EP2738150A2 - Verwendung eines Dinitromethansalzes - Google Patents

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EP2738150A2
EP2738150A2 EP13005241.8A EP13005241A EP2738150A2 EP 2738150 A2 EP2738150 A2 EP 2738150A2 EP 13005241 A EP13005241 A EP 13005241A EP 2738150 A2 EP2738150 A2 EP 2738150A2
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Arno Dr. Hahma
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Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
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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
    • C06B25/36—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitroparaffin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06C—DETONATING OR PRIMING DEVICES; FUSES; CHEMICAL LIGHTERS; PYROPHORIC COMPOSITIONS
    • C06C15/00—Pyrophoric compositions; Flints

Definitions

  • the invention relates to the use of a Dinitromethansalzes as additive to a pyrotechnic active material.
  • Effective materials for spectral radiant pyrotechnic decoys are generally due to the requirement relatively low radiation output emitting a spectral signature compared to a blackbody radiation active mass, which includes magnesium, Teflon and fluoroelastomer Viton ®.
  • a blackbody radiation active mass which includes magnesium, Teflon and fluoroelastomer Viton ®.
  • the spectral ratio here is the ratio of the emitted radiation in the wavelength range from 3.7 to 5.1 .mu.m (MW band) to the emitted radiation in the wavelength range from 1.9 to 2.3 .mu.m (KW band).
  • Such decoy target effects consist for. B. from ammonium perchlorate as the oxidizing agent and hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) as a fuel.
  • HTPB hydroxyl-terminated polybutadiene
  • an additive is often used to increase the flame produced during combustion.
  • a known such additive is hexamethylenetetramine, which increases the flame and thus increases the power, but the spectral ratio is not or only increased slightly compared to a corresponding active mass with the same oxygen balance.
  • the disadvantage here is that the burning rate of the active material is often greatly reduced by the additive.
  • the active material is often brought by pressing into a mold having a large surface area. As a result, however, space is claimed, so that relatively little active mass can be introduced into a decoy with a given volume and the total energy content of the decoy is thereby relatively low.
  • the object of the present invention is to provide a use of an additive which can be added to a pyrotechnic active material in order to increase the intensity of a radiation produced during their combustion and to increase the spectral ratio.
  • a Dinitromethansalzes as an additive to a pyrotechnic active material to increase the intensity of a radiation generated during their combustion and to increase a ratio of the intensity of emitted during combustion of the active mass radiation in the wavelength range of 3.7 to 5.1 microns to the intensity a radiation emitted during the burning of the effective mass radiation in the wavelength range of 1.9 to 2.3 microns provided.
  • This is a cation of the dinitromethane salt has a base comprising at least the elements nitrogen and hydrogen.
  • Such Dinitromethansalz increases the intensity of the radiation and thus the radiant power by the fact that the flame is increased by the gaseous products that arise during combustion by thermal decomposition of said Dinitromethansalzes.
  • the radiating surface is increased.
  • the increase of the spectral ratio is mainly due to the fact that the power of the radiation in the MW band is increased, while the power of the radiation in the HC band is only slightly or not affected.
  • Increasing the spectral ratio increases the illusion of a pyrotechnic decoy target for a two-color infrared seeker head.
  • the likewise known alkali metal salts of dinitromethane are unsuitable as an additive, since their burning produces solid material which acts as a black body radiator and thereby significantly reduces the spectral ratio.
  • the burning rate can be increased by the said dinitromethane salt. This can be achieved with a tablet with a conventional surface shape of the required mass flow rate during combustion of the active mass. It is not necessary that the active material is brought by pressing in a form having a particularly large surface area.
  • nitrocellulose can be replaced in such sham targeting compounds, in which it depends on the decomposition temperature of the nitrocellulose.
  • the decomposition temperatures of nitrocellulose and said dinitromethane salt are in the approximate range of 160 to 200 ° C.
  • the replacement of nitrocellulose by said dinitromethane salt increases the shelf life and safety of the active material, because nitrocellulose, in contrast to said Dinitromethansalz has only a limited long-term stability.
  • said dinitromethane salt By means of said dinitromethane salt, the sensitivity of the active composition to mechanical stress can also be reduced.
  • the synthesis of said Dinitromethansalzes is easily possible from readily available and inexpensive starting materials with good yield.
  • ammonium dinitromethane precipitated by means of a corresponding counterion or be synthesized directly from dinitrobarbituric acid.
  • the cation also comprises the elements carbon and / or oxygen.
  • the cation comprises the element carbon
  • An aromatic carbon structure is preferably not present in such a cation. The presence of a maximum of 5 directly interconnected carbon atoms, the emergence of carbon black, which is a very efficient black body radiator during annealing, at least largely avoided.
  • ring closure may occur in pyrolysis and thereby formation of an aromatic structure.
  • the cation can be a guanidinium ion, an ammonium ion, a hydrazinium ion or a guanylurea ion.
  • the radiant power of a pyrotechnic active material in the MW band could be increased by up to 60% compared to a mass without this additive.
  • the spectral ratio of about 9 could be increased to 10 to 11.
  • the active mass may be a fulcrum target active mass which emits spectrally in the course of its combustion in the infrared range.
  • the additive can be used in addition to increasing a burning rate of the active mass.
  • the active material is a known black body radiator, which was used here as a reference.
  • Spectral radiating active composition according to the invention with ammonium dinitromethane as additive which increases the flame and reduces the sensitivity of the active material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zur Steigerung der Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung und zur Erhöhung eines Verhältnisses der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm zu der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm, wobei ein Kation des Dinitromethansalzes eine mindestens die Elemente Stickstoff und Wasserstoff umfassende Base ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse.
  • Aus der DE 699 10 070 T2 ist es bekannt, Salze des Dinitromethans als Oxidationsmittel in Treibmittelzusammensetzungen und pyrotechnischen Ladungen zu verwenden.
  • Wirkmassen für spektral strahlende pyrotechnische Scheinziele haben im Allgemeinen auf Grund der Anforderung an eine spektrale Signatur eine relativ niedrige Strahlungsleistung im Vergleich zu einer Schwarzkörperstrahlung emittierenden Wirkmasse, welche Magnesium, Teflon und das Fluorelastomer Viton® umfasst. Um einem modernen Zweifarben-Infrarotsuchkopf mittels eines abbrennenden pyrotechnischen Scheinziels effektiv ein Flugzeug vortäuschen zu können, ist beim Abbrand der Wirkmasse ein möglichst hohes Spektralverhältnis erforderlich. Als Spektralverhältnis wird hier das Verhältnis der emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm (MW-Band) zur emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm (KW-Band) bezeichnet. Herkömmliche spektrale Scheinzielwirkmassen weisen dazu häufig ein nicht ausreichend hohes Spektralverhältnis und/oder keine ausreichende Leistung auf. Solche Scheinzielwirkmassen bestehen z. B. aus Ammoniumperchlorat als Oxidationsmittel und Hydroxyl-terminiertem Polybutadien (HTPB) als Brennstoff.
  • Um die Leistung solcher Scheinzielwirkmassen beim Abbrand zu erhöhen wird häufig ein Zusatzstoff zur Vergrößerung der beim Abbrand entstehenden Flamme eingesetzt. Ein bekannter solcher Zusatzstoff ist Hexamethylentetramin, welches die Flamme zwar vergrößert und somit die Leistung steigert, das Spektralverhältnis jedoch nicht oder nur geringfügig im Vergleich zu einer entsprechenden Wirkmasse mit gleicher Sauerstoffbilanz erhöht. Nachteilig ist dabei, dass durch den Zusatzstoff die Abbrandrate der Wirkmasse oft stark verringert wird. Um dies auszugleichen wird die Wirkmasse häufig durch Pressen in eine Form gebracht, die eine große Oberfläche aufweist. Dadurch wird jedoch Raum beansprucht, so dass verhältnismäßig wenig Wirkmasse in ein Scheinziel mit gegebenem Volumen eingebracht werden kann und der Gesamtenergiegehalt des Scheinziels dadurch verhältnismäßig gering ist.
  • Weiterhin ist es bekannt, eine Nitrocellulose oder ein doppelbasiges Treibladungspulver enthaltende Scheinzielwirkmasse einzusetzen. Gegenüber einer Ammoniumperchlorat und HTPB enthaltenden Wirkmasse ist bei einer solchen Wirkmasse sowohl das Spektralverhältnis als auch die spezifische Leistung erhöht. Nachteilig ist jedoch, dass deren beim Abbrand entstehende Flamme von Luft einer höheren Geschwindigkeit schnell ausgeblasen wird. Um dieses Problem zu beheben, gibt es aufwendig gestaltete Scheinziele, bei denen die Wirkmasse vor Wind geschützt abbrennt und mittels durch die Flamme aufgeheizter Glühelemente thermisch bestrahlt wird. Die Glühelemente müssen nach außen abgeschirmt sein, damit sie keine das Spektralverhältnis reduzierende Schwarzkörperstrahlung nach außen abgeben können. Solche Vorrichtungen sind verhältnismäßig unzuverlässig und teuer. Weiterhin benötigen sie verhältnismäßig viel Volumen im Scheinziel, so dass die Gesamtleistung des Scheinziels nicht wesentlich höher ist als bei einem Ammoniumperchlorat und HTPB als Wirkmasse enthaltenden Scheinziel.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung eines Zusatzstoffs anzugeben, der zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zugesetzt werden kann, um die Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung zu steigern und das Spektralverhältnis zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6.
  • Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zur Steigerung der Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung und zur Erhöhung eines Verhältnisses der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm zu der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm vorgesehen. Dabei ist ein Kation des Dinitromethansalzes eine mindestens die Elemente Stickstoff und Wasserstoff umfassende Base. Ein solches Dinitromethansalz steigert die Intensität der Strahlung und damit die Strahlungsleistung dadurch, dass die Flamme durch die gasförmigen Produkte vergrößert wird, die beim Abbrand durch thermische Zersetzung des genannten Dinitromethansalzes entstehen. Durch die Vergrößerung der Flamme wird die abstrahlende Fläche vergrößert. Die Erhöhung des Spektralverhältnisses erfolgt vor allem dadurch, dass die Leistung der Strahlung im MW-Band gesteigert wird, während die Leistung der Strahlung im KW-Band nur geringfügig oder gar nicht beeinflusst wird. Durch die Erhöhung des Spektralverhältnisses wird die Täuschwirkung eines pyrotechnischen Scheinziels für einen Zweifarben-Infrarotsuchkopf erhöht. Die ebenfalls bekannten Alkalimetallsalze von Dinitromethan sind als Zusatzstoff ungeeignet, da bei deren Abbrand festes Material entsteht, welches als Schwarzkörperstrahler wirkt und das Spektralverhältnis dadurch deutlich verringert.
  • Weiterhin hat es sich gezeigt, dass durch das genannte Dinitromethansalz die Abbrandrate erhöht werden kann. Dadurch kann mit einer Tablette mit herkömmlicher Oberflächenform der erforderliche Massendurchsatz beim Abbrand der Wirkmasse erreicht werden. Es ist nicht erforderlich, dass die Wirkmasse durch Pressen in eine Form gebracht wird, die eine besonders große Oberfläche aufweist.
  • Weiterhin wurde festgestellt, dass durch das genannte Dinitromethansalz Nitrocellulose in solchen Scheinzielwirkmassen ersetzt werden kann, bei denen es auf die Zersetzungstemperatur der Nitrocellulose ankommt. Die Zersetzungstemperaturen von Nitrocellulose und dem genannten Dinitromethansalz liegen etwa im selben Bereich von 160 bis 200°C. Der Ersatz von Nitrocellulose durch das genannte Dinitromethansalz erhöht die Lagerfähigkeit und Sicherheit der Wirkmasse, weil Nitrocellulose im Gegensatz zum genannten Dinitromethansalz nur begrenzt langzeitstabil ist.
  • Durch das genannte Dinitromethansalz kann auch die Empfindlichkeit der Wirkmasse gegenüber mechanischer Beanspruchung reduziert werden. Darüber hinaus ist die Synthese des genannten Dinitromethansalzes einfach aus gut zugänglichen und preisgünstigen Ausgangsstoffen mit guter Ausbeute möglich. Zur Synthese kann das genannte Salz z. B. aus einem anderen Dinitromethansalz, z. B. Ammoniumdinitromethanat, mittels eines entsprechenden Gegenions ausgefällt oder aus Dinitrobarbitursäure direkt synthetisiert werden.
  • Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung umfasst das Kation auch die Elemente Kohlenstoff und/oder Sauerstoff. Wenn das Kation das Element Kohlenstoff umfasst, ist es günstig, wenn in dem Kation maximal 5 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind. Mindestens jedes sechste Atom ist also ein Heteroatom, wie z. B. Sauerstoff oder Stickstoff. Eine aromatische Kohlenstoffstruktur liegt in einem solchen Kation vorzugsweise nicht vor. Durch das Vorliegen von maximal 5 direkt miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen wird das Entstehen von Ruß, der beim Glühen ein sehr effizienter Schwarzkörperstrahler ist, zumindest weitgehend vermieden. Sobald 6 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind, kann es bei einer Pyrolyse zu einem Ringschluss und dadurch zur Bildung einer aromatischen Struktur kommen. Dies führt dann zur Bildung von Ruß als polyaromatischem Stoff, der das Spektrum der emittierten Strahlung in Richtung des KW-Bandes verschiebt. Bei höchstens 5 durch direkte Bindung miteinander verbundenen C-Atomen ist die Entstehung aromatischer Strukturen sehr unwahrscheinlich und die Rußbildung stark unterdrückt.
  • Bei dem Kation kann es sich um ein Guanidiniumion, ein Ammoniumion, ein Hydraziniumion oder ein Guanylharnstoffion handeln. Bei Verwendung des Guanylharnstoffsalzes von Dinitromethan als Zusatzstoff konnte die Strahlungsleistung einer pyrotechnischen Wirkmasse im MW-Band gegenüber einer Wirkmasse ohne diesen Zusatzstoff um bis zu 60 % gesteigert werden. Außerdem konnte das Spektralverhältnis von etwa 9 auf 10 bis 11 gesteigert werden.
  • Bei der Wirkmasse kann es sich um eine bei deren Abbrand im Infrarotbereich spektral strahlende Scheinzielwirkmasse handeln.
  • Der Zusatzstoff kann zusätzlich zur Erhöhung einer Abbrandrate der Wirkmasse verwendet werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Beispiel 1: Standard-MTV (Magnesium-Teflon-Viton).
  • Die Wirkmasse ist ein bekannter Schwarzkörperstrahler, der hier als Referenz eingesetzt wurde.
    Stoff Typ Gew.-% Sonstiges
    Magnesiumpulver Ecka LNR 61 60,0
    Teflonpulver Hoechst TF 9202 25,0
    Viton 3M Fluorel FC-2175 10,0 TMD = 1893
    Grafit Merck 5,0 Gleitmittel
    TMD = Theoretische maximale Dichte
    • Beispiel 2:
  • Bekannte spektral angepasste Wirkmasse auf Basis von Ammoniumperchlorat. Diese Wirkmasse weist ein relativ hohes Spektralverhältnis aber verhältnismäßig wenig Energie auf.
    Stoff Typ Gew.-% Sonstiges
    Ammoniumperchlorat 85,50
    HTPB R45HT-M M = 2800 13,47
    IPDI 1,01 TMD = 1678
    Eisenacetonylacetat 0,02
    HTPB = Hydroxyl-terminiertes Polybutadien
    IPDI = Isophorondiisocyanat
    • Beispiel 3:
  • Spektral angepasste Wirkmasse auf Basis von Ammoniumperchlorat. Diese Wirkmasse weist ein relativ hohes Spektralverhältnis aber verhältnismäßig wenig Energie auf. Diese Wirkmasse zeigt die Wirkung des weiteren Brennstoffs Hexamethylentetramin: Bei gleicher Sauerstoffbilanz wie die Wirkmasse gemäß Beispiel 2 wird eine höhere Strahlungsenergie erreicht, jedoch bleibt das Spektralverhältnis unverändert.
    Stoff Typ Gew.-% Sonstiges
    Ammoniumperchlorat d50 = 25 µm 77,8
    HTPB R45HT-M M = 2800 10,32
    IPDI 0,78 TMD = 1656
    Hexamethylentetramin kristallin 11,0
    Eisenacetonylacetat 0,10
    • Beispiel 4:
  • Erfindungsgemäße spektral strahlende Wirkmasse mit Ammoniumdinitromethanat als Zusatzstoff, der die Flamme vergrößert und die Empfindlichkeit der Wirkmasse reduziert.
    Stoff Typ Gew.-% Sonstiges
    Ammoniumperchlorat vom Fass 69,9
    HTPB R45HT-M M = 2800 13,95
    IPDI 1,05 TMD = 1586
    Ammoniumdinitromethanat selbst synthetisiert 15,0
    Eisenacetonylacetat 0,10
    • Beispiel 5:
  • Erfindungsgemäße spektral strahlende Wirkmasse mit Guanylharnstoffdinitromethanat als Zusatzstoff zur Vergrößerung der Flamme und zur Reduzierung der Empfindlichkeit.
    Stoff Typ Gew.-% Sonstiges
    Ammoniumperchlorat vom Fass 69,9
    HTPB R45HT-M M = 2800 13,95
    IPDI 1,05 TMD = 1612
    Guanylharnstoffdinitromethanat selbst synthetisiert 15,0
    Eisenacetonylacetat 0,10
    Tabelle 1:
    Messergebnisse von Strahlungsmessungen im Labor ohne Wind. Alle Ergebnisse sind Durchschnittswerte von 5 Parallelversuchen. Der Pressdruck bei allen Sätzen betrug 500 bar, 17 mm Werkzeugdurchmesser, Ansatz 10,0 g.
    Satz EKW
    [J/(g sr)]    		 EMW
    [J/(g sr)]    		 (EKW + EMW)
    [J/(g sr)]    		 EMW/EKW % MTV
    (MW-Kanal)    		 Abbrandrate
    [mm/s]
    Beispiel 1 152 84 236 0,553 100 2,7
    Beispiel 2 2,7 19,8 22,5 8,7 24 2,5
    Beispiel 3 3,7 31,3 35,0 8,7 37 1,1
    Beispiel 4 3,1 31,5 34,6 10,2 38 2,2
    Beispiel 5 2,4 28,5 30,9 11,2 34 2,9
    EKW = spezifische Leistung im KW-Kanal (ca. 1,9 bis 2,3 µm) in J/(g sr); EMW = spezifische Leistung im MW-Kanal (ca. 3,7 bis 5,1 µm) in J/(g sr); (EKW + EMW) in J/(g sr) = die Summe von KW- und MW-Kanälen; EMW/EKW = das Verhältnis von MW zu KW-Kanal; % MTV = Leistung als Prozent der Leistung von Standard-MTV; KW = Kurzwellig; MW = Mittelwellig;

Claims (6)

  1. Verwendung eines Dinitromethansalzes als Zusatzstoff zu einer pyrotechnischen Wirkmasse zur Steigerung der Intensität einer bei deren Abbrand entstehenden Strahlung und zur Erhöhung eines Verhältnisses der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 3,7 bis 5,1 µm zu der Intensität einer beim Abbrand der Wirkmasse emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,9 bis 2,3 µm, wobei ein Kation des Dinitromethansalzes eine mindestens die Elemente Stickstoff und Wasserstoff umfassende Base ist.
  2. Verwendung nach Anspruch 1,
    wobei das Kation auch die Elemente Kohlenstoff und/oder Sauerstoff umfasst.
  3. Verwendung nach Anspruch 2,
    wobei das Kation das Element Kohlenstoff umfasst, wobei in dem Kation maximal 5 Kohlenstoffatome durch direkte Bindung miteinander verbunden sind.
  4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das Kation ein Guanidiniumion, ein Ammoniumion, eine Hydraziniumion oder ein Guanylharnstoffion ist.
  5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Wirkmasse eine bei deren Abbrand im Infrarotbereich spektral strahlende Scheinzielwirkmasse ist.
  6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Zusatzstoff zusätzlich zur Erhöhung einer Abbrandrate der Wirkmasse verwendet wird.
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