JP2011121844A - 爆薬の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】公知の方法より速く、より経済的に実現することができ、さらに利用される各々の爆発性化合物についてより広い適用性を示す爆薬の製造方法を提供すること。
【解決手段】原料爆発性材料をゼラチン化することによって原料爆発性材料から爆薬を製造する方法であって、
前記原料爆発性材料に、前記ゼラチン化工程の前に静水圧プレス成形を施すことを特徴とする爆薬の製造方法。
前記静水圧プレス成形を、好ましくは１バールから１００００バール、特に１０００バールから７５００バールの圧力で施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、爆薬の製造方法に関する。

「爆薬（ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ）」という用語は、本発明の文脈上、爆破剤、発射火薬、点火剤または花火装薬としての機能を果たすか、またはそれらを製造する際に使用される、潜在的爆発性および／または爆発性の物質ならびに材料混合物をいう。

多くの用途において、爆薬、特に推進装薬粉末（propellant charge powder）が必要であり、そのような用途の例としては、爆破技術や発射体の発射が挙げられる。したがって、爆薬は、特定の可変の大きさを持つ立方体状、またはコンパクトな形態、例えば、粉末または粒状であることが通常必要であるが、それによって、例えば、ニトロセルロースおよび／またはニトログリセリン系原料爆薬の爆発性は、その処理に関する限り特殊な問題をもたらす。

このように、装薬粉末の製造では、溶媒を使用する工程と使用しない工程との間で区別が実質的になされている。

無溶媒推進装薬粉末（ＰＯＬ粉末）の製造におけるある従来の加工方法は、加熱圧延ミル上で脱水されるとともにゼラチン化された加湿ニトロセルロース／ニトログリセリン混合物から始まる。これは、非常に複雑な設備を使用する手動または半自動工程であり、これによって、圧延工程の最後にシートが作製され、次いで、油圧プレスにおいて所望の形状に巻かれ、押し出される。

上記と対照的に、米国特許第４，９６３，２９６号または対応する欧州特許第０２８８５０５（Ｂ１）号または独国特許出願公開第３６３５２９６（Ａ１）号が、無溶媒工程において推進装薬粉末を製造する方法を開示しており、この方法では、せん断ローラが高温で加湿原料粉末混合物を処理する。したがって、原料粉末混合物は、連続的に供給され、ゼラチン化塊としてせん断ローラの端部で連続的に取り除かれ、その後すぐに、連続的に粒状にされる。結果生じる粒状物は、次いで、連続的に押出機に供給され、それによって、粉末のストランドに成形され、切断または他の仕上げ工程によって完成粉末に処理される。

この方法は、脱水およびゼラチン化に関して、最初に言及したＰＯＬ工程から相当に改良されている。前記工程によれば、粒状物を圧縮する際にプレスにおいて高い溶融圧力が発現するために、今まで押出機において粒状物を確実に処理することができず、安全性に関連する深刻な懸念や問題を伴っていた。したがって、これを解消するために、粒状物は、元の加湿原料と混合され、その後初めてローラでシート状に圧延加工された。そして、上記従来の方法に従って、巻取りおよび所望の形状への圧縮が続いておこなわれていた。

後者の方法は、複雑な操作に加えて、さらに深刻な問題をもたらす。あらかじめ脱水されゼラチン化されているか、または湿潤な原料が混合され、そのゼラチン化品質が一定していないか低いことにより、作製されたコイルは不均質である。これは全体の質に顕著な悪影響をもたらすために、ほとんどの装薬粉末が、いまだに最初に引用した従来の圧延方法によって製造されている。

さらなる改良が、国際公開第０３／０３５５８０号に記載された方法によって達成された。この方法によれば、せん断ユニットでの造粒および後続の粒状物への加工の直後に、爆発性材料は、静水圧プレスによってブロック状に形成される。粒状物は温かい可塑状態のままで静水圧プレスに供給されるので、冷却または硬化した粒状物が、プレスにおいて互いにぶつかることが防止されるとともに、安全性に関連する高圧領域が圧縮の間に接触面またはプレスの壁面で発現することが防止される。

しかし、上記方法でも、多くの様々な原料爆発性材料を処理することはなお困難である。これらの問題は、せん断ローラに対する原料の初期付着性が低すぎて、せん断ユニットで原料爆発性材料を加工する際に爆薬の連続的で完全な可塑化を達成することができないことに部分的に起因すると考えられる。この不十分な初期付着性のために、多くの化合物が連続せん断ローラ上で加工できない。また、従来のローラ上での加工は、バッチ処理する場合にしばしば大きな困難を引き起こす。十分なゼラチン化を達成するために、長い処理時間および／または複雑なせん断設備が必要となることが多く、このことは、工程コストおよび工程を実現する安全性の両方の点から非常に不利である。

したがって、本発明は、先行技術における公知の方法より速く、より経済的に実現することができ、さらに利用される各々の爆発性化合物についてより広い適用性を示す爆薬の製造方法を提供することに基づく。

この課題は、請求項１による方法によって解決される。

本発明の重要なポイントは、原料爆薬に、ゼラチン化の前に、最初に静水圧プレス成形を施すことである。

静水圧プレスは、特にニトロセルロースのゲル化特性に影響することが分かった。したがって、熱誘導性のゲルは、その物理的特性および構造的特性において圧力誘導性のゲルとははっきりと異なることが明らかである。特に、圧力誘導性のゲルは、低弾性係数を示して、その後の押し出しを容易にする。このように、原料爆薬の静水圧プレス成形によって、原料爆薬の特定のゼラチン化が生じ、このことは明らかに、このようにして加工される原料爆薬の加工性を向上させる。

ニトロセルロースを含む原料爆発性材料のＳＥＭ画像から、静水圧プレス成形工程後に、ニトロセルロースファイバーの量が大幅に増加することが確認される。この膨張から、ゲル化剤がポリマー鎖間に既に分散していることが示唆される。ゲル化剤は、部分的に鎖のつながりを解く。見かけ架橋が緩められる。次いで、後続の処理中にさらなる緩和が生ずるが、これは通常せん断作用とともに起こる。

好ましい実施の形態では、静水圧プレス成形は、１バールから１００００バール、特に１０００バールから７５００バールの圧力で行う。

また、周囲温度より高い温度で静水圧プレス成形を行うことが好ましい。そうすることによっても、圧力誘導性のゲル化とは別に、熱誘導性のゲル化が行われて、原料爆薬の可塑化の前段階を改善する。静水圧プレス成形は、３０℃と１００℃との間の温度で、特に５０℃と９０℃との間の温度で行われることが好ましい。

特に良好な結果を得るために、原料爆発性材料は、いくらかのドウェル時間（dwell time）にわたって静水圧プレス成形を受けるべきである。１分から２０分、特に５分から１０分のドウェル時間が特に有利であることが証明された。

１つの好ましい実施の形態では、原料爆薬の静水圧プレスゼラチン化の後段階が、３０℃から１３０℃の範囲の温度、好ましくは５０℃から１１０℃の範囲の温度、特に好ましくは７０℃から９５℃の範囲の温度で、せん断ローラを含むゲル化装置において行われる。

本発明の意味においてせん断ローラとして理解するために、独国特許出願公開第３５３６２９５（Ａ１）号にローラが詳細に記載されている。

原料爆薬の静水圧プレス成形によって達成された膨張によって、明らかに、せん断ローラ上で処理される際にそのせん断ローラに対する原料爆薬の初期付着性が改善され、これにより、明らかにせん断ローラ上のゲル化が改善される。

ゲル化装置において前処理された原料爆薬の加工性を改善するために、好ましい実施の形態のゲル化装置は、ドラムの内部に内部吊上げ金具（internal lifting fittings）およびドラムの出口に内部逆搬入金具（internal reverse-conveying fittings）を持つ回転ドラムを備える。ドラム内部の内部吊上げ金具は、すぐに付着せずに落下する原料爆発性材料を、自動的に再適用させる。ドラム出口の逆搬入内部金具は、材料が出ることを防止する。

他の実施の形態では、ローラを含むゲル化装置による原料爆薬のゲル化は、３０℃から１３０℃の範囲の温度、好ましくは５０℃から１１０℃の範囲の温度、特に好ましくは７０℃から９５℃の範囲の温度で起こる。

静水圧プレス成形により生じた温かい爆発体は、さらなる処理に関して非常に有利な弾性を示す。よって、静水圧プレス成形によって作製された爆発体は、中間冷却なしで後続のゲル化工程をすぐに受けることが好ましい。

例えば国際公開第０３／０３５５８０号に記載されるように、ゼラチン化爆薬のさらなる処理を行うことができる。最終製品までの典型的な手順は、図１として添付された工程図に描かれている。

爆薬の好ましい実施の形態は、特にゲル化装置を出た後に直ちに粒状化され、その粒状物は、静水圧プレスによる粒状化後にただちにブロック状に形成される。ここで、粒状物は、温かい、特に可塑性の状態で、静水圧プレスに供給されることが好ましい。次いで、従来の方法で、特に油圧プレス（hydraulic press）によって、後に生じるブロックを処理することができる。

１つの好ましい実施の形態では、原料爆薬は、少なくとも１つのゼラチン化可能成分（gelatinizable component）および少なくとも１つのゲル化成分を含む。

原料爆薬のゼラチン化可能成分は、ニトロセルロースを含むことが好ましい。しかし、原料爆薬も、それ自体爆発性でないゼラチン化可能成分を含むことができる。酢酸セルロースは、そのようなゼラチン化可能成分の一例である。

原料爆薬のゲル化成分は、ニトログリセリンおよび／または二硝酸エチレングリコールおよび／またはニトラミンを含むことが好ましい。しかし、原料爆薬は、それ自体爆発性でないゲル化成分を含むこともできる。そのようなゲル化成分の例は、典型的な可塑剤であり、例えばフタル酸エステルである。

原料爆薬は、ゼラチン化可能でなくゲル化もしない爆薬を含むこともできる。そのような爆薬の例は、ＲＤＸ、ＨＭＸ、ＰＥＴＮおよびニトログアニジンである。

本発明の方法で用いられる特に有利な爆薬は、ニトロセルロース、ニトログリセリン、二硝酸エチレングリコール、１以上のニトラミン類、ＲＤＸ、ニトログアニジン類の成分のうち１以上を含む。

１つの好ましい実施の形態では、加湿無溶媒原料爆薬が、原料爆発性材料として使用される。

他の実施の形態では、原料爆発性材料として、溶媒湿潤原料爆薬が使用される。溶媒湿潤原料爆薬は、アセトン、ジエチルエーテル、エタノールまたは前記溶媒の混合物を含むことが好ましい。

１つの実施の形態では、原料爆薬は、カーボンブラックまたは黒鉛の形態で、特に０．１重量％から１．０重量％の量で炭素を含む。

特に好ましい実施の形態では、原料爆薬は、特に０．０５重量％から１．０重量％の量でカーボンナノチューブを含む。

カーボンナノチューブは、黒鉛、ダイヤモンドおよびフラーレンに加えて、炭素のアロトピックモディフィケーション(allotopic modification)を構成する。カーボンナノチューブでは、黒鉛格子が管状形態に配置され、フラーレンハーフキャップ構造によって端部が覆われている。

カーボンナノチューブを添加すると、爆薬について次の利点がもたらされる。
・本来なら絶縁性の爆薬において導電性または静電気消失（静電気防止）を達成する。
・機械特性、特に安定性について改善をもたらす。
・爆薬の熱伝導性および熱的安定性を増大させる。

本発明の方法は、多くの利点を伴うことが分かった。上述のように、静水圧プレス成形によって、原料爆発性材料のゲル化がもたらされる。これによって、明らかに、後続のゲル化後処理が簡素化される。ゲル化を行うためにせん断ローラを使用すると、特にローラから静水圧的に圧縮された原料爆発性材料への伝熱とともに、ローラに対する原料爆薬の初期付着性が大幅に改善されることが分かった。これにより、加工時間が短縮されるとともに、より簡易なせん断装置の使用が可能となり、設備費用の低下およびスループットの向上がもたらされる。加工時間の短縮によって材料への熱負荷が下がると、最終製品の長期間の安定性が増すというさらなる利点が示される。

せん断装置の簡易化に関しては、静水圧プレス成形によって前処理された原料爆発性材料のより良好な加工特性によって、より短いせん断ローラの使用が可能となる。このことは、設備費用が低減されることに加えて、ローラ偏位が低いというさらなる利点を有し、原料爆発性材料を加工する際に、せん断装置の磨耗が少なくなることや加工安全性が増すことが明らかになった。

本発明による方法のさらに驚くべき利点は、従来の方法では加工できなかった、または処理できるが大きな困難を伴っていた原料爆薬を加工し得ることである。例えば、従来の方法に従えば、未加工のニトロセルロースおよびニトログリセリン／二硝酸エチレングリコール系爆薬は、ニトロセルロースが特定の窒素含有量（ニトロ化度）を有する場合に、特定の化合物についてのみしか加工し得なかった。従来の方法では、この「窓（window）」の外では、原料爆薬のゲル化を行うことができない。静水圧プレス成形に先立つ工程により、本発明の方法は、この窓の外でそのような原料爆薬のゲル化を可能にする。これは、異なる窒素含有量のニトロセルロースを使用する観点から、手順の柔軟性を高める。

以下は、実施の形態について記載され、本発明においてより詳細に説明する際に画像によって説明される。

実施例１：静水圧プレス成形によって処理された爆発性材料のＳＥＭ画像解析
未加工ニトロセルロース／ニトログリセリン爆発性材料を、８０℃および３５００バールで５分間静水圧プレス成形した。

静水圧プレス成形前後に、原料爆発性材料のサンプルを取得し、その後、走査電子顕微鏡を使用して解析した。

図２は静水圧圧力処理前の原料爆発性材料を示し、図３は静水圧プレス成形後の原料爆発性材料を示す。静水圧プレス成形前後の原料爆発性材料の構造において顕著な相違が見られる。特に、静水圧プレス成形工程後に、ニトロセルロースファイバーの量がほぼ倍増することが分かる。この膨張は、ゲル化剤が、ニトロセルロース鎖のつながりをすでに部分的に解いたことを示唆する。

実施例２：爆薬の製造
原料爆発性材料（ニトロセルロース３７％、ニトログリセリン３７％、セントラリット１％、ＲＤＸ２５％）をポリエチレンチューブに満たす。チューブから気体を抜いた後、密閉し、静水圧プレスに挿入した。作動液の温度は８５℃であり、印加圧力は５０００バールであり、ドウェル時間は８分であった。摘出して型（mold）を取り除いた後、冷却が起きないように、形成体を、加熱粉砕／計量装置（heated comminution/metering device）を通してせん断ローラに供給した。

上記のように静水圧プレス成形によって前処理された原料爆発性材料は、せん断ローラ上でのさらなる処理に関して優れた特性を示すことが分かった。

Claims (14)

1. 原料爆発性材料をゼラチン化することによって原料爆発性材料から爆薬を製造する方法であって、
   前記原料爆発性材料に、前記ゼラチン化工程の前に静水圧プレス成形を施すことを特徴とする爆薬の製造方法。
2. 前記静水圧プレス成形を、１バールから１００００バール、特に１０００バールから７５００バールの圧力で施すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記静水圧プレス成形を、３０℃と１００℃との間、特に５０℃と９０℃との間の温度で施すことを特徴とする、請求項１および２の少なくとも１項に記載の方法。
4. 前記静水圧プレス成形をは、１分から２０分、特に５分から１０分間続けて行うことを特徴とする、請求項１から３の少なくとも１項に記載の方法。
5. 原料爆発性材料のゼラチン化は、３０℃から１３０℃の範囲の温度、好ましくは、５０℃から１１０℃の範囲内の温度、特に好ましくは７０℃から９５℃の範囲内の温度で、せん断ローラ（shearing roller）を含むゲル化装置によって行われることを特徴とする、請求項１から４の少なくとも１項に記載の方法。
6. ゲル化装置は、せん断ローラに加えて、ドラムの出口に内部吊上げ金具（internal lifting fittings）および内部逆搬入金具（internal reverse-conveying fittings）を有する回転ドラムを備えていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ローラを含むゲル化装置による前記原料爆発性材料のゲル化は、３０℃から１３０℃の範囲の温度、好ましくは、５０℃から１１０℃の範囲の温度、特に好ましくは７０℃から９５℃の範囲で行われることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記原料爆発性材料は、前記静水圧プレス成形の後、実質的に前記原料爆発性材料が中間冷却されることなく、加熱粉砕／計量装置（heated comminution/metering device）を介してゲル化装置に導入されることを特徴とする、請求項５から７の少なくとも１項に記載の方法。
9. 前記原料爆発性材料は、少なくとも１つのゼラチン化可能成分（gelatinizable component）および少なくとも１つのゲル化成分を含むことを特徴とする、請求項１から８の少なくとも１項に記載の方法。
10. 前記原料爆発性材料として、加湿無溶媒（humidified solvent-free）原料爆薬を使用することを特徴とする、請求項１から９の少なくとも１項に記載の方法。
11. 前記原料爆発性材料として、溶媒湿潤(solvent-dampened)原料爆薬を使用することを特徴とする、請求項１から９の少なくとも１項に記載の方法。
12. 前記溶媒湿潤原料爆薬は、アセトン、ジエチルエーテル、エタノールまたは前記溶媒の混合物を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記原料爆発性材料は、０．１重量％から１．０重量％の量で、カーボンブラックまたは黒鉛の形態で炭素を含むことを特徴とする、請求項１から１２の少なくとも１項に記載の方法。
14. 前記原料爆発性材料は、０．０５重量％から１．０重量％の量で、カーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１から１２の少なくとも１項に記載の方法。