NL8501006A

NL8501006A - Nitrocellulose stuwstofsamenstelling.

Info

Publication number: NL8501006A
Application number: NL8501006A
Authority: NL
Original assignee: Ici Plc
Priority date: 1984-04-16
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1993-10-01
Also published as: US5385619A; BE902208A; DE3513622C2; NO851465L; IT1241399B; NO173697B; FR2692571A1; CA1331695C; DE3513622A1; NL194797C; NL194797B; SE470258B; SE8501809L; NO173697C; SE8501809D0; IT8520339A0; FR2692571B1; AU643183B2; GB8409867D0

Description

- Nitrocellulose stuwstofsamenstelling -

De uitvinding heeft betrekking op een op nitrocellulose (NC) gebaseerde stuwstofsamenstelling die een ballistische modificator bevat om het effekt van plateau- of mesa-branden over aanzienlijk ruime druktrajekten te bewerkstelligen.

Voor een gegeven ontbrandingstemperatuur staat de brandsnelheid van een stuwstof in het algemeen in een relatie tot de druk waaraan hij wordt onderworpen, die met de volgende betrekking kan worden aangegeven: 1 n r = kp waarin r de brandsnelheid en p de druk zijn , en k en n constanten die karakteristiek voor de stuwstof zijn. Dus neemt r exponentieel toe met toenemende p en log r lineair met log p , en is de grafiek van log r tegen log p een rechte met een hellingshoek n. Voor een gebruikelijke stuwstof zonder ballistische modificator heeft de drukexponent n een waarde van 0,5-0,8, en voor raketvoortstuwing geeft de progressieve toename‘ in brandsnelheid bij toenemende druk problemen bij het ontwerpen van motoren die de drukken, die zich zouden kunnen ontwikkelen, weerstaan. Om dit probleem op te heffen, zijn op NC gebaseerde stuwstofsamenstellingen met ballischtische modificatoren ontwikkeld waarin de modificator het verband tussen de brandsnelheid en de druk zodanig wijzigt dat de drukexponent n over een nuttig werkdruk-trajekt kleiner wordt. In het gebied waarin n = 0 bevat de grafiek van log r tegen log p een vlak gedeelte , "plateau" genoemd en het branden wordt als "plateau-branden" aangeduid. in sommige gevallen wordt n over een bepaald druk-trajekt negatief en een dergelijk branden van de stuwstof wordt "mesa-branden " genoemd. Ballistische modificators die een verlaging van de drukexponent teweeg brengen, worden platoniseringsmiddelen genoemd. Plateau-brandende stuwstof-fen geven in het gebied van het plateau een verminderde variatie in motorgedrag en mesa-branden geeft een extra veiligheid' tegen de ontwikkeling van hoge druk in de stuw-stofhouder.

Ballistische modificators (platoniseringsmiddelen) die tegenwoordig worden gebruikt, omvatten organische zouten zoals loodsalicylaat , loodstearaat of lood ^-resorcylaat, en kunnen ook toegevoegde metaalzouten zoals kopersalicylaat, koperstearaat of koperbenzoaat bevatten. De toepassing van dergelijke ballistische modificators is bijvoorbeeld beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 3.088.858. en 3.923.564, het Brits octrooischrift 2.121.399 en het Japans octrooi-schrift J 55071690 . Een zeer geschikte raodificator voor betrekkelijk snel brandende stuwstoffen is het reaktieprodukt van lood j!>-resorcylaat en basisch koper (II) salicylaat dat is beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 3.989.776 en 4.001.287'.

De tegenwoordig gebruikte ballistische modificators schieten in sommige opzichten tekort) zoals in bepaalde gevallen moeilijkheden bij het opnemen in stuwstofsamenstellingen, slechte reproduceerbaarheid van plateaukarakteristieken van batch tot batsch , ongunstige invloed op lange termijn-stabiliteit, ballistische afwijking bij opslag en onwerkzaamheid in zeer energierijke samenstellingen. Derhalve bestaat er een dringende behoefte aan betere ballistisch gemodificeerde stuwstofsamenstellingen, in het bijzonder voor goed geplatoniseerde, snel brandende , zeer energierijke samenstellingen die, wanneer noodzakelijk aluminium bevatten of grote hoeveelheden energierijke vulstoffen zoals nitraminen bijvoorbeeld RDX(cyclo l,3,5-trimethyleen-2,4,6-trinitramine).

Gevonden is dat op NC gebaseerde stuwstoffen met verbeterde plateau- of mesa- brandkarakteristieken kunnen worden verkregen door als ballistische modificator een koper (II) complex van een alifatisch carbonzuur met 6-12 koolstof-atomen in de keten te gebruiken. Deze modificators geven plateaux van goede kwaliteit die van batch tot batch reproduceerbaar zijn . Zij zijn oplosbaar in organische oplosmiddelen zoals gebruikt bij het vervaardigen van gegoten (vaste) stuwstoffen op tweeledige basis zodat zij gemakkelijk in deze stuwstofsamenstellingen kunnen worden opgenomen. Bovendien zijn zij chemisch stabiel en niet onderhevig aan ballistische afwijking bij opslag.

De uitvinding verschaft derhalve een op NC gebaseerde stuwstofsamenstelling die als ballistische modificator tenminste één koper (II) complex van een alifatisch monocarbon-zuur met 6-12 koolstofatomen in de keten bevat. Het alifatisch monocarbonzuur kan tenminste één vertakte of rechte koolstofketen bevatten, maar die met een rechte C^-C^ keten hebben in he; algemeen de voorkeur . Een voorkeurs complex met een vertakt carbonzuur is het koper(II)complex van 2-ethylhexaanzuur, en voorkeurscomplexen met rechte carbonzuren zijn die van koper(II) met capronzuur(hexaanzuur), caprylzuur (octaanzuur) , caprinezuur (decaanzuur) en laurine-zuur. Voor vaste stuwstoffen op tweeledige basis is koper (Il)caproaat de meest geschikte ballistische modificator vanwege zijn hogere oplosbaarheid in de bij het vervaardigen gebruikte oplosmiddelen. Deze ballistische modificators geven zonder meer NC stuwstofsamenstellingen die voor een groot aantal verschillende brandsnelheden over een bruikbaar druk-trakekt geplatoniseerd zijn , en werkzaam in de meest uiteenlopende NC stuwstoffen waaronder gegoten en geextrudeerde stuwstoffen op tweeledige basis die behalve NC nitroglycerine (NG) bevatten. Gebleken is echter dat met mengsels van voornoemd kopercomplex en één of meer van de als ballistische modificator werkzame lood- of koperverbindingen, het brand-snelheidstrajekt en energieverbruik van stuwstoffen kan worden uitgebreid. Dergelijke mengsels vergemakkelijken in het bijzonder' het formuleren van samenstellingen met een hogere brandsnelheid en specifieke impuls. Zij zijn ook doeltreffend om NC stuwstoffen te platoniseren die polymere bindmiddelen bevatten die tot nog toe niet bevredigend geplatoni-seerd waren. Voor dit doel geschikte lood- en koperverbindingen omvatten loodstearaat, loodcitraat, loodftalaat, lood-acetoftalaat, loodsalicylaat, lood fl-resorcylaat, basisch, kopersalicylaat, koper β-resorcylaat en koperoxyde.

De stuwstofsamenstellingen volgens de uitvinding bevatten bij voorkeur 3- 6,5 gew.% ballistische modificator en r wanneer de modificator bovendien een als ballistische modificator werkzame lood- of koperverbinding bevat, bij voorkeur 1,7-5,0 gew.% van het koper (II)complex van een ali-fatisch monocarbonzuur met 6-12 koolstofatomen in de keten .

Behalve NC en ballistische modificator kunnen de stuwstofsamenstellingen volgens de uitvinding gebruikelijke stuwstofbestanddelen bevatten waaronder NG (in stuwstoffen op tweeledige basis) , stabilisatoren bijvoorbeeld p-nitro N-methylaniline, 2-nitrodifenylamine of resorcinol, weekmakers bijvoorbeeld sucrose-octoacetaat, triacetin of dibutylftalaat, energetische bestanddelen bijvoorbeeld een nitramine zoals RDX o£ metaalpoeder zoals aluminium, brandsnelheidmoderators, bijvoorbeeld roet, smeermiddelen bijvoorbeeld Candelillawas, polymere bindmiddelen bijvoorbeeld met isoeyanaat verknoopt polycaprolacton , en ontvlammingsonderdrukkende middelen bijvoorbeeld kaliumnitraat.

De geplatoniseerde stuwstofsamenstellingen volgens de uitvinding kunnen binnen ruime grenzen voor de energie en brandsnelheid variëren. Zo kan bij een bruikbare samenstelling het energiebereik variëren van ongeveer 800-1200 cal/ g en de brandsnelheid van ongeveer 4-45 millimeter/sec.

Het bereiden of vervaardigen kan worden uitgevoerd zoals gebruikelijk voor NC stuwstoffen.

In de hierna volgende voorbeelden zijn batches van stuwstoffen met de in de tabel aangegeven samenstelling bereid volgens standaardmethoden onder gebruikmaking van gebruikelijke stuwstofbestanddelen afgezien van de als ballistishe modificator gebruikte kopercomplexen volgens de uitvinding.

De toegepaste methoden voor het vervaardigen van de basis-stuwstof zijn beschreven in hoofdstuk 17 van het boek High Explosives and Propellants van S. Fordham , 2e druk, Pergamon Press 1980.

In de voorbeelden I,III,IV en V zijn gegoten stuwstoffen op tweeledige basis vervaardigd volgens een standaardmethode waarbij een stuwstofpoeder op tweeledige basis dat het merendeel van de bestanddelen bevatte , werd bereid volgens een methode waarbij een oplosmiddel wordt opgenomen , en dat vervolgens werd gemengd met een gietvloeistof die ongeveer de helft van het nitroglycerine, al het triacetin en een gedeelte van de stabilisator bevatte. Qm de btand-snelheid te bepalen werden van de gegoten stuwstof plakken en einden afgesneden.

In voorbeeld II is het stuwstofpoeder bereid zonder oplosmiddel en in voorbeeld VI , VII, VIII en IX met een oplosmiddel. De poeders werden geextrudeerd tot 18 cm lange strengen met een diameter van 2 millimeter waarvan het oppervlak werd behandeld met een vinyllak die een constant brandend eindoppervlak achterlaat . De brandsnelheid van de strengen werd voor een reeks drukken bepaald vanaf het onbehandelde eindoppervlak in een Crawford Bomb inrichting onder een stikstof atmosfeer.

Voorbeeld I

De in dit voorbeeld vervaardigde stuwstof was een geplatoniseerde , gegoten stuwstof op tweeledige basis met een hoge brandsnelheid die 2,0 gew.% koper (II) caproaat en 4,1 gew.% lood fr-resorcylaat als ballistische modificator bevatte.

De ballistische eigenschappen (brandsnelheid versus druk ) zijn grafisch weergegeven in figuur 1 met de krommen (a)

Ter vergelijking zijn ook de ballistische eigenschappen van een zelfde samenstelling maar zonder koper (II) caproaat grafisch weergegeven met de krommen (b) . Uit de resultaten blijkt dat door de ballistische modificator de brandsnelheid aanmerkelijk toenam tot 45 millimeter sec en plateau-branden teweeg bracht bij een hoog druktrajekt van 15000-30000 kPa . De brandsnelheid varieerde niet veel met de begintemperatuur (dat wil 2eggen dat de temperatuurscoëfficient laag was ) over het trajekt -40 tot 60°C in het plateaugebied.

Voorbeeld II

De in dit voorbeeld vervaardigde stuwstof was een geplatoniseerde stuwstof op tweeledige basis met een hoge brandsnelheid die 2,0 gew.% koper (II) caproaat en 3f0 gew.% lood ^-resorcylaat als ballistische modificator bevatte.

De stuwstof was vervaardigd zonder oplosmiddel door extruderen. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn grafisch weergegeven in figuur 2. Daaruit blijkt dat de samenstelling plateau-branden vertoont bij een hoge brandsnelheid van ongeveer 36 millimeter/ sec. over een druktrajekt van ongeveer 18000-25000 kPa.

Voorbeeld III

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , gegoten stuwstof op tweeledige basis met lage brandsnelheid die 1,7 gew.% koper(II) caproaat en 1,7 gew.% loodacetoftalaat als ballistische modificator bevatte . De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn grafisch weergegeven in figuur 3 voor begintemperaturen van -26 tot 52°C. Uit de resultaten blijkt ,dat de modificator in deze samenstelling een mesa-branden gebied met een lage brandsnelheid over een druktrajekt van ongeveer 3000-4500 kPa gaf bij een bevredigende temperatuurscoëfficient over dit druktrajekt .

Voorbeeld IV

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde, gegoten, zeer energierijke stuwstof op tweeledige basis met een hoge brandsnelheid die 2,0 gew.% koper{II) caproaat en 4,1 gew.% lood ?»-resorcylaat als ballistische modificator en 4,6 gew.% aluminium als energierijk bestanddeel bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn gra-tisch weergegeven in figuur 4 en wijzen op plateau-branden bij een brandsnelheid van ongeveer 40 millimeter / sec. over een drüktrajekt van ongeveer 15000-30000 kPa bij een bevredigende temperatuurscoëfficient .

Voorbeeld V

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , gegoten, zeer energierijke stuwstof op tweeledige basis die 0,5 gew.% koper(II) caproaat en 1,0 gew.% lood -resorcylaat als ballistische modificator en 36,6 gew.% RDX als energierijke vulstof bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn weergegeven in figuur 5.Daaruit blijkt het optreden van plateau-branden bij een brandsnelheid van ongeveer 30 millimeter /sec. bij een bevredigende tempera-tuurscoëfficient over een drüktrajekt van ongeveer 13000-25000 kPa.

Voorbeeld VI

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , elastomeer-gemodificeerde , zonder oplosmiddel geextrudeerde stuwstof die 2,5 gew.% koper(II) caproaat als ballistische modificator en 3,0 gew.% polycaprolacton (dwarsverknoopt met iso-cyanaat) als polymeer bindmiddel voor de nitrocellulose bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn weergegeven in figuur 6 en daaruit blijkt het optreden van plateau-branden bij een lage brandsnelheid van ongeveer 5 millimeter/sec. over een drüktrajekt van ongeveer 2000-4000 kPa .

Voorbeeld VII

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , met oplosmiddel geextrudeerde stuwstof op tweeledige basis die 2,0 gew.% koper(ÏI) octanoaat en 4,0 gew,% lood ^-resoreylaat als ballistische modificator bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn weergegeven in figuur 7. Daaruit blijkt het optreden van plateau-branden bij een brandsnelheid van ongeveer 34 millimeter/sec. over een druk-trajekt van ongeveer 13000-25000 kPa.

Voorbeeld VIII

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , met oplosmiddel geextrudeerde stuwstof op tweeledige basis die 2,0 gew.% koper(II)decanoaat en 4,0 gew.% lood ji-resoreylaat als ballistische modificator bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn weergegeven in figuur 8. Daaruit blijkt het optreden van plateau-branden bij een brand-snelheid van ongeveer 38 millimeter/ sec. over een druktrajekt van ongeveer 15000-25000 kPa .

Voorbeeld IX

Dit voorbeeld is van een geplatoniseerde , met oplosmiddel geextrudeerde stuwstof op tweeledige basis die 2,0 gew.% koper (II) 2-ethylhexanoaat en 4,2 gew.% lood (b-resoreylaat als ballistische modificator bevatte. De ballistische testresultaten van deze samenstelling zijn weergegeven in figuur 9. Daaruit blijkt het optreden van plateau-branden bij een brandsnelheid van ongeveer 40 millimeter/ sec. over een druktrajekt van ongeveer 18000-25000 kPa.

Tabel

Stuwstofsamenstelling

Voorbeeld I II III IV V VI VII VIII IX

Samenstelling (gew.delei) NC(12,6% N) 38,4 40,8 36,4 17,3 28,6 36,1 36,1 37,2 NC(12,2% N) 48,1 NG 48,9 43,3 38,1 44,3 34,9 53,6 48,3 48,3 47,3 p-Nitro-N-methylaniline 0,6 0,7 0,6 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 2-Nitro difenylamine 0,3 2,0 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5 0,5 0,4

Resorcinol 0,6— - 06 0,6 — 0,6 0,6 0,6

Tracetin 5,8 - 10,9 5,8 5,8 9,2 6,7 6,7 6,4

Lood i>-resorcylaat 4,1 3,0 - 4,1 1,0 - 4,0 4,0 4,2

Koper(II)caproaat 2,0 2,0 1,7 2,0 0,5 2,5 - - -

Roet 1,2 0,6 - 1,2 0,3 0,22 1,2 1,2 1,3

Sucrose-octoacetaat -- 5,8 -

Loodacetoftalaat - - 1,7 - - 2,5 - - - aluminium - - - 4,6 - - - - - RDX - - - - 38,6

Polycaprolacton(isocyanaat verknoopt) - - - - - 3,0 - - -

Dibutylftalaat -1,0 - - - - - - -

Candellillawas - 0,08- - - - - - -

Koperoctanoaat - - - - - - 2,0 - -

Vervolg tabel Stuwstofsamenstelling

Voorbeeld I II III IV V VI VII VIII IX

Samenstelling (gew. delen)

Koperdecanoaat -- _ _ _ _·_ 2,0 -

Koper 2-ethyL- __ „ _ _ _ _ _ 2,0 hexanoaat t

Wijze van vervaar- gieten extru- gieten gieten gieten extruderen extrude- extru- extru- digen deren met oplos— met op- deren deren zonder op- middel losmiddel met op- met losmiddel losmid. oplosmii

Geplatoniseerde brandsnelheid mnr/sec 45 38 5,0-3,5 40 30 5 34 38 39

Geplatoniseerd druk- (mesa) trajekt,100 kPa 175-300 180-S0 30-45 150-300 130-250 20-40 130-250 150-250 175-225

Energie,caL/g (ongeveer) 1026 1079 831 1126 1188 1002 1024 1022 1024

Claims

2. Stuwstofsamenstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk,dat het koper(II) complex bestaat uit het koper(II) complex van capronzuur, caprilzuur, caprinezuur, laurinezuur of 2-ethylhexaanzuur.
3. Stuwstofsamenstelling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ballistische modificator bestaat uit een mengsel van het koper (II) complex en één of meer als stuwstof ballistische modificator werkzame lood- of koperverbindingen .
4. Stuwstofsamenstelling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de lood- of koperverbinding loodstearaat, lood-citraat, loodftalaat, loodacetoftalaat, loodsalicylaat, lood f»-resorcylaat,basisch kopersalicylaat , koper v1 - resorcylaat of koperoxyde is.
5. Stuwstofsamenstelling volgens één der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat deze 1,7-5,0 gew.% koper(II) complex van een alifatisch monocarbonzuur met 6-12 koolstof-atomen in de keten bevat.
6. Stuwstofsamenstelling volgens één der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat deze een stabilisator, weekmaker, brandsnelheidsmoderator , smeermiddel en/of ontvlammings-onderdrukkend middel bevat.
7. Stuwstofsamenstelling volgens één der conclusies 1-6, met het kenmerk, dat deze tenminste één energierijk bestanddeel bevat.
8. Stuwstofsamenstelling volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het energierijk bestanddeel cyclo-1,3,5- trimethyleen-2,4,6-trinitraraine is.
9. Stuwstofsamenstelling volgens één der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat deze een energie van 800-1200 cal/g bezit.
10. Stuwstofsamenstelling volgens één der conclusies 1-9, met het kenmerk, dat deze een brandsnelheid van 4-45 millimeter/sec. heeft.
11. Stuwstofsamenstelling alsmede werkwijzen voor het vervaardigen daarvan zoals beschreven in de beschrijving en .voorbeèlden .