranitrat
12,9 % Glycerintriacetat

1,0 % Diäthyldiphenylharnstoff

1,0 % Nitrodiphenylamin

1,0 % Blei-II-oxid

1,0 % Kupfer-II-oxid
0,5 % Celluloseacetat (wie in Beispiel 5) 0,3 % Ruß (wie in Beispiel 5)

0,2 % Wachs.

Die Ergebnisse der Brenngeschwindigkeitsprüfung sind in 30Abbildung 8 dargestellt. Diese Abbildung zeigt wiederum, daß auch bei Amvesenheit zusätzlicher hochbrisanter Explosivstoffe und anderer Stabilisierungsmittel als in den vorangegangenen Beispielen der Zusatz des Celluloseacetats eine Erhöhung der Brenngeschwindigkeit im unteren Tempera-35turbei^>eich bewirkt. In diesem Beispiel ist das Verhältnis

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von Ruß:Celluloseacetat bewußt so gewühlt, daß eine Versteuerung eintritt.

Beispiel 9

Es wurde eine Treibstoffmasse mit der gleichen Zusammensetzung wie im Beispiel 8 hergestellt mit dem Unterschied, daß der Anteil des Celluloseacetats bei 0,3 G-ew.-% und derjenige des Rußes bei 0,15 Gew.-% lag; der Anteil der Nitrocellulose und des Nitroglycerins wurden dementsprechend erhöht. Die Herstellung dieser Masse und die Verarbeitung wurden in gleicher Weise wie in Beispiel 8 durchgeführt. Die Ergebnisse der Brenngeschwindigkeitsprüfung sind in Abbildung 9 dargestellt. Die erhaltenen Linien zeigen, daß über einen weiten Druckbereich hinweg die Brenngeschwindigkeiten sowohl temperatur- als auch druckunabhängig sind.

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Leerseite

Claims

Troisdorf, den 13. März 1981

OZ: 81021 (4-031) Dr.Sk/Ce

Patentansprüche:

1J Doppelbasige Peststofftreibsütze auf der Basis von ^w Nitrocellulose, Nitroglycerin, Weichmachern, Stabilisatoren und Abbrandmoderatoren, dadurch gekennzeichnet , daß sie zusätzlich ein Gemisch aus Ruß und Celluloseacetat in Mengen von 0,2 bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Festtreibstoffs, enthalten.
2. Festtreibstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Ruß ; Celluloseacetat 1:0,5 "bis 1:10 beträgt.
3. Festtreibstoffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Ruß 0,05 bis 1,0 Gew.-% der gesamten Treibstoffmenge beträgt.

Festtreibstoffe nach einem der Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich noch weitere energieliefernde, hochenergetische Stoffe enthalten.