EP1321505A2 - Gelförmiger Treibstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung - Google Patents

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EP1321505A2
EP1321505A2 EP20020027115 EP02027115A EP1321505A2 EP 1321505 A2 EP1321505 A2 EP 1321505A2 EP 20020027115 EP20020027115 EP 20020027115 EP 02027115 A EP02027115 A EP 02027115A EP 1321505 A2 EP1321505 A2 EP 1321505A2
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EP
European Patent Office
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fuel
liquid
solid particles
explosives
particle diameter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20020027115
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Dr. Teipel
Ulrich FÖRTER-BARTH
Horst Dr. Krause
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1321505A2 publication Critical patent/EP1321505A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L7/00—Fuels produced by solidifying fluid fuels
    • C10L7/02—Fuels produced by solidifying fluid fuels liquid fuels

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a gel-like fuel based on a liquid from liquid or dissolved in organic solvents, solid fuels, fuels and / or explosives, such Fuel and its use.
  • Gel-shaped fuels are known and are mainly used for rocket propulsion in space missiles and tactical weapons used.
  • US 6 013 143 A describes one of these Fuel based on tertiary amine azides and these added oxidizers.
  • the fuel is said to be an alternative among the most widely used toxic liquid fuels based on hydrazine serve.
  • Gelling agents in the form of Silicon dioxide, alumina, carbon or polymers added to give it a viscous, gel-like character to lend.
  • the gel-like consistency is supposed to be a compromise regarding the general disadvantages of liquid and solid fuels can be achieved.
  • the invention has for its object a method for Production of a gel fuel of the type mentioned Propose a type whose viscosity is independent of its composition is changeable. It is also open such a fuel and its use.
  • this object is achieved according to the invention by a process for producing a pseudoplastic gel fuel on the basis of a Liquid from liquid or in organic solvents dissolved, solid fuels, fuels and / or explosives solved by solid particles with a particle diameter between 1 and 800 nm in the liquid essentially be dispersed homogeneously.
  • a pseudoplastic gel-like fuel on the Base of a liquid from liquid or in organic Solids, solid fuels, fuels and / or explosives with dispersed essentially homogeneously Solid particles with a particle diameter between 1 and 800 nm are provided.
  • the Viscosity due to mechanical energy input such as stirring energy, Ultrasound or the like
  • the viscosity of the from the source liquid and the dispersed nanoparticles Fuel takes here due to mechanical input Energy is rapidly decreasing so that the gel-like fuel is up to a fluid state, as in conventional liquid fuels is known can be liquefied.
  • the viscosity of the stationary fuel due to lack of agitation increase again until the fuel runs out original gel-like character. in the viscous state the fuel can have material properties similar to solids, such as high elasticity.
  • Fuels, fuels and / or explosives should therefore be solid particles also used with a hydrophobic character be while in a polar organic solvent dissolved fuel, fuel and / or explosive Solid particles with an essentially hydrophilic character should be used.
  • the solid particles can in particular be stirred and / or dispersed into the liquid by means of ultrasound become. Research has shown that the proportion of solid particles between 0.5 and 25% by mass to be adjusted to the mass of the liquid a pseudoplastic fuel with a wide range to obtain variable viscosity.
  • a preferred embodiment provides that a fuel, propellant and / or explosive based on liquid hydrocarbons which optionally contain oxygen and / or nitrogen containing functional groups is used.
  • the hydrocarbon is preferably selected from the group nC 5 -C 9 alkanes, nitromethane (NM), n-propyl nitrate, isopropyl nitrate, ethylene oxide, ethylene glycol dinitrate (EGDN), methyl trimethylol methane trinitrate (metriol trinitrate, MTN), 1,2,4-butanetriol trinitrate (BTTN ), Bis-dinitropropylacetal (BDNPA), bis-dinitropropyl formal (BDNPF), 2,4-dinitroethylbenzene, 2,4,6-trinitroethylbenzene, alkylnitratoethylnitramine (NENAs), kerosene and mixtures thereof.
  • NM nitromethane
  • EGDN ethylene glycol dinitrate
  • MTN methyl trimethylol methane trinitrate
  • BTTN 1,2,4-butanetriol trinitrate
  • NENAs Alkylnitratoethylnitraminen
  • Fuel, fuel and / or explosive used is preferably crystalline burning, propellant and / or explosive from the group 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), 1,3,5-trimamino-2,4,6-trinitrobenzene (TATNB), 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one (NTO), hexanitrostilbene (HNS), Cyclotrimethylene trinitramine (Hexogen, RDX), cyclotetramethylene tetranitramine (Octogen, HMX), 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitan (HNIW, CL20), pentaerythritol tetranitrate (Nitropenta, PETN), hexanitrodiphenylamine (Hexyl), tetranitromethylaniline (tetryl), nitroguanidine (N
  • the same can also be salt-like Intermediate products of fuels, fuels and / or explosives, e.g. Alkyl ammonium nitrates, guanidinium ammonium nitrates, Triaminoguanidine nitrate, triethylammonium nitrate, triethanolammonium nitrate etc. or oxidizer salts such as ammonium nitrate (AN), ammonium dinitramide (ADN) etc., in an organic Solvent dissolved and mixed homogeneously with the nanoparticles become.
  • organic solvents polar representatives, such as alcohols, ketones, carboxylic acids, Dimethylformamide (DMF) and the like, in question.
  • the solid particles are preferably selected from the group consisting of metals, metal oxides, metal hydroxides and mixtures thereof, preferably aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr) and / or oxides and / or hydroxides thereof are used.
  • Al, ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 , Fe, Ni, Zn, Mn, Cu oxides and / or hydroxides are suitable.
  • a suitable hydrophobizing agent or hydrophilizing agent in order to ensure complete wetting of the particles with the liquid used in each case.
  • polar liquids and nanoparticles made of silicon dioxide are used, they must be made hydrophobic, which can be done by surface modification, ie by introducing polar functional groups, eg hydroxyl groups, onto the surface.
  • surfactant additives such as Surfactants, emulsifiers or the like can be added, which is the interaction between the liquid component and affect the nanoparticles.
  • oxidizers such as ammonium nitrate (AN), ammonium dinitramide (ADN), ammonium perchlorate (APC), alkali perchlorates, -Nitrate etc., and explosives in question.
  • the other explosives or energy sources and / or Oxidators can be found in both particulate and be used in liquid form, in the latter Case can be provided that the liquid explosives and / or oxidizers can in turn be retaliated by with solid particles with a particle diameter between 1 and 800 nm, preferably between 5 and 500 nm, in particular between 10 and 300 nm, are mixed homogeneously and the mixture is added to the fuel. It exists also the possibility of the obtained in this way gel-like oxidizer or explosive separated from the gel-like fuel and both components only in a combustion chamber to ignite the mixture, causing the amount of oxidizer or explosive and fuel depending on the power required can be controlled.
  • the fuel according to the invention is especially as a rocket fuel, e.g. for spacecraft or strategic or tactical weapons. It is suitable also for gas generators, in particular for airbags, or for explosive systems, such as explosive charges, detonators Etc.
  • the invention is based on exemplary embodiments explained in more detail.
  • NM nitromethane
  • SiO 2 hydrophobized silicon dioxide
  • a propeller stirrer is used as an agitator, which ensures axial mixing of the components with moderate shear forces.
  • 20 g of fine particulate ammonium dinitramide (ADN) are added to the fuel in order to increase its specific impulse while maintaining the rheological properties of the fuel. After stirring again for 30 minutes, the finished fuel is obtained.
  • ADN fine particulate ammonium dinitramide
  • a pseudoplastic gel-like fuel is produced according to Example 1 from 71.8 g NM and 6.2 g hydrophobized SiO 2 with an average particle diameter of about 25 nm. 22 g of ammonium perchlorate (APC) in fine particulate form are then added as the oxidizer and the mixture is homogenized for 30 minutes.
  • APC ammonium perchlorate
  • a pseudoplastic gel-like fuel is produced according to Example 3 from 81.0 g of NM and 7.0 g of hydrophobized SiO 2 with an average particle diameter of about 25 nm.
  • 11.0 g of nitric acid (HNO 3 ) and 1 g of hydrophobic SiO 2 according to Example 3 are mixed homogeneously and stored separately from the latter and added to the fuel as needed during the combustion.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines gelförmigen Treibstoffes auf der Basis von Flüssigkeiten aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- oder Explosivstoffen vorgeschlagen. Um für ein strukturviskoses Verhalten des Treibstoffes zu sorgen, werden hydrophobe Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 500 nm die Flüssigkeit homogen eindispergiert, was z.B. mittels Rührern oder Ultraschall geschehen kann. Aufgrund der Strukturviskosität ist der Treibstoff einerseits im viskosen Zustand leicht handhabbar, andererseits läßt er sich durch Überführen in den flüssigen Zustand gut zerstäuben und kontrolliert verbrennen. Die Erfindung betrifft ferner einen solchermaßen hergestellten strukturviskosen Treibstoff und dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gelförmigen Treibstoffes auf der Basis einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen, einen solchen Treibstoff und seine Verwendung.
Gelförmige Treibstoffe sind bekannt und werden vornehmlich für Raketenantriebe in Raumflugkörpern und taktischen Waffen eingesetzt. Die US 6 013 143 A beschreibt einen solchen Treibstoff auf der Basis von tertiären Aminaziden und diesen zugesetzten Oxidatoren. Der Treibstoff soll als Alternative zu den gegenwärtig am verbreitetsten eingesetzten, toxischen Flüssigtreibstoffen auf der Basis von Hydrazin dienen. Dem Treibstoff können Gelierungsmittel in Form von Siliciumdioxid, Tonerde, Kohlenstoff oder Polymeren zugesetzt sein, um ihm einen viskosen, gelartigen Charakter zu verleihen. Durch die gelförmige Konsistenz soll ein Kompromiß hinsichtlich der generellen Nachteile von flüssigen und festen Treibstoffen erreicht werden. Während flüssige Treibstoffe schlecht handhabbar sind und infolge ihrer Flüchtigkeit ein erhebliches sicherheitstechnisches und gesundheitliches Gefährdungspotential darstellen, besteht der Nachteil von Festtreibstoffen vornehmlich in einer mangelnden Kontrollierbarkeit, da ihr Abbrand nach dem Zündvorgang nicht mehr gestoppt werden kann und im Überschuß erzeugtes Druckgas abgeführt werden muß.
Auch bei gelförmigen Treibstoffen ist eine kontrollierte Verbrennung jedoch nur schwer realisierbar. Einerseits lassen sich solche Treibstoffe nicht oder nur schlecht zerstäuben, so daß eine für einen kontrollierten Abbrand notwendige exakte Dosierung kaum möglich ist. Andererseits bestehen aufgrund der hohen Viskosität erhebliche Probleme bei der Überführung der Treibstoffe von ihrem Bevorratungsort an den Zünder, wobei es zu einem Verstopfen von Leitungen und/oder Fördereinrichtungen, wie Pumpen oder dergleichen, kommen kann. Wird hingegen der Treibsatz als ganzes gezündet, so ergeben sich dieselben Nachteile wie bei Festtreibstoffen.
Gelänge es nun, einen gelförmigen Treibstoff zu generieren, dessen Fließeigenschaften zwischen gelförmig viskos und praktisch flüssig veränderbar sind, ergäbe sich die Möglichkeit einer kombinatorischen Nutzung der jeweils günstigen Eigenschaften von Fest- und Flüssigtreibstoffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines gelförmigen Treibstoffes der eingangs genannten Art vorzuschlagen, dessen Viskosität unabhängig von seiner Zusammensetzung veränderbar ist. Sie ist ferner auf einen solchen Treibstoff sowie auf dessen Verwendung gerichtet.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines strukturviskosen gelförmigen Treibstoffes auf der Basis einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen gelöst, indem Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm in die Flüssigkeit im wesentlichen homogen eindispergiert werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ferner ein strukturviskoser gelförmiger Treibstoff auf der Basis einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen mit im wesentlichen homogen eindispergierten Feststoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm vorgesehen.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch Eindispergieren von Feststoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 500 nm, insbesondere zwischen 10 und 300 nm, in die Flüssigkeit ein strukturviskoses Treibstoffsystem erhalten wird, dessen Viskosität durch Eintrag mechanischer Energie, wie Rührenergie, Ultraschall oder dergleichen, in breiten Bereichen von praktisch flüssig bis hochviskos bzw. gelförmig verändert werden kann. Die Viskosität des aus der Ausgangsflüssigkeit und den eindispergierten Nanopartikeln gebildeten Treibstoffs nimmt hierbei infolge Eintrag mechanischer Energie rapide ab, so daß der gelartige Treibstoff bis zu einem dünnflüssigen Zustand, wie er bei herkömmlichen Flüssigtreibstoffen bekannt ist, verflüssigt werden kann. Nach einiger Zeit kann die Viskosität des ruhenden Treibstoffes mangels Agitation wieder zunehmen, bis der Treibstoff seinen ursprünglichen gelartigen Charakter zurückerhält. Im viskosen Zustand kann der Treibstoff festkörperähnliche Materialeigenschaften, wie eine hohe Elastizität, aufweisen.
Es wird vermutet, daß sich in dem aus der Flüssigkeit und den Nanopartikeln bestehenden Treibstoffsystem im Ruhezustand infolge Wechselwirkungen der genannten Komponenten eine kristallähnliche Orientierung der Molekühle des flüssigen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffs bzw. des organischen Lösungsmittels um die Nanopartikel aufbaut, die dem System eine gelartig viskose Konsistenz verleiht und die mit wachsender Schergeschwindigkeit infolge eines Eintrags mechanischer Energie zerstört wird, wodurch der Treibstoff verflüssigt wird. Diese mit "Strukturviskosität" bezeichnete Eigenschaft, bei der die Viskosität bzw. der Fließwiderstand des Systems mit wachsendem Geschwindigkeitsgradienten abnimmt und gegebenenfalls umgekehrt wieder zunimmt, verleiht dem Treibstoff die jeweils günstigen Eigenschaften bekannter Flüssig- und Festtreibstoffe. Im gelartig viskosen Zustand ist der Treibstoff leicht handhabbar, insbesondere sicher transportier- und lagerfähig. Eine kontrollierte und insbesondere regelbare Verbrennung ist dadurch möglich, indem der Treibstoff mittels mechanischer Energie verflüssigt und der Verbrennung zugeführt wird. Dabei kann der erfindungsgemäße Treibstoff wie auch bekannte Flüssigtreibstoffe mittels einfacher Pumpen gefördert und, falls gewünscht, auch zerstäubt werden.
Bei der Auswahl der Nanopartikel ist darauf zu achten, daß sie eine hinreichende Benetzbarkeit mit der Flüssigkeit aufweisen, um Entmischungen oder gar eine Phasentrennung zu vermeiden. Im Falle vornehmlich hydrophober, flüssiger Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffe sollten daher Feststoffpartikel mit ebenfalls hydrophobem Charakter eingesetzt werden, während bei einem in polaren organischen Lösungsmitteln gelösten Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff Feststoffpartikel mit im wesentlichen hydrophilem Charakter eingesetzt werden sollten.
Die Feststoffpartikel können insbesondere mittels Rühren und/oder mittels Ultraschall in die Flüssigkeit eindispergiert werden. Untersuchungen haben gezeigt, daß der Anteil von Feststoffpartikeln zwischen 0,5 und 25 Mass.-% bezogen auf die Masse der Flüssigkeit eingestellt werden sollte, um einen strukturviskosen Treibstoff mit in weiten Bereichen veränderbarer Viskosität zu erhalten.
Um für bestimmte mechanische Eigenschaften des Treibstoffs und für einen vollständigen und gleichmäßigen Abbrand zu sorgen, ist bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Treibstoffes dafür Sorge zu tragen, daß beim Eindispergieren der Feststoffpartikel keine Luft- oder Gasbläschen in den Treibstoff eingetragen werden. Die Feststoffpartikel werden daher bevorzugt unter Ausschluß von Gasen in die Flüssigkeit eindispergiert, was beispielsweise durch vollständige Befüllung eines geschlossenen Rührkessels geschehen kann.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, daß ein Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff auf der Basis von gegebenenfalls Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltende funktionelle Gruppen aufweisenden, flüssigen Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird. Der Treibstoff auf der Basis flüssiger Kohlenwasserstoffe, die gegebenenfalls Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltende funktionelle Gruppen, z.B. Amin-, Amino-, Amido-, Nitro-, Nitrat-, Hydroxy-, Ether-, Estergruppen oder dergleichen enthalten, weist überdies eine gegenüber bekannten Treibstoffen auf der Basis von Hydrazin erheblich geringere Toxizität und folglich eine höhere Umweltverträglichkeit auf. Der Kohlenwasserstoff wird dabei vorzugsweise aus der Gruppe n-C5-C9-Alkane, Nitromethan (NM), n-Propylnitrat, Isopropylnitrat, Ethylenoxid, Ethylenglykoldinitrat (EGDN), Methyltrimethylolmethantrinitrat (Metrioltrinitrat, MTN), 1,2,4-Butantrioltrinitrat (BTTN), Bis-Dinitropropylacetal (BDNPA), Bis-Dinitropropylformal (BDNPF), 2,4-Dinitroethylbenzol, 2,4,6-Trinitroethylbenzol, Alkylnitratoethylnitramine (NENAs), Kerosin und Mischungen hieraus gewählt. Als Mischungen bieten sich z.B. Mischungen aus 2,4-Dinitroethylbenzol und 2,4,6-Trinitroethylbenzol (K10) oder aus BDNPA und BDNPF (BDNPA/F) oder beliebige andere Mischungen der vorgenannten Kohlenwasserstoffe an. Mit Alkylnitratoethylnitraminen (NENAs) sind flüssige Substanzen der allgemeinen chemischen Formel
Figure 00060001
gemeint, bei denen R = Wasserstoff oder eine beliebige Alkylgruppe sein kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß ein in einem organischen Lösungsmittel gelöster, kristalliner Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff eingesetzt wird, wobei vorzugsweise kristalline Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff aus der Gruppe 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT), 1,3,5-Trimamino-2,4,6-trinitrobenzol (TATNB), 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), Hexanitrostilben (HNS), Cyclotrimethylentrinitramin (Hexogen, RDX), Cyclotetramethylentetranitramin (Oktogen, HMX), 2,4,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitan (HNIW, CL20), Pentaerythritoltetranitrat (Nitropenta, PETN), Hexanitrodiphenylamin (Hexyl), Tetranitromethylanilin (Tetryl), Nitroguanidin (NQ), Triaminoguanidinnitrat (TAGN) und Mischungen hieraus gewählt werden. Desgleichen können auch salzartige Vorprodukte von Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen, z.B. Alkylammoniumnitrate, Guanidiniumammoniumnitrate, Triaminoguanidinnitrat, Triethylammoniumnitrat, Triethanolammoniumnitrat etc. oder Oxidatorsalze, wie Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumdinitramid (ADN) etc., in einem organischen Lösungsmittel gelöst und mit den Nanopartikeln homogen vermischt werden. Als organische Lösungsmittel kommen insbesondere polare Vertreter, wie Alkohole, Ketone, Carbonsäuren, Dimethylformamid (DMF) und dergleichen, in Frage.
Die Feststoffpartikel werden vorzugsweise aus der Gruppe Metalle, Metalloxide, Metallhydroxide und Mischungen hieraus gewählt, wobei vorzugsweise Aluminium (Al), Silicium (Si), Titan (Ti), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Zirkonium (Zr) und/oder Oxide und/oder Hydroxide hiervon eingesetzt werden. So kommen z.B. Nanopartikel aus Al, ZrO2, TiO2, SiO2, Fe-, Ni-, Zn-, Mn-, Cu-Oxiden und/oder -Hydroxiden in Frage. Je nach eingesetzter Flüssigkeit ist es von Vorteil, ein geeignetes Hydrophobierungsmittel oder Hydrophilierungsmittel zuzusetzen, um eine vollständige Benetzung der Partikel mit der jeweils verwendeten Flüssigkeit sicherzustellen. So müssen z.B. im Falle des Einsatzes polarer Flüssigkeiten und Nanopartikel aus Siliciumdioxid diese hydrophobiert werden, was durch Oberflächenmodifikation, d.h. durch oberflächiges Einführen polarer funktioneller Gruppen, z.B. Hydroxygruppen, geschehen kann.
Zur Modifikation bzw. Optimierung der rheologischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Treibstoffes für den jeweiligen Verwendungszweck können der Flüssigkeit bzw. dem fertigen Treibstoff ferner oberflächenaktive Additive, wie Tenside, Emulgatoren oder dergleichen, zugesetzt werden, welche die Wechselwirkung zwischen der flüssigen Komponente und den Nanopartikeln beeinflussen.
Zur Erhöhung der Leistung bzw. des spezifischen Impulses ist in Weiterbildung vorgesehen, daß dem Treibstoff weitere Explosivstoffe und/oder Oxidatoren zugesetzt werden, wobei diese dem Treibstoff entweder unmittelbar zugesetzt oder getrennt von dem Treibstoff bevorratet und erst bei der Verbrennung desselben einer Brennkammer zugesetzt werden können. Grundsätzlich kommen hierfür beliebige bekannte Vertreter von Oxidatoren, wie Ammoniumnitrat (AN), Ammoniumdinitramid (ADN), Ammoniumperchlorat (APC), Alkaliperchlorate, -nitrate etc., und von Explosivstoffen in Frage.
Die weiteren Explosivstoffe bzw. Energieträger und/oder Oxidatoren können sowohl in feinpartikulärer als auch in flüssiger Form eingesetzt werden, wobei in letztgenanntem Fall vorgesehen sein kann, daß die flüssigen Explosivstoffe und/oder Oxidatoren ihrerseits vergelt werden, indem sie mit Feststoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 500 nm, insbesondere zwischen 10 und 300 nm, homogen vermischt werden und die Mischung dem Treibstoff zugesetzt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, den auf diese Weise erhaltenen gelförmigen Oxidator bzw. Explosivstoff getrennt von dem gelförmigen Treibstoff bereitzuhalten und beide Komponenten erst in einer Brennkammer zum Zünden des Gemischs zusammenzuführen, wodurch die Menge von Oxidator bzw. Explosivstoff und Treibstoff in Abhängigkeit der erforderlichen Leistung gesteuert werden kann.
Wie bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäße Treibstoff insbesondere als Raketentreibstoff, z.B. für Raumflugkörper oder strategische bzw. taktische Waffen geeignet. Er eignet sich ferner für Gasgeneratoren, insbesondere für Airbags, oder für Sprengstoffsysteme, wie Sprengladungen, Sprengkapseln etc.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Zur diskontinuierlichen Herstellung eines strukturviskosen gelförmigen Treibstoffes werden 73,6 g Nitromethan (NM) und 6,4 g hydrophobiertes Siliciumdioxid (SiO2) mit einem Partikeldurchmesser zwischen 50 und 300 nm in einen geschlossenen Rührbehälter überführt und 30 min gerührt. Als Rührwerk wird ein Propellerrührer eingesetzt, der für eine axiale Vermischung der Komponenten bei moderaten Scherkräften sorgt. Die Drehzahl des Rührwerks wird auf n = 300 min-1 eingestellt. Nach homogener Vermischung werden dem Treibstoff 20 g feinpartikuläres Ammoniumdinitramid (ADN) zugesetzt, um unter Aufrechterhaltung der rheologischen Eigenschaften des Treibstoffes seinen spezifischen Impuls zu erhöhen. Nach nochmaligem 30minütigen Rühren wird der fertige Treibstoff erhalten.
Beispiel 2
Ein strukturviskoser gelförmiger Treibstoff wird gemäß Beispiel 1 aus 71,8 g NM und 6,2 g hydrophobiertem SiO2 mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 25 nm hergestellt. Anschließend werden als Oxidator 22 g Ammoniumperchlorat (APC) in feinpartikulärer Form zugesetzt und die Mischung 30 min homogenisiert.
Beispiel 3
Zur Herstellung eines strukturviskosen gelförmigen Treibstoffes werden 75,5 g NM und 6,5 g hydrophobiertes SiO2 mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 200 nm in einen geschlossenen Rührbehälter mit einem Propellerrührwerk überführt und bei einer Drehzahl von n = 300 min-1 30 min gerührt. Zur Herstellung eines gelförmigen Oxidators für den derart erhaltenen Treibstoff werden in einem zweiten Rührbehälter 14,3 g Wasserstoffperoxid (H2O2), 2,7 g Wasser (H2O) und 1 g hydrophobiertes SiO2 mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 200 nm homogen vermischt. Der Treibstoff und der Oxidator werden getrennt voneinander bevorratet und erst in einer Brennkammer zum Zünden des Gemischs zusammengeführt, um die Oxidatormenge in Abhängigkeit der erforderlichen Leistung steuern zu können.
Beispiel 4
Ein strukturviskoser gelförmiger Treibstoff wird gemäß Beispiel 3 aus 81,0 g NM und 7,0 g hydrophobiertem SiO2 mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 25 nm hergestellt. Zur Herstellung eines gelförmigen Oxidators für den derart erhaltenen Treibstoff werden 11,0 g Salpetersäure (HNO3) und 1 g hydrophobiertes SiO2 gemäß Beispiel 3 homogen vermischt und getrennt von diesem bevorratet und dem Treibstoff während der Verbrennung bedarfsweise zugesetzt.

Claims (34)

  1. Verfahren zur Herstellung eines strukturviskosen gelförmigen Treibstoffes auf der Basis einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen, indem Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm in die Flüssigkeit im wesentlichen homogen eindispergiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 5 und 500 nm eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Feststoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 10 und 300 nm eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel mittels Rührern in die Flüssigkeit eindispergiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel mittels Ultraschall in die Flüssigkeit eindispergiert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Feststoffpartikeln zwischen 0,5 und 25 Mass.-% bezogen auf die Masse der Flüssigkeit eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel unter Ausschluß von Gasen in die Flüssigkeit eindispergiert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff auf der Basis von gegebenenfalls Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltende funktionelle Gruppen aufweisenden, flüssigen Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff aus der Gruppe n-C5-C9-Alkane, Nitromethan (NM), n-Propylnitrat, Isopropylnitrat, Ethylenoxid, Ethylenglykoldinitrat (EGDN), Methyltrimethylolmethantrinitrat (Metrioltrinitrat, MTN), 1,2,4-Butantrioltrinitrat (BTTN), Bis-Dinitropropylacetal (BDNPA), Bis-Dinitropropylformal (BDNPF), 2,4-Dinitroethylbenzol, 2,4,6-Trinitroethylbenzol, Alkylnitratoethylnitramine (NENAs), Kerosin und Mischungen hieraus gewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem organischen Lösungsmittel gelöster, kristalliner Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff aus der Gruppe 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT), 1,3,5-Trimamino-2,4,6-trinitrobenzol (TATNB), 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), Hexanitrostilben (HNS), Cyclotrimethylentrinitramin (Hexogen, RDX), Cyclotetramethylentetranitramin (Oktogen, HMX), 2,4,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitan (HNIW, CL20), Pentaerythritoltetranitrat (Nitropenta, PETN), Hexanitrodiphenylamin (Hexyl), Tetranitromethylanilin (Tetryl), Nitroguanidin (NQ), Triaminoguanidinnitrat (TAGN) und Mischungen hieraus gewählt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel aus der Gruppe Metalle, Metalloxide, Metallhydroxide und Mischungen hieraus gewählt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoffpartikel Aluminium, Silicium, Titan, Mangan, Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Zirkonium und/oder Oxide und/oder Hydroxide hiervon eingesetzt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit oberflächenaktive Additive zugesetzt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktive Additive Tenside und/oder Emulgatoren eingesetzt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Treibstoff weitere Explosivstoffe und/oder Oxidatoren zugesetzt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß feste Explosivstoffe und/oder Oxidatoren in feinpartikulärer Form eingesetzt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß flüssige Explosivstoffe und/oder Oxidatoren eingesetzt werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Explosivstoffe und/oder Oxidatoren mit Feststoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm homogen vermischt werden und die Mischung dem Treibstoff zugesetzt wird.
  20. Strukturviskoser gelförmiger Treibstoff auf der Basis einer Flüssigkeit aus flüssigen oder in organischen Lösungsmitteln gelösten, festen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoffen mit im wesentlichen homogen eindispergierten Feststoffpartikeln mit einem Partikeldurchmesser zwischen 1 und 800 nm.
  21. Treibstoff nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikeldurchmesser der Feststoffpartikel zwischen 5 und 500 nm beträgt.
  22. Treibstoff nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikeldurchmesser der Feststoffpartikel zwischen 10 und 300 nm beträgt.
  23. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Anteil von Feststoffpartikeln zwischen 0,5 und 25 Mass.-% bezogen auf die Masse der Flüssigkeit enthält.
  24. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit wenigstens einen gegebenenfalls Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltende funktionelle Gruppen aufweisenden, flüssigen Kohlenwasserstoff enthält oder gänzlich hieraus besteht.
  25. Treibstoff nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen Kohlenwasserstoff aus der Gruppe n-C5-C9-Alkane, Nitromethan (NM), n-Propylnitrat, Isopropylnitrat, Ethylenoxid, Ethylenglykoldinitrat (EGDN), Methyltrimethylolmethantrinitrat (Metrioltrinitrat, MTN), 1,2,4-Butantrioltrinitrat (BTTN), Bis-Dinitropropylacetal (BDNPA), Bis-Dinitropropylformal (BDNPF), 2,4-Dinitroethylbenzol, 2,4,6-Trinitroethylbenzol, Alkylnitratoethylnitramine (NENAs) und Kerosin enthält.
  26. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit wenigstens einen in einem organischen Lösungsmittel gelösten, kristallinen Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff enthält oder gänzlich hieraus besteht.
  27. Treibstoff nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen gelösten Brenn-, Treib- und/oder Explosivstoff aus der Gruppe 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT), 1,3,5-Trimamino-2,4,6-trinitrobenzol (TATNB), 3-Nitro-1,2,4-triazol-5-on (NTO), Hexanitrostilben (HNS), Cyclotrimethylentrinitramin (Hexogen, RDX), Cyclotetramethylentetranitramin (Oktogen, HMX), 2,4,6,8,10,12-Hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitan (HNIW, CL20), Pentaerythritoltetranitrat (Nitropenta, PETN), Hexanitrodiphenylamin (Hexyl), Tetranitromethylanilin (Tetryl), Nitroguanidin (NQ) und Triaminoguanidinnitrat (TAGN) enthält.
  28. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß er Feststoffpartikel aus der Gruppe Metalle, Metalloxide, Metallhydroxide oder Mischungen hieraus enthält.
  29. Treibstoff nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel aus Aluminium, Silicium, Titan, Mangan, Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Zirkonium und/oder Oxiden und/oder Hydroxiden hiervon bestehen.
  30. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß er oberflächenaktive Additive, insbesondere Tenside und/oder Emulgatoren, enthält.
  31. Treibstoff nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß er weitere Explosivstoffe und/oder Oxidatoren in feinpartikulärer oder flüssiger Form enthält.
  32. Verwendung eines Treibstoffes nach einem der Ansprüche 20 bis 31 als Raketentreibstoff.
  33. Verwendung eines Treibstoffes nach einem der Ansprüche 20 bis 31 für Gasgeneratoren, insbesondere für Airbags.
  34. Verwendung eines Treibstoffs nach einem der Ansprüche 20 bis 31 für Sprengstoffsysteme.
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