EP1044180B1 - Verwendung von Nitroverbindungen - Google Patents

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EP1044180B1
EP1044180B1 EP99903602.3A EP99903602A EP1044180B1 EP 1044180 B1 EP1044180 B1 EP 1044180B1 EP 99903602 A EP99903602 A EP 99903602A EP 1044180 B1 EP1044180 B1 EP 1044180B1
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EP
European Patent Office
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nitro compounds
propellant
burning rate
binder
nitramine
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EP99903602.3A
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EP1044180A1 (de
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Heinz Jaskolka
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Dynamit Nobel Defence GmbH
Original Assignee
Dynamit Nobel Defence GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B25/00—Compositions containing a nitrated organic compound
    • C06B25/34—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitrated acyclic, alicyclic or heterocyclic amine

Definitions

  • the present invention is a high-temperature stable blowing agent.
  • Propellant charge the propellant from the group of nitrate esters z.
  • nitrocellulose are thermally unstable.
  • nitramines such as.
  • As hexogen, octogen or nitro compounds such as TNT, however, are thermally stable.
  • TNT nitrocellulose
  • each propellant for the particular application must have a precisely matched gas production rate.
  • the known propellant charge powders based on a nitrocellulose matrix the geometry and thus the Abbrandober Assembly is varied.
  • the burning rate of the material itself is variable only within a limited range. If the geometry has to be kept constant for certain reasons, for example in caseless telescope cartridges, in igniter transducers, in combustible carrier components or similar components, it is almost always necessary to adapt the burning rate to the requirements.
  • the choice of the binder (energetic or inert) or the porosity makes it possible to adjust the burning rate in a much wider range than in the case of conventional NC-based blowing agents.
  • energetic binders With energetic binders, the burning rate can not be lowered sufficiently. This is possible with a high proportion of inert binders, however the energy balance and the tendency to ignite deteriorates, since a fairly high proportion of binders, usually over 15% by weight, is necessary for adequate phlegmatization.
  • phlegmatized systems have already been used for so-called LOVA applications.
  • the nitramine / binder combinations used have u.a.
  • the explosive content can not be increased above 86%, otherwise the detonationsDuen properties outweigh. If you fall below this value clearly, the performance of the propellant decreases rapidly. The required power is so u.U. no longer guarantee.
  • the proportion of binder or unphlegmatized explosive is varied. If, for example, for gun technical reasons, the burning rate must be lowered, this is done by increasing the inert content. In this case, however, the reduction of the sensitiveness is to be accepted. The energy balance of the propellant is also degraded.
  • the object of the present invention was to provide a blowing agent which does not have the disadvantages of the blowing agents known from the prior art.
  • a blowing agent which contains a nitramine such as hexogen or oxogen, a phlegmatizing binder and a nitro compound such as nitroguanidine.
  • a nitramine such as hexogen or oxogen
  • a phlegmatizing binder and a nitro compound such as nitroguanidine.
  • the solution according to the invention provides for a propellant in which the burning rate can be varied within a very wide range (ratio 10: 1) without changing the binder content or the porosity.
  • the blowing agent according to the invention is thermally more stable, has a largely variable burning rate and a sufficiently high ignitability.
  • nitro compounds which can be used according to the invention are guanidine, triazole or tetrazole derivatives, preferably nitroguanidine and guanidine nitrate or mixtures thereof, particularly preferably nitroguanidine.
  • the invention it is provided to reduce the burning rate of the blowing agent known per se, consisting of nitramines with phlegmatizing binders, by adding the nitro compounds provided according to the invention, without significantly impairing the energy balance.
  • nitro compounds from the group of guanidine, triazole and / or tetrazole derivatives are thermally extremely stable, have a very low vivacity and are much less explosive than the other, the group of nitramines belonging explosives.
  • the solution according to the invention provides for adding the propellants of nitramine-binder mixtures known per se to the nitro compounds provided according to the invention.
  • the proportion to be admixed can be up to 90% by weight, preferably from 5 to 90% by weight, particularly preferably from 15 to 85% by weight.
  • the proportion of the invention can be used nitro compounds is varied.
  • compositions which consist exclusively of the nitro compounds and binders provided according to the invention are also possible to use.
  • any desired burnup rate can be adjusted by admixing the nitro compounds provided for the invention with the phlegmatized nitramine blowing agent since the nitro compounds provided according to the invention themselves have a low burning rate due to the low energy balance in comparison to the other nitramines.
  • the nitro compounds provided according to the invention have a positive partial heat of explosion and thus scarcely impair the energy balance of the overall composition.
  • the nitro compounds according to the invention do not have to be phlegmatized because of their low risk of explosion, they improve the ignitability of the overall composition.
  • the addition of the inventively provided nitro compounds serves as a binder additive.
  • the binder content of a per se known propellant based on nitramines can thus be reduced.
  • a binder content of 5 to 9% is generally sufficient in the blowing agents according to the invention.
  • the binder content can be further reduced.
  • Decisive is a sufficient strength of the propellant. The burning properties are thereby significantly improved.
  • the otherwise associated with the use of inert binders bad oxygen balance is thus brought to a level that is common in classical NC propellants (about -40%).
  • the negative oxygen balance is more favorable without the need for additional burn-off moderators or oxygen suppliers such as perchlorates.
  • the nitro compounds provided according to the invention reduce the detonation, friction and impact sensitivity of the overall composition.
  • nitro compounds own low heat of explosion can be compensated in pipe weapons by a high loading density.
  • a charge density of between 1.2 and 1.5 g / cm 3 can be provided.
  • the inventively provided nitro compounds also the explosion temperature of the total composition is reduced, which affects the pipe erosion low.
  • the blowing agents according to the invention can be processed into propellant charge bodies which are suitable for various uses. Because of the great variability of the burning rate, the propellant charge bodies made from the blowing agent of the invention can be adjusted in an excellent manner to the required gas production rate. A property that is severely limited in the known propellants. In classical NC bound propellants, the gas production rate becomes almost exclusively via geometry controlled (propellant powder: (TLP) wall thickness). In the known nitramine-binder combinations, depending on the type of binder, different gas production rates are obtained, but these can only be made variable within a small range. For a given geometry of the TLP body so that the range of application of the known propellant is limited.
  • the propellant of the invention can be pressed in a conventional manner to propellant charge body.
  • a propellant charge body which burns off after firing by a booster charge radially from inside to outside, can preferably be constructed so that the inner layer burns much slower than the outer layer.
  • This can be achieved by a layered structure when pressing the propellant charge body or by the use of a combustible sleeve which burns faster than the propellant charge itself.
  • heterogeneous structure is achieved that at the beginning, the gas supply rate is low and increased with increasing burnup when the cargo space volume has increased due to the projectile movement. The result is an increase in cartridge performance, an increase in progressiveness.
  • FIG. 1 the influence of the admixture of nitroguanidine on the burning rate of a consisting of 15% polymethyl methacrylate (PMMA) coated hexogen propellant body is shown.
  • PMMA acts as a binder.
  • blowing agents according to the invention can be used in cartridges, ignition elements, propellants or in other propellant charge bodies.

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Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein hochtemperaturstabiles Treibmittel.
  • Treibladungskörper, die Treibmittel aus der Gruppe der Nitratester z. B. Nitrocellulose (NC) enthalten, sind thermisch instabil. Die sogenannten Nitramine, wie z. B. Hexogen, Oktogen oder Nitroverbindungen wie TNT sind dagegen thermisch stabiler. Um sie als Treibmittel verwenden zu können, müssen sie jedoch phlegmatisiert werden. Nur so ist ein kontrollierter Abbrand gewährleistet. Ohne Phlegmatisierung wären sie detonationsfähig und würden in der Waffe wie ein Sprengstoff reagieren.
  • Bezüglich der Phlegmatisierung unterscheidet man zwischen energetischen und nichtenergetischen Materialien, die häufig auch gleichzeitig als Binder wirken. Grundsätzlich muß jedes Treibmittel für den jeweiligen Einsatzzweck eine genau abgestimmte Gasproduktionsrate besitzen. Allgemein üblich wird den bekannten Treibladungspulvern auf Basis einer Nitrocellulose-Matrix die Geometrie und somit die Abbrandoberfläche variiert. Die Abbrandgeschwindigkeit des Materials selbst ist nur in einem begrenzten Bereich variabel. Muß die Geometrie aus bestimmten Gründen konstant gehalten werden, beispielsweise bei hülsenlosen Teleskoppatronen, bei Anzündüberträgern, bei verbrennbaren Trägerkomponenten oder ähnlichen Komponenten, ist es fast immer notwendig, die Abbrandgeschwindigkeit an die Anforderungen anzupassen. Bei den dabei eingesetzten Nitramin/Binder-Kombinationen läßt sich durch Wahl des Binders (energetisch oder inert) oder der Porosität die Abbrandgeschwindigkeit in einem sehr viel weiteren Bereich anpassen, als bei den herkömmlichen Treibmitteln auf NC-Basis. Jedoch sind auch dabei Nachteile in Kauf zu nehmen. Mit energetischen Bindern läßt sich die Abbrandgeschwindigkeit nicht genügend absenken. Mit einem hohen Anteil an inerten Bindern ist dies zwar möglich, doch verschlechtert sich die Energiebilanz und die Anzündwilligkeit, da zur ausreichenden Phlegmatisierung ein ziemlich hoher Anteil an Bindern, meist über 15 Gew.-%, notwendig ist.
  • Phlegmatisierte Systeme sind beispielsweise schon für sogenannte LOVA-Anwendungen verwendet worden. Die dabei eingesetzten Nitramin/Binder-Kombinationen weisen u.a. folgende Nachteile auf: Sie zeichnen sich durch eine extrem schlechte Anzündempfindlichkeit aus. Der Explosivstoffanteil kann nicht über 86 % erhöht werden, da sonst die detonationsfähigen Eigenschaften überwiegen. Unterschreitet man diesen Wert deutlich, nimmt die Leistung des Treibmittels rapide ab. Die erforderliche Leistung ist damit aber u.U. nicht mehr zu gewährleisten. Um die Abbrandgeschwindigkeit und die Anzündempfindlichkeit zu steuern, wird bisher der Anteil an Binder oder an unphlegmatisiertem Explosivstoff variiert. Muß beispielsweise aus waffentechnischen Gründen die Abbrandgeschwindigkeit abgesenkt werden, erfolgt dies durch Erhöhung des Inertanteils. In Kauf zu nehmen ist dabei allerdings die Reduzierung der Anzündempfindlichkeit. Die Energiebilanz des Treibmittels ist ebenfalls verschlechtert.
  • Die Erhöhung der Porosität führt zwar zu höherer Abbrandgeschwindigkeit, verringert aber gleichzeitig die Materialdichte (Energiedichte).
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Treibmittel bereitzustellen, das die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Treibmittel nicht aufweist.
  • Gelöst wurde diese Aufgabe durch die Verwendung von Nitroverbindungen zur Einstellung der Abbrandgeschwindigkeit mit den Kennzeichen des Hauptanspruchs. Vorzugsweise Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen charakterisiert.
  • In der GB 2 265 896 A wird auf Seite 3, Zeile 15 bis Seite 4, Zeile 7 ein Treibmittel offenbart, das ein Nitramin, wie Hexogen oder Oxogen, ein phlegmatisierendes Bindemittel und eine Nitroverbindung wie Nitroguanidin enthält. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch diese Anmeldung nicht gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, ein Treibmittel bereitzustellen, bei dem die Abbrandgeschwindigkeit in einem sehr weiten Bereich variiert werden kann (Verhältnis 10:1), ohne den Binderanteil oder die Porosität zu verändern.
  • Das erfindungsgemäße Treibmittel ist thermisch stabiler, verfügt über eine weitgehend variierbare Abbrandgeschwindigkeit und über eine ausreichend hohe Anzündempfindlichkeit. Dies wurde erfindungsgemäß überraschenderweise durch den Einsatz einer zweiten Nitrokomponente, neben mindestens einem weiteren Nitramin erreicht, wobei zu beachten ist, daß die erfindungsgemäß einsetzbare Nitrokomponente eine sehr niedrige Abbrandgeschwindigkeit aufweisen und sich weitgehend explosionsungefährlich verhalten. Beispiele solcher erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen sind Guanidin-, Triazol- oder Tetrazolderivate, vorzugsweise Nitroguanidin und Guanidinnitrat oder deren Mischungen, besonders bevorzugt Nitroguanidin.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Abbrandgeschwindigkeit des an sich bekannten, aus Nitraminen mit phlegmatisierenden Bindemitteln bestehenden Treibmittels durch Zusatz der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zu reduzieren, ohne die Energiebilanz deutlich zu verschlechtern.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen aus der Gruppe der Guanidin-, Triazol- und/oder Tetrazolderivate sind thermisch äußerst stabil, weisen eine sehr geringe Lebhaftigkeit auf und sind wesentlich weniger explosionsgefährlich, als die anderen, der Gruppe der Nitramine angehörenden Explosivstoffe.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, den an sich bekannten Treibmitteln aus Nitramin-Bindergemischen die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zuzufügen. Der zuzumischende Anteil kann bis zu 90 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 85 Gew.-% ausmachen. Je nach geforderter Abbrandgeschwindigkeit wird der Anteil der erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen variiert. In bestimmten Fällen sind auch Zusammensetzungen einsetzbar, die ausschließlich aus den erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen und Bindemitteln bestehen.
  • Überraschenderweise wurde festgestellt, daß durch Zumischung der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zum phlegmatisierten Nitramin-Treibmittel jede gewünschte Abbrandgeschwindigkeit eingestellt werden kann, da die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen selbst eine niedrige Abbrandgeschwindigkeit aufgrund der niedrigen Energiebilanz im Vergleich zu den anderen Nitraminen besitzen.
  • Im Vergleich zu den bisher verwendeten inerten Bindemitteln besitzen die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen eine positive partielle Explosionswärme und verschlechtern damit die Energiebilanz der Gesamtzusammensetzung kaum.
  • Da die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen aufgrund ihrer geringen Explosionsgefährlichkeit selbst nicht phlegmatisiert werden müssen, verbessern sie die Anzündempfindlichkeit der Gesamtzusammensetzung. Gleichzeitig dient die Zugabe der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen als Bindemittelzusatz. Der Bindemittelanteil eines an sich bekannten Treibmittels auf der Basis von Nitraminen kann folglich herabgesetzt werden. Ein Binderanteil von 5 bis 9 % ist in den erfindungsgemäß zusammengesetzten Treibmitteln in der Regel ausreichend. Durch geeignete Bindemittel läßt sich der Bindemittelanteil weiter reduzieren. Entscheidend ist eine ausreichende Festigkeit des Treibmittels. Die Abbrandeigenschaften werden dadurch deutlich verbessert. Die sonst mit dem Einsatz von inerten Bindemitteln einhergehende schlechte Sauerstoffbilanz wird damit auf ein Niveau gebracht, das bei klassischen NC-Treibmitteln üblich ist (ca. -40 %).
  • Im Vergleich zu phlegmatisierten Nitramin-Treibmitteln fällt die negative Sauerstoffbilanz günstiger aus, ohne daß zusätzliche Abbrandmoderatoren oder Sauerstofflieferanten wie beispielsweise Perchlorate eingesetzt werden müssen.
  • Aufgrund ihrer geringen Explosionsgefährlichkeit reduzieren die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen die Detonations-, Reib- und Schlagempfindlichkeit der Gesamtzusammensetzung.
  • Die den erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen eigene niedrige Explosionswärme kann in Rohrwaffen durch eine hohe Ladedichte ausgeglichen werden. Mit den erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen kann eine Ladedichte zwischen 1,2 und 1,5 g/cm3 vorgesehen werden. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen wird außerdem die Explosionstemperatur der Gesamtzusammensetzung herabgesetzt, was die Rohrerosion günstig beeinflußt.
  • Außerdem ist die Abhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit von der Temperatur deutlich geringer bei den erfindungsgemäß zusammengesetzten Treibmitteln als bei herkömmlichen NC-gebundenen Treibmitteln. Dies führt gegenüber herkömmlichen Nitrocellulose (NC)-gebundenen Treibmitteln zu niedrigeren Druck/Temperaturgradienten.
  • Die erfindungsgemäßen Treibmittel lassen sich zu Treibladungskörper verarbeiten, die für verschiedene Verwendungszwecke geeignet sind. Wegen der großen Variabilität der Abbrandgeschwindigkeit lassen sich die aus dem erfindungsgemäßem Treibmittel hergestellten Treibladungskörper in hervorragender Weise auf die erforderliche Gasproduktionsrate einstellen. Eine Eigenschaft, die bei den bekannten Treibmitteln stark eingeschränkt ist. Bei den klassischen NC gebundenen Treibmitteln wird die Gasproduktionsrate nahezu ausschließlich über die Geometrie gesteuert (Treibladungspulver: (TLP)-Wandstärke). Bei den bekannten Nitramin-Bindemittelkombinationen erhält man je nach Bindemittel-Typ unterschiedliche Gasproduktionsraten, die aber nur in einem kleinen Bereich variabel gestaltet werden können. Bei vorgegebener Geometrie des TLP-Körpers ist damit der Einsatzbereich der bekannten Treibmittel eng begrenzt.
  • Das erfindungsgemäße Treibmittel kann in an sich bekannter Weise zu Treibladungskörper verpreßt werden. Ein Treibladungskörper, der nach Anzündung durch eine Boosterladung radial von innen nach außen abbrennt, kann vorzugsweise so aufgebaut werden, daß die innere Schicht wesentlich langsamer abbrennt, als die äußere Schicht. Erreicht werden kann dies durch einen schichtweisen Aufbau beim Pressen der Treibladungskörper oder durch den Einsatz einer verbrennbaren Hülse, die schneller abbrennt, als der Treibladungskörper selbst. Durch diesen sogenannten heterogenen Aufbau wird erreicht, daß am Anfang die Gaslieferungsrate gering ist und mit zunehmenden Abbrand gesteigert wird, wenn das Ladungsraumvolumen sich durch die Geschoßbewegung vergrößert hat. Das Ergebnis ist eine Leistungssteigerung der Patrone, eine Steigerung der Progressivität.
  • In Figur 1 ist der Einfluß der Zumischung von Nitroguanidin auf die Abbrandgeschwindigkeit eines aus mit 15 % Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichteten Hexogen bestehenden Treibladungskörpers gezeigt. Das PMMA fungiert hierbei als Binder. Auch andere, an sich bekannte Binder, beispielsweise peroxidisch vernetzte Polymere, Polybutadiene, Zweikomponentenharze, Mischungen solcher Binder können eingesetzt werden, wenn damit eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht werden kann und solange sie mit den Explosivstoffen verträglich sind.
  • Die erfindungsgemäßen Treibmittel können in Patronen, Anzündelementen, Treibsätzen oder in sonstigen Treibladungskörpern eingesetzt werden.

Claims (3)

  1. Verwendung von Nitroverbindungen zur Einstellung der Abbrandgeschwindigkeit von Treibmitteln aus Nitramin und phlegmatisierenden Bindemitteln, wobei das Nitramin aus Hexogen oder Oktogen und die Nitroverbindung aus der Gruppe der Guanidin-, Triazol- oder Tetrazolderivate oder aus deren Mischungen ausgewählt ist.
  2. Verwendung von Nitroverbindungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitroverbindung aus Nitroguanidin oder Guanidinnitrat, oder aus deren Mischungen ausgewählt ist.
  3. Verwendung von Nitroverbindungen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Nitroverbindung an der Gesamtzusammensetzung 15 bis 85 Gew.-% ausmacht.
EP99903602.3A 1998-01-05 1999-01-05 Verwendung von Nitroverbindungen Expired - Lifetime EP1044180B1 (de)

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