ES2310419T3 - Cebadores no toxicos para municion de pequeño calibre. - Google Patents

Abstract

Composición de cebador que comprende KNO3 como oxidante higroscópico predominante en la misma que constituye en peso más del 50% del componente oxidante total presente en la composición de cebador en la que KNO3 se combina con nitrocelulosa como recubrimiento de material de barrera de vapor de impermeabilización para recubrir al menos parcialmente el oxidante de KNO 3 para protegerlo de la absorción indebida de vapor de agua.

Description

Cebadores no tóxicos para munición de pequeño calibre.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a cebadores no tóxicos en el campo de munición de pequeño calibre. En particular, se refiere a cebadores no tóxicos que pueden usarse en todo tipo de munición de armas pequeñas, incluyendo cartuchos de energía reducida.

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Antecedentes de la invención

Muchas publicaciones y artículos recogidos, por ejemplo, por el comité medioambiental del SAAMI (Sporting Arms and Ammunition Manufacturers' Institute) (Instituto de Fabricantes de Munición y Armas Deportivas) indican claramente la necesidad de munición respetuosa con el medio ambiente ("verde"). El ejército también se está moviendo en la misma dirección. Para la munición de pequeño calibre, el principal culpable en la producción de productos de combustión gaseosos durante el disparo que el tirador puede inhalar (en la forma de polvo u óxidos de elementos tóxicos) es el cebador. La munición de pequeño calibre se dispara en grandes cantidades tanto en zonas interiores para entrenamiento o práctica como al aire libre por esas dos razones, así como para cacerías, acontecimientos deportivos (tiro al plato, biatlón, etc.) y simulaciones militares.

Específicamente, tal como se detalla en la lista de materiales tóxicos de la EPA (Environmental Protection Agency, Agencia de Protección Medioambiental) y en la lista de metales tóxicos del FBI (Federal Bureau of Investigation, Oficina Federal de Investigación), existe la necesidad de eliminar mercurio, plomo, bario, antimonio, berilio, cadmio, arsénico, cromo, selenio, estaño y talio de las composiciones de cebador. Esto significa que las composiciones de cebador vigentes desde hace tiempo, químicamente estables, fiables, no corrosivas que contienen plomo, bario, antimonio u otros compuestos metálicos ya no son aceptables desde un punto de vista medioambiental. Desgraciadamente, los cebadores que contienen tales componentes todavía se están usando ampliamente debido a que aún no se han encontrado alternativas adecuadas que eliminen todos los materiales tóxicos, así como que cumplan los requisitos de fiabilidad balística y realismo en cuanto al precio.

Existe mucha técnica anterior. Retrocediendo a 1982, son relevantes las siguientes patentes estadounidenses: 4.363.679; 4.522.665; 4.566.921; 4.581.082; 4.608.102; 4.674.409; 4.675.059; 4.689.185; 4.963.201; 5.167.736;
5.353.707; 5.388.519, 5.417.160, 5.466,315 (Erickson) y 5.547.528 (Erickson). Además está la patente europea número 699 646 y la patente francesa número 9602359.

Muchas de estas patentes mencionan el diazodinitrofenol (DDNP o dinol) como explosivo primario en combinación con uno o más oxidantes junto con una variedad de otros componentes necesarios para el funcionamiento apropiado de un cebador. Los oxidantes para los cebadores mencionados en los documentos de la técnica anterior enumerados anteriormente incluyen peróxido de zinc, dióxido de manganeso, peróxido de estroncio, nitrato de estroncio, carbonato de calcio, óxido cúprico, óxido férrico, nitrato de cesio, oxalato de sodio, óxido de circonio y óxido estánnico.

Un oxidante que no aparece de manera destacada en esta lista es el nitrato de potasio (KNO_{3}). Esta falta de interés se debe indudablemente a que el KNO_{3} es higroscópico (su solubilidad en agua es de 31,6 g/100 ml a 20ºC). Cualquier componente de cebador que tenga tendencia a atraer o absorber agua no es aceptable debido al efecto negativo en el encendido del cebador, que se manifiesta a través de fallos en el tiro. Las dos patentes de Erickson enumeradas anteriormente tratan el asunto de la higroscopicidad, pero ninguna utiliza KNO_{3} como componente.

La patente estadounidense número 3.348.985 describe una composición pirotécnica que genera gas para usos tales como cargas de propelente para cartuchos, propulsión de misiles y para ayudar al despegue de aviones militares y comerciales. Esta composición contiene una pequeña cantidad de KNO_{3} (< 9%) que es un componente del oxidante principal en su estado tal como se adquiere y, como tal, debe tolerarse. La patente estadounidense número 5.417.160 utiliza KNO_{3} como oxidante en cebadores, pero siempre en combinación con siliciuro de calcio.

Una forma de hacer que el KNO_{3} sea inmune al agua (es decir, de "impermeabilizarlo") es recubrirlo antes de su incorporación en la mezcla con una fina capa de nitrocelulosa (NC), que asciende hasta aproximadamente el 1% en peso de la formulación, tal como se describe en esta invención. Hay técnica anterior no relacionada con cebadores que describe el uso de NC en formulaciones que también contienen KNO_{3}, pero no para los fines de recubrir el KNO_{3}. Por ejemplo, la patente estadounidense número 5.125.684 describe un propelente que genera gas para su uso en un sistema de retención de los ocupantes de un vehículo que contiene KNO_{3} (>50% en peso) como oxidante y NC (20%) como aglutinante y componente de combustión principal. La patente estadounidense número 5.495.807 también se ocupa de un módulo de generación de gas para un airbag utilizado en vehículos de motor en el que la composición de generación de gas está dispuesta dentro de un depósito con "la forma de un recubrimiento o capa de tipo lámina, o que consiste alternativamente en un granulado" con un primer aglutinante de NC (2% en peso) para dar consistencia a la mezcla durante el amasado antes de la granulación.

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Un objetivo de esta invención es encontrar una forma de utilizar un oxidante higroscópico KNO_{3} como oxidante primario y predominante (> 50% en peso del contenido en oxidante) en un cebador libre de materiales tóxicos de forma que el rendimiento balístico del cebador cumpla todas las especificaciones de rendimiento requeridas rutinariamente para la munición de pequeño calibre. Esto se realizará mediante la demostración de que puede utilizarse KNO_{3} como un oxidante primario fiable si se recubre adecuadamente de antemano para eliminar su naturaleza higroscópica.

La invención se describirá en primer lugar en su forma general y después se detallará más adelante en el presente documento su puesta en práctica en lo que se refiere a las realizaciones específicas. Estas realizaciones pretenden demostrar el principio de la invención y la manera de su puesta en práctica.

Sumario de la invención

Según un aspecto, esta invención proporciona una composición de cebador que comprende KNO_{3} como oxidante higroscópico predominante en la misma que constituye en peso más del 50% del componente oxidante total presente en la composición de cebador en la que KNO_{3} se combina con nitrocelulosa como recubrimiento de material de barrera de vapor de impermeabilización para recubrir al menos parcialmente el oxidante de KNO_{3} para protegerlo de la absorción indebida de vapor de agua.

La invención según un aspecto se basa en la presencia en una composición de cebador de un oxidante higroscópico, concretamente nitrato de potasio (KNO_{3}), que se combina con un material de barrera de vapor de impermeabilización, concretamente nitrocelulosa, para proteger al oxidante de la absorción indebida de vapor de agua atmosférico. Se proporciona recubrimiento de nitrocelulosa suficiente para garantizar que no se degrada el rendimiento del KNO_{3} como oxidante por la presencia de agua que en caso contrario se absorbería del entorno por el KNO_{3}. Pueden protegerse de manera similar otros oxidantes propensos a la absorción de humedad, por ejemplo, el nitrato de estroncio Sr(NO_{3})_{2}.

Más preferiblemente, la mezcla de cebador está libre de metales tóxicos por ejemplo, plomo, bario, antimonio. En un cebador no tóxico, puede emplearse DDNP como explosivo primario y opcionalmente puede estar presente PETN como explosivo secundario. Puede añadirse tetraceno para aumentar la sensibilidad a la fricción. También opcionalmente, puede estar presente ZnO.ZnO_{2} (que contiene al menos el 50-60% de ZnO_{2}) como oxidante secundario, predominando el KNO_{3} como fuente principal de oxígeno.

Como constituyentes adicionales preferidos de la composición de cebador, puede estar presente carburo de silicio (carborundo) para aumentar la sensibilidad a la fricción (es decir, como "agente que aumenta la sensibilidad a la fricción") y puede usarse polvo de aluminio como combustible.

Más particularmente, en la tabla 1 se muestra la composición preferida para la composición de cebador de la invención.

Descripción de la realización preferida

La invención se refiere a una composición de cebador no tóxica que contiene DDNP como su explosivo primario y KNO_{3} como su oxidante primario que va a usarse en todo tipo de munición para armas pequeñas, incluyendo cartuchos de energía reducida tal como se representa en la patente estadounidense número 5.359.937, conteniendo tales cartuchos sólo una carga de propelente muy pequeña. Las especificaciones para esta composición de cebador se establecen de la siguiente forma:

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Tiempo de acción < 4 ms a -54ºC (según la OTAN. Especificación D-74-305-A00/SF-001).

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Partículas generadas por el cebador suficientemente "calientes" como para encender cargas de propelente muy pequeñas.

\bullet

Sensibilidad según las especificaciones del SAAMI:

\overline{H} - 2\sigma = 1 pulgada y \overline{H} + 4\sigma = 11 pulgadas, donde \overline{H} es la altura promedio a la que se produce el 50% de fallos en el tiro.

\bullet

Sensibilidad según las especificaciones de la OTAN:

(masa de la bala = 111,70 g)

\overline{H} - 2\sigma > = 75 mm

\hskip1cm

\overline{H} + 5\sigma < = 450 mm

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Sin pérdida en la sensibilidad a lo largo del tiempo.

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Materias primas fácilmente disponibles a precios razonables.

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Coste de producción del cebador comparable con el precio del mercado para los cebadores de la competencia.

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Se adoptó un procedimiento de fabricación con mezcla húmeda por motivos de seguridad. Los componentes se seleccionaron con criterio con referencia a las listas de la EPA y el FBI mencionadas anteriormente, así como a los datos de toxicidad del humo y el material particulado publicados por autoridades reconocidas tales como OSHA (Office of Safety and Health Administration, Oficina de Administración de Seguridad y Salud), ACGIH (American Conference of Government and Industrial Hygienists, Congreso Americano de Higienistas Industriales y Gubernamentales), NIOSH (National Institute for Occupational and Safety and Health, Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacionales) y COSHR (Canadian Occupational Safety and Health Regulations, Normas Canadienses para la Seguridad y Salud Ocupacionales).

Se llevaron a cabo análisis térmicos gravimétricos (TGA) y análisis térmicos diferenciales (DTA) para identificar las reacciones endotérmicas y exotérmicas entre los posibles oxidantes y combustibles. La mezcla preferida se determinó mediante el uso de un diagrama de fases ternario en el que la concentración en peso de cada uno de los tres ejes representaba el explosivo primario, el oxidante primario y el oxidante secundario. Basándose en los requisitos de sensibilidad, se identificó un área dentro del triángulo se identificó para iteraciones adicionales para optimizar las concentraciones del combustible y del agente de fricción, los otros dos componentes principales en la composición.

Se seleccionó DDNP basándose en su rendimiento histórico favorable en otros tipos de cebadores de toxicidad reducida y porque se produce fácilmente a partir de materias primas disponibles. Se añadió PETN como explosivo secundario para generar más calor tras el encendido del DDNP. También se añadió tetraceno para aumentar la sensibilidad a la fricción.

Se evaluaron ocho oxidantes (compuestos de carbonato y nitrato junto con algunos óxidos metálicos) para determinar la sensibilidad y otras consideraciones balísticas. Tras tener el coste en cuenta, se seleccionaron KNO_{3} y el compuesto de óxido cerámico binario ZnO.ZnO_{2} (que contiene al menos del 50 al 60% de ZnO_{2}) respectivamente como oxidantes primario y secundario. Con respecto a la técnica anterior, fue necesario hacer que el KNO_{3} fuera predominante con respecto al ZnO.ZnO_{2} secundario (es decir, KNO_{3} > 50% en peso del contenido en oxidante total).

Antes de su incorporación a la mezcla, tenían que protegerse los cristales de KNO_{3} de manera que se invalidaran sus tendencias higroscópicas. Para hacer esto, era necesario que un material que fuera insoluble en agua recubriera el KNO_{3} soluble en agua. Había diversos candidatos de plástico adecuados para la tarea, pero no habrían contribuido al proceso de combustión, siendo esencialmente inertes. Sin embargo, se pensó que el NC cumpliría los tres requisitos: (1) insolubilidad en agua; (2) componente de combustión activo; y (3) propenso a la deposición sobre cristales de KNO_{3}. Los ensayos posteriores demostraron que era así. Las mezclas de cebador que contenían KNO_{3} recubierto siempre cumplían las especificaciones del ensayo de caída, mientras que las mezclas que contenían KNO_{3} no recubierto dieron resultados erráticos del ensayo de caída que no siempre cumplían con la especificación. El procedimiento de recubrimiento también es aplicable a otros oxidantes higroscópicos, tales como nitrato de estroncio, sin reacciones antagonistas conocidas.

El oxidante secundario seleccionado fue el compuesto de óxido cerámico binario ZnO.ZnO_{2} que contiene del 50 al 60% de peróxido de zinc (ZnO_{2}). Se evaluaron tres combustibles (titanio, circonio y aluminio) y se encontró que el mejor era el polvo de aluminio debido a su razón rendimiento/precio favorable. Se añadió carburo de silicio (carborundo) a la composición para aumentar adicionalmente la sensibilidad a la fricción y para proporcionar partículas calientes para facilitar el encendido de los cebadores de percusión. Se seleccionó de un grupo de once candidatos que se evaluaron. Finalmente, se añadió un aglutinante para facilitar la compactación de la mezcla de cebado en cubetas de cebador y para evitar la pérdida de polvo durante la manipulación posterior.

Basándose en este enfoque, en la tabla 1 se muestran los componentes preferidos para una composición de cebado que cumple los objetivos de esta invención. Pueden usarse diversas razones de los componentes, tal como se indica en la columna de la tabla 1 que da los intervalos de peso, dependiendo de las características deseadas del producto final. Se determinó una composición óptima, tal como se detalla en la columna de pesos preferidos de la tabla 1, basándose en la sensibilidad al impacto y en los ensayos de fricción, la sensibilidad a los ensayos de caída, la cantidad de gas generado tras el encendido en una bomba cerrada, la facilidad de control del peso de la carga en las cubetas de cebador y el rendimiento balístico cuando se dispara en cartuchos de energía reducida tal como se representa mediante la patente estadounidense número 5.359.937.

Tal como ya se ha expuesto, en la tabla 1 se muestra la composición de cebador preferida. El DDNP usado tenía un peso molecular de 210 g, una densidad de 1,63 g/cc y una temperatura de encendido de 200ºC. Su distribución de tamaño de partícula era de aproximadamente 80% > 50 \mum y 20% < 50 \mum. El PETN usado cumplía las especificaciones de la norma MIL-P-387 y tenía un tamaño de partícula de aproximadamente 100 \mum. El tetraceno se fabricó según MIL-T-46938.

Se añadió polvo de KNO_{3} (clase 2, norma MIL-P-156) a una disolución al 3% preparada anteriormente de NC en acetona y la suspensión resultante se mezcló en una mezcladora apropiada antes de secarse a 60ºC durante 24 h y molerse posteriormente hasta un tamaño de partícula de aproximadamente 100 \mum. Este procedimiento de molienda puede exponer partes del KNO_{3} a la atmósfera, pero una cantidad suficiente de KNO_{3} permanece o bien completa o bien parcialmente recubierta para proporcionar la resistencia necesaria a la absorción de humedad. "Recubrimiento", tal como se usa en el presente documento, refleja este grado de cobertura del oxidante tal como se describe.

El ZnO.ZnO_{2} (al menos del 50 al 60% de ZnO_{2}) tenía un tamaño de partícula < 45 \mum, el polvo de aluminio (< 45 \mum) era según la norma MIL-A-512A y el SiC era de una calidad comercial (aproximadamente 100 \mum). El aglutinante era una resina acrílica.

Para preparar la mezcla, se mezclaron los componentes explosivos junto con el DDNP que contenía inicialmente del 30 al 40% de agua, el PETN que contenía el 15% de agua y el tetraceno con del 20 al 30% de agua. A continuación se mezclaron en seco por separado los componentes no explosivos, incluyendo el KNO_{3} recubierto previamente con NC. Entonces se añadió la mezcla no explosiva seca a la mezcla húmeda de componentes explosivos y se mezcló meticulosamente. El contenido en agua se mantuvo en el 15%, añadiendo agua adicional si era necesario. Finalmente, se añadió el aglutinante y se realizó un mezclado final. La mezcla terminada se almacenó a 4ºC antes de su
uso.

Durante la carga, la mezcla se prensó mediante una placa de cebador perforada convencional para formar gránulos del tamaño deseado para cargarse en las cubetas de cebador. Dado que el DDNP es mucho más ligero que el estifnato de plomo usado normalmente como explosivo primario en los cebadores convencionales, se redujo el peso nominal de la carga en aproximadamente el 30%. El peso de la carga resultante fue de 12,6 g.

Tras la carga de las cubetas, se presionó un papel lacado sobre la carga húmeda y se compactó la carga. Se colocó una capa de laca de sellado sobre la parte superior de la lámina antes de secar los cebadores a 50ºC. Tras el secado, se insertaron los cebadores en vainas de cartucho en la preparación para la evaluación balística. En todos los aspectos, el método de preparar los cebadores siguió procedimientos generales bien conocidos en el campo. Se controlaron estrechamente las dimensiones físicas de las cubetas de cebador y los yunques ya que eran la altura global de los cebadores montados y la profundidad de inserción en las cavidades del cebador.

Los cebadores que contenían la mezcla no tóxica se sometieron al ensayo de caída de SAAMI convencional usando un peso de 1,94 oz (55 g) dejado caer en un percutor de rifle. Se llevaron a cabo ensayos de descarga a alturas que variaban desde 1 hasta 11 pulgadas (de 25 a 280 mm) con el fin de obtener la altura H de caída promedio a la que se disparaba el 50% de los cebadores y se producía un fallo en el disparo del 50%. Se llevaron a cavo más de 50 de estos ensayos.

Se determinaron la sensibilidad a la fricción y el impacto dejando caer un peso de 1,0 kg a lo largo de un plano inclinado 45º sobre una muestra o bien seca o bien húmeda situada en el fondo del plano sobre una superficie rugosa. La altura vertical del plano era de 210 cm para la muestra húmeda y de 10 cm para la muestra seca. El criterio de aceptación para ambas fue la ausencia de detonación y la ausencia de chispas cuando el peso impactaba contra las muestras.

Finalmente, se realizaron ensayos convencionales de funcionamiento y accidente usando cartuchos de energía reducida tal como se representa por la patente estadounidense número 5.359.937 en muchas pistolas y subfusiles modificados para disparar este tipo de munición, así como en muchos revólveres. Con ambos tipos de armas, se midió el tiempo de acción para detectar si había cualquier problema relacionado con encendido lento o con fuegos permanentes. Las pistolas incluyeron: la SIG Sauer P226, P227 y P229 (ambas de 9 mm y .40SW); la H&K MP5A2/A3 y MP5SD; la Beretta 92F y 96D; la Browning HP; la Smith & Wesson 5904, 5946 y 4006; la Glock 17; y la Colt M16A2 y M4. Los revólveres incluyeron: los modelos de Smith & Wesson 10, 13, 14 y 64; los modelos de Ruger SP-100 y SP-101; y los modelos de Tarus 65 y 82. Los disparos también se realizaron en las escopetas Mosberg 500, Remington 870.

Los resultados de todos estos ensayos se facilitan en la tabla 2. Como puede observarse, muestran claramente que el cebador no tóxico descrito en el presente documento es satisfactorio para su fin deseado. Por tanto, en la invención que está describiéndose, es obvio que la formulación de cebador no tóxico puede variarse en muchas formas. Por ejemplo, mediante el uso de un tamaño de partícula diferente para el agente de fricción (60 \mum en lugar de 100 \mum) habrá una ligera modificación en la sensibilidad del ensayo de caída, aunque permaneciendo siempre dentro de límites aceptables.

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Conclusión

Lo anterior ha constituido una descripción de las realizaciones específicas que muestra cómo puede aplicarse y hacerse uso de la invención. Estas realizaciones son sólo a modo de ejemplo. La invención en sus aspectos más amplios y más específicos, se describe y define adicionalmente en las reivindicaciones que ahora siguen.

Estas reivindicaciones y el lenguaje usado en las mismas, deben entenderse en lo que se refiere a las variantes de la invención que se ha descrito. No deben limitarse a tales variantes, sino que deben interpretarse como que cubren el alcance completo de la invención tal como está implícito dentro de la invención y en la descripción que se ha proporcionado en la misma.

TABLA 1 Intervalo y niveles preferidos de componentes para cebadores no tóxicos

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TABLA 2 Resumen de los resultados de los ensayos

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Claims (12)

1. Composición de cebador que comprende KNO_{3} como oxidante higroscópico predominante en la misma que constituye en peso más del 50% del componente oxidante total presente en la composición de cebador en la que KNO_{3} se combina con nitrocelulosa como recubrimiento de material de barrera de vapor de impermeabilización para recubrir al menos parcialmente el oxidante de KNO_{3} para protegerlo de la absorción indebida de vapor de agua.

2. Composición de cebador según la reivindicación 1, en la que un componente predominante del oxidante es nitrato de estroncio, Sr(NO_{3})_{2}.

3. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está libre de metales tóxicos seleccionados del grupo que consiste en: plomo, bario, antimonio.

4. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende DDNP como explosivo primario.

5. Composición de cebador según la reivindicación 4, que comprende PETN como explosivo secundario.

6. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende tetraceno para aumentar la sensibilidad a la fricción.

7. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende KNO_{3} que predomina como fuente principal de oxígeno y ZnO.ZnO_{2} (que contiene al menos el 50-60% de ZnO_{2}) como oxidante secundario.

8. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende carburo de silicio como agente que aumenta la sensibilidad a la fricción.

9. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende polvo de aluminio como combustible.

10. Composición de cebador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende resina acrílica como aglutinante.

11. Composición de cebador según la reivindicación 1, que comprende los componentes siguientes en porcentaje en peso:

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12. Composición de cebador que comprende los componentes siguientes sustancialmente en los porcentajes en peso tal como se indica:

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