DE4324739C1

DE4324739C1 - Gegossene kunststoffgebundene Sprengladung

Info

Publication number: DE4324739C1
Application number: DE19934324739
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Chem D Kleinschmidt; Paul Dipl Chem Dr Wanninger
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: TDW GESELLSCHAFT FUER VERTEIDIGUNGSTECHNISCHE WIRKS
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2013-07-24
Also published as: FR2707978B1; FR2707978A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine gegossene kunststoffgebundene Sprengladung mit einem einen Weichmacher enthaltenden Kunststoffbinder.

Hochbrisante kristalline Explosivstoffe, wie Hexogen oder Oktogen, lassen sich in aushärtbaren Kunststoffen, beispielsweise Polyurethan-, Polyester-, Polyacrylnitril-, Polyacrylat- oder Polybutadien-Harzen einbetten und die Kunststoffbinder unter Formgebung aushärten.

Das Gießen von kunststoffgebundenen Sprengladungen erfordert im ersten Verfahrensschritt ein Vermischen der festen Explosivstoffe mit den flüssigen Kunststoff-Präpolymeren zu homogenen, fließfähigen Massen. Diese Gemische werden in Formen gegossen und der Kunststoff beispielsweise durch Warmlagerung zur fertigen Sprengladung ausgehärtet. Das Füllen erfolgt im allgemeinen unter Vakuum, um Luft und andere Gaseinschlüsse zu beseitigen, die zu Fehlstellen im ausgehärteten Sprengstoff führen würden.

Mit zunehmendem Anteil des Explosivstoffs erhöht sich die Viskosität des Gießgemischs. Bei hochviskosen Gießgemischen ist daher keine befriedigende Fließfähigkeit mehr gewährleistet. So ist z. B. nicht mehr sichergestellt, daß Hinterschneidungen im Innern der Hülle oder der Gießform gefüllt werden. Auch kann bei hochviskosen Gemischen, wenn überhaupt, erst nach sehr langer Mischzeit ein homogenes Gemisch erhalten werden. Ferner ist es schwierig, Gießgemische mit einer hohen Viskosität vollständig zu entgasen. Demgemäß wird es als erforderlich angesehen, daß der Kunststoffbinder in einem bestimmten Anteil zugesetzt wird. Dieser Anteil beträgt nach dem Stand der Technik normalerweise mindestens 15% (vgl. die Beispiele von DE-OS 21 17 854, DE 37 39 191 A1, DE-OS 25 29 432 und US-PS 4,050,968). Der Explosivstoffanteil beträgt damit maximal 85%. Dadurch ist das Leistungspotential kunststoffgebundener Ladungen begrenzt. Da nach DE 30 27 361 C1 der Kunststoffbinderanteil von 15% bei gießbaren Sprengstoffen auch nicht unterschritten werden kann, wird vorgeschlagen, auf gepreßte Sprengladungen auszuweichen. Nach DE 38 04 396 C1 ist es möglich, durch multimodale Feststoffgemische mit einem Feinstkornzusatz den Feststoffanteil auf max. 88% zu erhöhen.

Als Weichmacher für den Kunststoffbinder werden nach dem Stand der Technik z. B. Octylazelat (DE-OS 21 17 854), Dimethylglykolphthalat (DE-OS 25 29 432), BDNPF (US-PS 4,050,968) oder Dibutylphthalat sowie Di-2-ethylhexyl-adipinat (DOA) (EP 509 200 A1) verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Sprengstoffanteil und damit die Leistung einer kunststoffgebundenen, gegossenen Ladung zu erhöhen, und zwar ohne Viskositätszunahme des Gießgemischs.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Weichmacher für den Kunststoffbinder ein Ester einer Monocarbonsäure verwendet wird, dessen Monocarbonsäure-Komponente 4 bis 16 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 8 bis 11 Kohlenstoffatome, und dessen Alkoholkomponente 4 bis 18 Kohlenstoffatome, vorzugsweise 7 bis 12 Kohlenstoffatome, aufweist.

Damit kann der Feststoffgehalt der gegossenen Sprengladung auf mehr als 85 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 88 Gew.-% und sogar auf mehr als 90 Gew.-% erhöht werden.

Überraschenderweise wird nämlich bei Verwendung von Monocarbonsäureestern als Weichmachern nicht nur von vornherein eine niedrigere Viskosität des Gießgemisches erzielt, sondern vor allem die Viskosität während des Mischens kaum erhöht.

Bei Verwendung herkömmlicher Weichmacher für kunststoffgebundene Sprengladungen, wie DOA, also einem aliphatischen Dicarbonsäureester, nimmt die Viskosität des Gießgemischs beim Mischen zunächst ab, steigt dann aber steil an. Dieser Anstieg ist darauf zurückzuführen, daß durch den Abrieb der Feststoffe ein hoher Anteil feinster Teilchen gebildet wird. Möglicherweise besitzen Monocarbonsäureester einen höheren Schmiereffekt als die herkömmlichen Weichmacher für kunststoffgebundene Sprengladungen, so daß dieser Abrieb zurückgedrängt wird.

Die Monocarbonsäurekomponente und die Alkoholkomponente des Weichmachers weisen vorzugsweise aliphatische Kohlenwasserstoffketten auf, die geradkettig oder verzweigt sein können. Besonders bevorzugte Monocarbonsäuren sind n- Nonan-, Isononan, n-Decan und Isodecansäure.

Als besonders geeignet haben sich folgende Weichmacher erwiesen:

- n-Nonansäure-Isodecylester (NID)
- Isononansäure-Propylheptylester (INPH)
- Isodecansäure-Propylheptylester (IDPH)
- Isononansäure-Isotridecylester (INDI).

Ganz besonders gute Ergebnisse wurden mit NID und INDI erzielt.

Der Anteil des Weichmachers beträgt vorzugsweise 30 bis 70, insbesondere 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Kunststoffbinders, also das Gemisch aus Weichmacher und Kunststoff.

Der Feststoff der erfindungsgemäßen Sprengladung besteht entweder ganz aus einem hochbrisanten Explosivstoff, Oktogen oder Hexogen, oder er wird bis zu 30 Gew.-% durch ein Metallpulver, insbesondere Aluminiumpulver, gebildet. Durch das Metall- bzw. Aluminiumpulver wird die Blastwirkung der Sprengladung erhöht.

Der Kunststoff des Kunststoffbinders kann irgend ein Kunststoff sein, der herkömmlicherweise für kunststoffgebundene Sprengladungen verwendet wird, also beispielsweise ein Polyurethan-, Polyester-, Polyacrylat- oder Polyacrylnitril- Harz. Besonders bevorzugt wird jedoch Polybutadien, und zwar hydroxylterminiertes Polybutadien (HTPB). Als Härter für HTPB wird vorzugsweise Isophorondiisocyanat (IPDI) verwendet.

Neben dem Explosivstoff und dem Kunststoffbinder sowie ggf. dem Aluminiumpulver kann die erfindungsgemäße Sprengladung noch die üblichen Zusatzstoffe enthalten, also z. B. Härtungskatalysatoren, sowie Oxydationsschutz- und Netzmittel.

Für eine befriedigende Gießbarkeit muß die Viskosität des Gießgemischs unter 3000 Pas (Brookfield, 60°C) liegen. Zur Erzielung einer Sprengladung hoher Leistung ist es erforderlich, daß die Dichte mehr als 98% der theoretischen Dichte beträgt, d. h., die Sprengladung praktisch porenfrei ist. Wenn die Sprengladung 85 Gew.-% Oktogen (HMX) enthält, muß damit die Dichte mehr als 1,62 g/cm³ betragen, und bei 90 Gew. % HMX mehr als 1,68 g/cm³.

Vergleichsbeispiel

Nach folgender Rezeptur wird eine herkömmliche kunststoffgebundene Sprengladung mit einem Oktogen-Anteil von 85 Gew.-% hergestellt:
85 Gewichtsteile Oktogen
13,79 Gewichtsteile HTPB + IPDI
1 Gewichtsteil DOA
0,21 Gewichtsteile Zusatz- und Hilfsstoffe.

Das Oktogen weist eine bimodale Körnung aus einem Grobkorn mit einer Korngröße zwischen 200 und 800 µm und einem Feinkorn mit einer Korngröße zwischen 30 und 160 µm auf, wobei der Anteil des Grobkorns zu dem Feinkorn 2 : 1 beträgt. Ein Gewichtsprozent des Oktogens besteht aus Feinstkorn mit einer mittleren Korngröße von 3 µm.

Die Zusatz- und Hilfsstoffe werden durch einen Härtungskatalysator sowie ein Oxydationsschutz- und Netzmittel gebildet.

Das Oktogen und ein Gemisch aus dem flüssigen HTPB, DOA sowie Oxydationsschutz- und Netzmittel werden in einen Kneter gegeben und bei einer Temperatur von 60°C im Kneter gemischt. Dabei wird ein Vakuum von 20 hPa angewandt, um das Gemisch zu entgasen. In Abständen von 5 Minuten wird die Viskosität des Gemischs gemessen. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Mischzeit wird durch die Kurve A der Fig. 1 veranschaulicht. Danach beträgt die Ausgangsviskosität ca. 1.300 Pas. Sie nimmt nach einer Mischzeit von ca. 50 Minuten auf ca. 800 Pas ab und steigt dann steil an. Der Mischvorgang wird daher nach 50 Minuten unterbrochen und das IPDI sowie der Härtungskatalysator zugemischt, bevor das Gemisch in eine Munitionshülle gegossen wird.

Die Dichte der erhaltenen Sprengladung liegt im Bereich von 1,62 bis 1,65 g/cm³.

Beispiel 1

Das Vergleichsbeispiel wird wiederholt, außer daß statt 1 Gewichtsteil DOA 1 Gewichtsteil NID als Weichmacher zugegeben wird.

Der Viskositätsverlauf beim Mischen wird durch die Kurve B in Fig. 1 veranschaulicht. Danach fällt die Ausgangsviskosität von ca. 700 Pas auf ca. 400 Pas nach einer Mischzeit von ca. 1 Std. ab, worauf sie langsam wieder ansteigt, so daß nach einer Mischzeit von ca. 2,5 Std. die Viskosität ca. 700 Pas beträgt.

Die gleiche Kurve B wird erhalten, wenn anstelle eines Gewichtsteils NID ein Gewichtsteil INPH, IDPH oder INDI verwendet wird. Das heißt, diese Monocarbonsäureester führen zu einer einheitlich niedrigen Viskosität im Bereich von ca. 400 Pas, die über eine lange Mischzeit konstant bleibt. Damit ist nicht nur von vornherein eine niedrigere Viskosität gewährleistet als mit DOA, auch ist es nicht von Bedeutung, daß eine bestimmte Mischzeit genau eingehalten oder beim Chargenwechsel die optimale Mischzeit jeweils neu ermittelt werden muß.

Beispiel 2

Das Beispiel 1 wird wiederholt, wobei der Oktogengehalt von 85,0 Gew.-% stufenweise auf 85,5, 86,0, 86,5 und 87,0 Gew.-% erhöht wird. Die Grenze der Gießbarkeit ist bei 87 Gew.-% Oktogen erreicht.

Beispiel 3

Das Beispiel 2 wird mit einem Oktogengehalt von 87 Gew.-% wiederholt, wobei gemäß der nachstehenden Tabelle I der NID- Gehalt von 1 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Gießgemischs, bzw. 7.8 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch des Kunststoffbinders (Polybutadien und Weichmacher) stufenweise auf 7 Gew.-% bzw. 53,8 Gew.-% erhöht wird.

Tabelle I

Wie aus Tabelle I ersichtlich, wird bei 6,5 Gew.-% NID, bezogen auf das Gewicht des Gießgemischs, bzw. 50 Gew.-% NID, bezogen auf das Gewicht des Kunststoffbinders, eine Viskosität von 500 Pas erreicht, die auch bei einer Erhöhung des NID- Gehaltes nicht weiter abnimmt. Das Optimum des Weichmachergehaltes liegt also bei 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Kunststoffbinders.

Beispiel 4

Das Beispiel 3 wird mit einem NID-Gehalt von 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Kunststoffbinders, wiederholt, wobei der Oktogengehalt stufenweise von 87 Gew.-% auf 91 Gew.-% erhöht wird.

Tabelle II

Wie aus Tabelle II ersichtlich, beträgt bei einem Oktogengehalt von 90 Gew.-% die Dichte der Sprengladung 1,68 g/cm³. Wie vorstehend ausgeführt, ist damit eine Dichte von 98% der theoretischen Dichte erreicht. Bei einer weiteren Erhöhung des Oktogengehalts auf 91 Gew.-% bleibt die Dichte von 1,68 g/cm³ unverändert, d. h., die Porosität der Sprengladung nimmt zu. Das Optimum der Leistung der Sprengladung ist damit bei einem Oktogengehalt von 90 Gew.-% erreicht.

Beispiel 5

Das Beispiel 4 wird wiederholt, wobei anstelle von Oktogen (O) Hexogen (H) bzw. Gemische von Oktogen und Aluminium sowie Hexogen und Aluminium verwendet werden, wie aus nachstehender Tabelle III ersichtlich.

Tabelle III

Alle Mischungen sind gießbar. Die Dichten entsprechen mehr als 98% der theoretischen Dichte.

Wie erwähnt, erfolgt das Mischen im Vakuum, um das Gemisch zu entgasen. Um Verluste leicht flüchtiger Bestandteile beim Mischen zu vermeiden, sind daher Weichmacher zu verwenden, die eine geringe Flüchtigkeit aufweisen. Die Flüchtigkeit erfindungsgemäß einsetzbarer Weichmacher ist in Fig. 2 dargestellt, und zwar bei einer Temperatur von 120°C. Danach besitzen NID und INDI eine besonders niedrige Flüchtigkeit.

Ferner wurde die Weichmacheremigration der ausgehärteten Sprengladung nach der technischen Lieferbedingung TL 1376-800 "Sprengstoffe und Sprengstoffmischungen / Allgemeine Bedingungen" des Bundesamtes für Wehrtechnik und Beschaffung überprüft. Die erfindungsgemäßen Proben erfüllen die Forderungen dieser technischen Lieferbedingung auch bei einem Weichmachergehalt von 7 Gew.-%, bezogen auf das Gießgemisch, bzw. 53,8 Gew.-%, bezogen auf den Kunststoffbinder.

Claims

1. Gegossene kunststoffgebundene Sprengladung mit einem einen Weichmacher enthaltenden Kunststoffbinder, dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher ein Ester einer Monocarbonsäure ist, dessen Monocarbonsäure-Komponente 4 bis 16 Kohlenstoffatome und dessen Alkoholkomponente 4 bis 18 Kohlenstoffatome aufweist.

2. Sprengladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt der Sprengladung mehr als 88 Gew.-% beträgt.

3. Sprengladung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff zumindest zu 70 Gew.-% aus Explosivstoff besteht.

4. Sprengladung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Explosivstoff Oktogen und/oder Hexogen ist.

5. Sprengladung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus höchstens 30 Gew.-% eines Metallpulvers besteht.

6. Sprengladung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver Aluminiumpulver ist.

7. Sprengladung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher 30 bis 70 Gew.-% des Kunststoffbinders ausmacht.

8. Sprengladung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Monocarbonsäure-Komponente des Esters 8 bis 11 Kohlenstoffatome aufweist.

9. Sprengladung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Monocarbonsäure-Komponente Nonan- oder Decansäure ist.

10. Sprengladung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkoholkomponente des Esters 7 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist.

11. Sprengladung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weichmacher n-Nonansäure- Isodecylester oder Isononansäure-Isotridecylester ist.