KR940004634B1 - 삼염기 추진장약분말 제조방법 및 장치 - Google Patents

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Description

삼염기 추진장약분말 제조방법 및 장치

본 발명은 용매를 사용하여 니트로셀룰로스, 폭발성오일(blasting explosive oil), 그리고 제3결정질 에너지전달체(third crystallie energy carrier) 및 첨가제들로 된 삼염기 추진장약분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

삼염기 추진장약분말은 "내성(cold)" 분말로도 알려져 있다. 이는 제3결정질 에너지전달체를 포함하지 않는 통상적인 "열성(hot)" 분말에 비해용기를 더욱 안전하게 보호하는, 즉 부식방지의 장점이 있다. 폭발성 오일로 추진장약분말을 제조함에 있어서 이 오일은 니트로셀룰로스의 교화제(gelatinizng agent)로 작용한다.

삼염기 추진장약분말의 경우 폭발성 오일의 양이 니트로셀룰로스의 완전한 교화와, 그리고 특히 제3결정질 에너지 전달체가 큰 비율로 존재할 경우 이 결정질 에너지전달체를 분말혼합물내에 일정하고 균일하게 결합시키기에 충분치 못한 경우가 종종있다. 그럴 경우 삼염기 추진장약분말은 유기질 용매를 교화촉진제로 사용하여 제조된다. 분말상의 원료가 혼합되고 단부에서 완성된 분말로 인출되는 동안 알콜과 같은 용매가 첨가된다. 삼염기 추진장약분말을 배치내에서 제조하는 통상적인 방법이다. 분말의 모든 성분들은 용매의 첨가하에 분말덩어리로 혼합되며, 이 분말덩어리는 용매로 습윤되고 균질화 및 교화될 때까지 폐쇄된 반죽기내에서 반죽된다. 교화된 분말덩어리는 포트식(pot-type) 프레스내에서 압축되어 분말스트랜드로 만들어지며 이 분말스트랜드는 그후 일정길이로 절단되고 또 이로부터 용매가 건조제거된다. 이 방법은 분말혼합물이 많은 수공처리를 요하기 때문에 인력이 매우 많이 든다.

이와 유사한 공지의 방법은 삼염기 추진장약분말을 용매로 연속제조할 수 있는 방법이다(독일특허 24 61 646 및 US특허 4,051,207). 이 방법에 있어서는 모든 추진장약분말성분들의 혼합물이 용매에 의한 습윤하에 개방된 연속작동 반죽기내에서 예비가소화(preplasticize)되는 적, 교화가 부분적으로 이루어진다. 일반적으로는 재료가 반죽기를 여러번 거친다.

이어서 용매를 포함하는 예비가 소화된 재료는 압출기내에서 최종 교화가 행하여지고 과립물로 전환된다. 압출기도 또한 여러번 거치는 것이 보통이다. 그후 과립물은 다른 압출기내에서 압축되어 요구되는 분말스트랜드로 만들어지고 이 분말스트랜드는 또한 일정길이로 절단건조되어야 한다. 이 공정은 필요한 기계설비의 측면과 또 그 공정제어가 공정매개변수의 조정 및 모니터링하에 수행되어야 한다는 측면에서 고가의 경비가 소요된다.

본 발명의 목적은 연속작동이 가능하고 종전보다 저렴한 기계장치경비로 실현될 수 있으면서 그 작동사이클이 쉽사리 조정 및 제어될 수 있는 서두에서 언급한 종류의 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 현안의 방법을 수행하기에 적합한 장치를 제공하는 것이다.

서두에서 언급한 종류의 방법으로부터 출발함에 있어서의 문제는, 물로 습윤된 원료와 물로 습윤된 예비 혼합된 니트로셀룰로스 및 폭발성 오일이 개방된 연속작동 반죽기내에서 교화됨과 동시에 건조되고 그 반죽공정이 원료가 반죽장치로부터 방출될 때 3% 이하의 잔존 수분을 가지는 충분히 교화된 중간제품으로 전환되도록 조정되는 본 발명에 따라 해결된다. 반죽장치로부터 방출될 때 중간제품은 과립화되고 이 과립화된 중간제품(과립물)과 제3결정질 에너지전달체 및 용매가 폐쇄된 연속작동 압출기에 공급되어 그 내부에서 반죽에 의해 균질화된 후 용매로 습윤되면서 분말 스트랜드로 압출된다. 용매로 습윤된 이 분말스트랜드들은 일정길이로 절단되고 건조된다.

본 발명의 전후관계상 폭발성 오일은 특히 니트로글리세린과 디글리콜 디니트레이(deglycol dinitrate) 및 이들의 혼합물을 포함하는 추진장약분말의 제조에 사용되는 통상의 액상 폭발물로 이해되어야 한다.

제3결정질 에너지전달체는 보통 니트로구아니딘(nitroguanidine) (Nigy ; NQ)이다. 마찬가지로 적합한 것은 헥소오겐(hexogene)(RDX) 또는 옥토겐 (octogene)(HMX) 또는 니트로펜타(nitropenta)(PETN) 및 다른 결정질 에너지전달체들과 동 혼합물들이다.

첨가제들은 분말제조에 통상 사용되는 그러한 것들이며, 특별하게는 가소제 및 안정화제들이다. 그 분말 혼합물 내에서의 중량비는 비교적 작다. 분말스트랜드의 건조는 분말제조에 있어서 분말스트랜드로부터 용매를 거의 완전히 제거하기 위해 통상 사용되는 모든 종류의 방법으로 행할 수 있다.

본 발명의 방법은 삼염기 추진장약분말의 모든 성분들이 시작단계로부터 바로 상호 혼합되지 않는다는 데에 특징이 있다. 그보다는, 처음에는 예비혼합되어 물로 습윤된 원료로 제공되는 니트로셀룰로스 및 폭발성 오일만으로 충분히 교화된 중간제품이 만들어진다. 이는 용매의 사용없이 개방된 반죽장치를 한번 통과시키는 것으로 달성된다.

교화된, 그리고 그 결과 건조된 중간제품은 과립화되고, 이 과립물은 제3결정질 에너지전달체와 함께 폐쇄된 압출기로 공급된다. 또한 이때 용매가 첨가된다. 폐쇄된 압출기내에서의 반죽작용은 과립물을 제3결정질 에너지전달체가 극히 고르게 분산된 균질성의 반죽덩어리로 전환시킨다. 용매로 습윤된 이 덩어리는 동압출기로부터 반죽되면서 분말스트랜드들로 압출되어지고, 압출된 분말스트랜드들 그후 통상의 방법과 같이 일정길이로 절단되고 건조된다.

본 발명에 따른 방법은 전체적으로 연속수행된다. 이를 실시하는 데에는 본질적으로 두대의 기계장치, 즉 개방된 반죽장치와 폐쇄된 압출기, 플러스 개방된 반죽기의 흐름방향을 따른 교화수단 및 압출기에 대한 과립물반송수단, 만이 필요할 뿐이다. 공정제어는 쉽다.

각 장치를 단지 한번씩만 통과시키면 된다. 조합물들의 빈번한 변화조차 각 공정파라미터를 재조정하고 조화시키는 데에, 그리고 그것들을 그대로 유지시키도록 조처하는 데에, 아무런 문제를 일으키지 않는다. 이러한 관계로 본 방법의 초반부, 즉 개방된 반죽기내에서의 원료처리코스가 통상의 이염기 추진장약분말 제조코스와 거의 다르지 않기 때문에 통상적인 경험칙의 제법을 따를 수 있는 이점이 있다. 더욱이 이는 고도의 안전성을 보장한다. 모든 제조공정에 있어서 특히 니트로셀룰로스가 예컨대 폭발성 오일로 충분히 교화되기까지는 폭발성 오일이 원료로부터 분리되기 때문에 분말혼합물의 자연발화의 위험성이 높다. 그러나 본 발명에 따른 방법에 있어서는 그러한 단계가 개방된 반중장치내에서만 이루어지기 때문에 그안에서의 자연발화의 결과는 압출기와 같은 폐쇄된 공정수행 기계에서에 비해 별로 위험하지 않다.

한편, 압출기내에서는 본 발명의 방법에 따라 용매가 첨가되어지기 때문에 폭발의 위험성이 크게 감소된다.

마지막으로, 본 발명에 따른 방법은 제품량을 기준하여 통상의 제조방법에 비해 매우 적은 양의 용매를 써서 행하여질 수 있다. 그 결과 압출된 분말스트랜드를 건조시킴으로써 일어나는 용매의 손실 또한 덜하여 공정이 보다 경제적으로 되고 또 환경보호에 기여한다. 같은 이유로 건조에 소요되는 경비가 통상의 방법에 비해 훨씬 적게 든다.

사용될 개방된 반죽장치로서는 플라스틱과 같은 비폭발성 열가소성 재료의 균질화 및 가소화용으로 알려져 있는 전단가공 밀(shearing mill)을 선택하는 것이 바람직하다(EP-A 0 148 966 및 US특허 4,605,309). 그러한 전단가공 밀의 보다 상세한 내용에 관해서는 특히 상기 두 공개자료가 참고된다. 전단가공 밀은 서로 독립적으로 구동되고 그 사이에 조정가능한 롤러 닙(roller nip)이 제공되어 있는 두개의 롤러들을 포함한다. 롤러들에는 처리원료를 닙내부로 강제 공급함과 동시에 롤러 닙내부에서 롤러쌍의 한쪽 단부로부터 다른쪽 단부를 향한 축방향 반송운동이 일어나도록 만드는 나선홈들이 형성되어 있다. 본 발명의 방법에 있어서는 물로 습윤된 원료가 동시 롤링밀의 두 롤러들에 한쪽 단부에서 연속공급되어 반죽 및 강한 전단작용을 받으면서 상기 두 롤러의 단부쪽으로 점진반송되어진다. 원료가 다른쪽 단부에 도달했을 때에는 충분히 교화된 상태에 있게 된다. 그러한 교화를 가능케 하기 위해서는 물이 원료로부터 제거되어야 한다. 이는 롤러 닙내에서의 압착(sgueexing)과, 전단가공 밀의 롤러들을 가열시킴으로 인한 물의 증발에 의해 달성된다. 전단가공 밀에 공급되는 원료는 20%~30%의 수분함량을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 이 물의 제거와 그에 사응하여 진행되는 원료의 교화는 원료가 롤러들을 따라 이동할때 점진적으로 일어난다. 롤러 닙의 조정과 두 롤러들의 회전수 조정은 원료가 롤러쌍의 방출단부에서 거의 건조되어 있도록, 동시에 충분히 교화되어 있도록 하는 공정제어를 가능케 한다. 이것은 잔존수분량이 3% 미만, 바람직하게는 1% 미만, 예컨대 0.5% 임을 의미한다.

충분히 교화된 원료는 두 로울러들중 한쪽에 위치하여 그로붙커 연속적으로 떨어져 나감과 동시에 예컨대 과립화 헤드(granulating head)에 의해 과립화된다.

또한 본 발명에 따른 방법은 그 과립화로 인해, 그리고 제3결정질 에너지전달체가 적정의 튜약기와 같은 수단을 통해 정확히 계량된 양으로 압출기에 공급될 수 있기 때문에 각양의 추진장약분말제품들이 정확히 반복생산될 수 있도록 조립물들을 엄밀하게 관찰할 수 있는 이점이 있다. 압출기는 여러가지 양태로 제공될 수 있다. 만일, 압출기의 작동 방향으로 먼저 과립물 및 결정질 에너지전달체가 그리고 그에 이어 용매가 투여된다면 필요한 압출기는 과립물 및 결정질 에너지 전달체를 위한 하나의 공통개구부만 있으면 되기 때문에 특히 간단한 디자인으로 될 수 있다. 이들 재료의 공급위치뒤쪽에서 용매가 투입되기 때문에 투입구내에서의 브리지(bridge)형성이나 폐색현상 (plugging)은 배제되어야 한다. 압출기의 작동방향으로 먼저 과립물이, 그 다음엔 용매가, 그리고 나서 결정질 에너지전달체가 투입되는 경우 분말스트랜드의 균질성은 항층더 개선되는 것으로 밝혀졌다. 상기의 목적을 위한 압출기는 작동방향으로 과립물을 도입하기 위한 첫번째 개구부와, 용매의 공급을 위한 그 다음 개구부, 그리고 압력하에 결정질 에너지전달체를 공급하기 위한 마지막 개구부를 구비해야 하며, 이 배치는 기술적으로 다소 복잡하다.

첨가제들은 물로 습윤된 예비혼합된 원료와 함께 반죽장치에 공급될 수 있다. 선택적으로, 첨가제들을 과립물 및/또는 결정질 에너지전달체와 함께 압출기에 공급할 수도 있다.

특정의 경우, 조합물에 따라, 예컨대 특정한 첨가제들을 반죽기에 공급하고 나머지는 압출기에 공급하는 것과 같은 방법을 통해 조합의 양쪽 가능성을 채용하는 것이 편리할 수도 있다.

동시 롤링밀에 공급되는 원료는 보통 40%~50%, 바람직하게는 45%~55%의 니트로셀룰로스를 포함한다. 결정질 에너지전달체는 먼저 공급된 과립물을 기준하여 10%~55%의 양으로, 바람직하게는 40%~55%의 양으로 압출기에 공급된다.

압출기에 공급되는 용매의 양은 공급고형물(과립물+결정질에너지전달체)일 킬로그램당 60~130그램 범위내에서 편리한대로 선택한다. 이것은 통상의 제조방법에 비해 30%~60%의 용매가 절감됨을 의미한다. 다른것들중에서 적합한 용매는 알콜 또는 아세톤이다. 다른것들중에서의 선택은 채용 니트로셀룰로스의 니트로화도(degree of nitration)에 의거한다.

일반적으로 니트로화도가 높을수록 더 많은 용매가 요구되거나 용매가 더 강해야 된다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치는 개방된 전단가공 밀, 흐름방향의 교화수단, 반송수단, 폐쇄된 압출기로써 특징지워진다.

다음에서 본 발명은 첨부도면에 의거하여 예시적인 방법으로 더욱 상세히 설명되며, 여기에 제시된 도면은 삼염기 추진장약분말제조장치를 도식적으로 나타낸 그림이다.

도시된 장치는 예컨대 US특허 4,605,309로부터 알려진 바와같은 개방된 전단가공밀 1을 포함한다. 이 전단가공 밀은 서로 독립적으로 구동되고 그 사이에 일정의 롤러 닙 또는 갭이 제공된 두개의 롤러들을 가지고 있다. 물로 습윤된 분말상의 원료와 물로 습윤된 예비혼합된 니트로셀룰로스 및 폭발성 오일이 동시 롤링밀에 그 두롤러의 한쪽 단부로부터 공급된다. 이러한 공급은 도면에서 깔때기부와 화살표로써 지시되어 있다. 원료는 전단가공 밀내에서 반죽되고 동시에 물이 제거되면서 교화되어진다. 공정진행중 원료는 두 롤로의 다른쪽 단부를 향해 이동되고, 그 다른쪽 단부에 도달하는 원료는 충분히 교화되어 있게 된다. 이 두 롤러의 단부에는 과립화수단 2가 결합되어 있다. 이는 과립화된 원료 또는 중간제품을 두 롤러중의 하나로부터 떨어뜨려 냄과 동시에 과립화한다.

반송수단 3은 과립화된 중간제품(과립화물)을 폐쇄된 압출기 4의 공급구 5로 날라 준다. 같은 공급구 5내부로 제3결정질 에너지전달체가 공급된다. 과립물 및 제3에너지전달체는 각각 편리에 따라 여기에 도시되지 않은 계량기구를 통해 도입된다. 압출기 4는 흐름방향에서 공급구 5의 뒤쪽에 용매의 도입을 이한 용매공급수단 6을 구비하고 있다. 선택적으로, 용매공급수단 6뒤쪽에는 압출기에 대한 과립물공급과는 별도로 결정질 에너지전달체를 공급하기 위한 공급구 7이 제공될 수 있다. 그럴 경우, 공급구 7의 구역내에서 압출기내부에 기형성되어 있는 압력으로 인해 에너지전달체의 공급이 압력하에 이루어져야 한다.

압출기 4에는 압출기의 하우징내에 회전가능하게 지지된 하나나 둘의 스크류우 8이 통상의 방법으로 제공되어 있으며, 도면 중에서는 이를 다만 도식적으로 나타내었다. 압출기의 출구구역 9에는 하나의 다이스(도시되지 않음)가 배치되어 있다. 원료는 이 다이스를 통해 압출되면서 분말스트랜드들을 형성한다.

압출기내에서의 반죽작용은 과립물과 제3에너지전달체를 예컨대 알콜과 같은 용매와 함께 제3결정질 에너지전달체가 극히 고르게 균일분포되어 있는 하나의 반죽덩어리로 만들게 된다. 용매로 습윤된 상태의 이 덩어리는 단부에서 다이스를 통해 예컨대 7홀(7-hole) 분말스트랜드로 압출되어진다. 압출기로부터 나오는 분말스트랜드들은 통상의 수단(도시되지 않음)을 통해 일정길이로 절단되고, 또 예컨대 드라이어와 같은 적정수단을 통해 그로부터 용매가 제거된다.

전단가공 밀의 두 롤러들은 80℃~120℃ 사이의 온도로 가열될 수 있다. 두 롤러들의 회전속도의 조정가능한 범위는 40~70r.p.m. 사이이다. 두 롤로들사이의 갭 크기 또는 닙은 통상 2m미만으로 설정된다. 과립화수단 2는 3~6mm 크기의 과립물을 만들어낸다. 압출기 4는 전형적으로 그 직경에 대한 전장의 비가 20~40인 그러한 형태의 것이다. 압출기내부의 온도는 20℃와 50℃ 사이이다. 스크류우의 회전수는 30 및 80r.p.m 사이에서 조정가능하다.

한 특정한 삼염기 추진장약분말을 제조하기 위해 46%의 닐트로셀룰로스 (N=2=13.1%), 4%의 니트로글리세린, 8%의 센트럴라이드 Ⅰ (centralite I), 그리고 0.7%의 빙정석(cryolite)으로 구성된 예비혼합된 원료가 전단가공 밀 1내에서 그 한쪽 롤러의 온도를 90℃로 하여 그리고 회전수는 68r.p.m 으로 처리된다. 다른쪽 롤러의 온도는 80℃이고 그 회전수는 58r.p.m 이다. 전단가공밀의 평균처리량은 시간당 52킬로그램의 물로 습윤된 원료이다. 충분히 교화되었을 때의 원료, 즉 과립화수단 2에서의 중간제품은 0.5% 미만의 수분함량을 가진다. 건조된 과립물 및 제3 에너지전단체로서의 니트로구아니딘은, 중량비 45%의 과립물 및 55%의 니트로구아니딘으로 압출기내부에 계량투입된다. 압출기 내에서 원료는 용매의 도움을 받아 균질화되고 7홀 분말 스트랜드로 압출성형된다. 스크류우의 회전수를 60r.p.m 으로 하고 압출기헤드압력을 23바아로 할 때 그 처리량은 시간당 40킬로그램이다.

다른 삼염기 추진장약분말의 제조를 위해 62%의 니트로셀룰로스, 37%의 니트로글리세린, 0.3%의 센트럴라이트, 0.5%의 아아카나이트(arcanite), 0.1%의 산화마그네슘, 그리고 28%의 초기수분함량을 가지는 0.1%의 흑연으로 구성된 예비혼합된 원료가 전단가공 밀 1내에서 처리된다. 첫번째 롤러의 온도는 110℃이고 그 회전수는 50r.p.m 이다. 두번째 롤러의 온도는 90℃이고 회전수는 45r.p.m 이다. 이때 처리량은 시간당 42킬로그램의 약 0.7%의 수분량을 가지는 건조된 덩어리이다. 과립물 및 니트로구아니딘은 60% : 40%의 중량비로 압출기내부에 계량투입된다. 이들은 압출기내에서 시간당 3리터의 아세톤 용매로 처리된다. 원료는 7홀 규모의 분말스트랜드로 압출성형된다. 스크류우의 회전속도는 40r.p.m, 헤드압력은 27바아, 그리고 헤드온도는 48℃이다. 이때 처리량은 시간당 30킬로그램이다.

Claims (12)

1. 용매의 사용을 포함하여 니트로셀룰로스, 폭발성 오일, 제3결정질 에너지전달체 및 첨가제들로 이루어진 삼염기 추진장약분말을 제조하는 방법으로서 하기의 단계들 : (a) 물로 습윤된 원료와 물로 습윤된 예비 혼합된 니트로셀룰로스 및 폭발성 오일이 개방된 연속작동 반죽기내에서 교화됨과 동시에 건조되고, 원료가 반죽장치로부터 방출될 때 3% 미만의 잔존 수분함량을 가지는 중간제품으로 전환되도록 반죽장치를 조정하는 단계 ; (b) 중간제품이 반죽장치로부터 방출될 때 이를 과립화되는 단계 ; (c) 과립화된 중간제품(과립물)과 제3결정질 에너지전달체 및 용매를 이들이 그 내부에서 반죽에 의해 균질화되고 용매로 습윤된 분말스트랜드들의 형태로 압출되어지는 폐쇄된 연속작동 압출기에 공급하는 단계 ; (d) 용매로 습윤된 분말스트랜드들은 일정길이로 절단하고 건조하는 단계를 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 사용 반죽장치가 개방된 전단가공 밀인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 과립물과 결정질 에너지전달체를 먼저 압출기에 그 작동방향으로 공급하고, 그 다음에 용매를 투입하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압출기의 작동방향으로 과립물, 그리고 용매, 그리고나서 결정질 에너지전달체의 순으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 첨가제들을 물로 습윤된 예비혼합된 원료와 함께 반죽장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 첨가제들을 과립물 및/또는 결정질 에너지전달체와 함께 압출기에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 전단가공 밀에 공급되는 원료가 40%~60%의 니트로 셀룰로스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제2항 또는 제7항에 있어서, 전단가공 밀에 공급되는 원료가 20%~30%의 수분함량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압출기에 결정질 에너지전달체를 공급 과립물의 10%~55%의 양으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압출기에 용매를 공급 고형물(과립물+결정질에너지전달체) 일킬로그램당 60~130그램의 양으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 개방된 전단가공 밀, 그에 이은 과립화수단, 반송수단, 및 폐쇄된 압출기를 특징으로 하는 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 청구된 방법을 수행하기 위한 장치.
12. 제11항에 있어서, 압출기가 그 작동방향순으로 먼저 과립물 공급구를, 그 다음엔 용매공급구를, 그리고 최종적으로 압력하의 결정질 에너지전달체공급구를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.