WO1999035108A1 - Treibmittel - Google Patents

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WO1999035108A1
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propellant
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nitramine
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Heinz Jaskolka
Original Assignee
Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik
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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
    • C06B25/34—Compositions containing a nitrated organic compound the compound being a nitrated acyclic, alicyclic or heterocyclic amine

Definitions

  • the present invention relates to a blowing agent which is stable at high temperatures.
  • Propellant bodies the blowing agents from the group of nitrate esters z. B. contain nitrocellulose (NC) are thermally unstable.
  • they In order to be able to use them as blowing agents, however, they must be phlegmatized. This is the only way to ensure controlled combustion. Without phlegmatization, they would be capable of detonation and would react like an explosive in the weapon.
  • every blowing agent must have a precisely coordinated gas production rate for the respective application.
  • the known propellant charge powders based on a nitrocellulose matrix are varied in geometry and thus in the surface of the erosion.
  • the burning rate of the material itself can only be varied within a limited range.
  • the geometry must be kept constant, for example in the case of sleeveless telescopic cartridges, for ignition transmitters, for combustible ones
  • nitramine / binder combinations used include The following disadvantages: They are characterized by extremely poor sensitivity to ignition. The proportion of explosives cannot be increased by more than 86%, otherwise the detonable properties will predominate. If you drop significantly below this value, the performance of the blowing agent decreases rapidly. However, the required performance may be can no longer be guaranteed. In order to control the burning rate and the sensitivity to ignition, the proportion of binder or unphlegmatized explosive has so far been varied. For example, if the burn-up speed has to be reduced for technical reasons, this is done by increasing the proportion of inert. However, a reduction in the sensitivity to ignition must be accepted. The energy balance of the blowing agent has also deteriorated.
  • the object of the present invention was to provide a blowing agent which does not have the disadvantages of the blowing agents known from the prior art.
  • Embodiments are preferably characterized in the subclaims.
  • the solution according to the invention provides to provide a blowing agent in which the burning rate can be varied within a very wide range (ratio 10: 1) without changing the proportion of binder or the porosity.
  • the blowing agent according to the invention is thermally more stable, has a largely variable burning rate and has a sufficiently high sensitivity to ignition.
  • nitro compounds which can be used according to the invention are guanidine, triazole or tetrazole derivatives, preferably nitroguanidine and guanidine nitrate or mixtures thereof, particularly preferably nitroguanidine.
  • the burning rate of the blowing agent known per se consisting of nitramines with desensitizing binders, is reduced by adding the nitro compounds provided according to the invention, without significantly worsening the energy balance.
  • nitro compounds according to the invention from the group of guanidine, triazole and / or tetrazole derivatives are extremely thermally stable, have very little vivacity and are much less explosive than the other explosives belonging to the group of nitramines.
  • the solution according to the invention provides to add the nitro compounds provided according to the invention to the blowing agents known per se from nitramine binder mixtures.
  • the proportion to be mixed can be up to 90% by weight, preferably 5 to 90% by weight, particularly preferably 15 to 85% by weight.
  • the proportion of nitro compounds that can be used according to the invention is varied. In certain cases it is also possible to use compositions which consist exclusively of the nitro compounds and binders provided according to the invention.
  • any desired burning rate can be set, since the nitro compounds provided according to the invention themselves have a low burning rate due to the low energy balance compared to the other nitramines.
  • the nitro compounds provided according to the invention have a positive partial heat of explosion and thus hardly deteriorate the energy balance of the overall composition.
  • the nitro compounds according to the invention do not themselves have to be phlegmatized due to their low risk of explosion, they improve the sensitivity to ignition of the overall composition.
  • the addition of the nitro compounds provided according to the invention serves as a binder additive.
  • the proportion of binder in a known propellant based on nitramines can consequently be reduced.
  • a binder content of 5 to 9% is generally sufficient in the blowing agents composed according to the invention.
  • the proportion of binder can be further reduced by suitable binders.
  • Adequate strength of the blowing agent is crucial. This significantly improves the burning properties.
  • the poor oxygen balance that is usually associated with the use of inert binders is brought to a level that is common with classic NC blowing agents (approx. -40%).
  • the negative oxygen balance is more favorable without the need to use additional combustion moderators or oxygen suppliers such as perchlorates.
  • the nitro compounds provided according to the invention reduce the sensitivity to detonation, friction and impact of the overall composition.
  • the low explosion heat inherent in the nitro compounds provided according to the invention can be compensated for in tube weapons by a high loading density.
  • a loading density of between 1.2 and 1.5 g / cm 3 can be provided.
  • the explosion temperature of the overall composition is also reduced by the nitro compounds provided according to the invention, which has a favorable effect on pipe erosion.
  • the blowing agents according to the invention can be processed to form propellant bodies which are suitable for various purposes. Because of the great variability in the rate of combustion, the propellant charge bodies produced from the propellant according to the invention can be adjusted in an outstanding manner to the required gas production rate. A property that is severely restricted in the known blowing agents. With classic NC-bound blowing agents, the gas production rate is almost exclusively determined by the geometry controlled (propellant powder: (TLP) wall thickness). With the known nitramine-binder combinations, depending on the type of binder, different gas production rates are obtained, but these can only be varied in a small range. Given the geometry of the TLP body, the range of use of the known propellants is thus narrowly limited.
  • the blowing agent according to the invention can be pressed into propellant charge bodies in a manner known per se.
  • a propellant charge body which burns radially from the inside to the outside after being ignited by a booster charge can preferably be constructed in such a way that the inner layer burns much more slowly than the outer layer. This can be achieved by a layered structure when pressing the propellant charge body or by using a combustible sleeve that burns faster than the propellant charge body itself.
  • This so-called heterogeneous structure ensures that the gas supply rate is low at the beginning and is increased with increasing burn-up when the cargo space volume has increased due to the projectile movement. The result is an increase in cartridge performance, an increase in progressiveness.
  • FIG. 1 shows the influence of the addition of nitroguanidine on the burning rate of a propellant charge body consisting of hexogen coated with 15% polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA acts as a binder.
  • Other binders known per se, for example peroxidically crosslinked polymers, polybutadienes, two-component resins, mixtures of such binders can also be used if sufficient mechanical strength can be achieved with them and as long as they are compatible with the explosives.
  • the propellants according to the invention can be used in cartridges, igniter elements, propellant charges or in other propellant bodies.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Treibmittel aus Nitramin und phlegmatisierenden Bindemitteln, das zusätzlich mindestens eine Nitroverbindung enthält.

Description

Treibmittel
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein hochtemperaturstabiles Treibmittel.
Treibladungskörper, die Treibmittel aus der Gruppe der Nitratester z. B. Nitrocel- lulose (NC) enthalten, sind thermisch instabil. Die sogenannten Nitramine, wie z. B. Hexogen, Oktogen oder Nitroverbindungen wie TNT sind dagegen thermisch stabiler. Um sie als Treibmittel verwenden zu können, müssen sie jedoch phleg- matisiert werden. Nur so ist ein kontrollierter Abbrand gewährleistet. Ohne Phlegmatisierung wären sie detonationsfähig und würden in der Waffe wie ein Sprengstoff reagieren.
Bezüglich der Phlegmatisierung unterscheidet man zwischen energetischen und nichtenergetischen Materialien, die häufig auch gleichzeitig als Binder wirken. Grundsätzlich muß jedes Treibmittel für den jeweiligen Einsatzzweck eine genau abgestimmte Gasproduktionsrate besitzen. Allgemein üblich wird den bekannten Treibladungspulvern auf Basis einer Nitrocellulose-Matrix die Geometrie und somit die Abbrandoberfläche variiert. Die Abbrandgeschwindigkeit des Materials selbst ist nur in einem begrenzten Bereich variabel. Muß die Geometrie aus bestimmten Gründen konstant gehalten werden, beispielsweise bei hülsenlosen Teleskoppatronen, bei Anzündüberträgern, bei verbrennbaren
Trägerkomponenten oder ähnlichen Komponenten, ist es fast immer notwendig, die Abbrandgeschwindigkeit an die Anforderungen anzupassen. Bei den dabei eingesetzten Nitramin/Binder-Kombinationen läßt sich durch Wahl des Binders (energetisch oder inert) oder der Porosität die Abbrandgeschwindigkeit in einem sehr viel weiteren Bereich anpassen, als bei den herkömmlichen Treibmitteln auf NC-Basis. Jedoch sind auch dabei Nachteile in Kauf zu nehmen. Mit energetischen Bindern läßt sich die Abbrandgeschwindigkeit nicht genügend absenken. Mit einem hohen Anteil an inerten Bindern ist dies zwar möglich, doch verschlechtert sich die Energiebilanz und die Anzündwilligkeit, da zur ausreichenden Phlegmatisierung ein ziemlich hoher Anteil an Bindern, meist über 15 Gew.-%, notwendig ist.
Phlegmatisierte Systeme sind beispielsweise schon für sogenannte LOVA-An- wendungen verwendet worden. Die dabei eingesetzten Nitramin/Binder-Kombinationen weisen u.a. folgende Nachteile auf: Sie zeichnen sich durch eine extrem schlechte Anzündempfindlichkeit aus. Der Explosivstoffanteil kann nicht über 86 % erhöht werden, da sonst die detonationsfähigen Eigenschaften überwiegen. Unterschreitet man diesen Wert deutlich, nimmt die Leistung des Treibmittels rapide ab. Die erforderliche Leistung ist damit aber u.U. nicht mehr zu gewährleisten. Um die Abbrandgeschwindigkeit und die Anzündempfindlichkeit zu steuern, wird bisher der Anteil an Binder oder an unphlegmatisiertem Explosivstoff variiert. Muß beispielsweise aus waffentechnischen Gründen die Abbrandgeschwindigkeit abgesenkt werden, erfolgt dies durch Erhöhung des Inertanteils. In Kauf zu nehmen ist dabei allerdings die Reduzierung der Anzündempfindlichkeit. Die Energiebilanz des Treibmittels ist ebenfalls verschlechtert.
Die Erhöhung der Porosität führt zwar zu höherer Abbrandgeschwindigkeit, ver- ringert aber gleichzeitig die Materialdichte (Energiedichte).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein Treibmittel bereitzustellen, das die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Treibmittel nicht aufweist.
Gelöst wurde diese Aufgabe durch ein Treibmittel mit den Kennzeichen des Hauptanspruchs. Vorzugsweise Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen charakterisiert. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, ein Treibmittel bereitzustellen, bei dem die Abbrandgeschwindigkeit in einem sehr weiten Bereich variiert werden kann (Verhältnis 10:1 ), ohne den Binderanteil oder die Porosität zu verändern.
Das erfindungsgemäße Treibmittel ist thermisch stabiler, verfügt über eine weitgehend variierbare Abbrandgeschwindigkeit und über eine ausreichend hohe Anzündempfindlichkeit. Dies wurde erfindungsgemäß überraschenderweise durch den Einsatz einer zweiten Nitrokomponente, neben mindestens einem weiteren Nitramin erreicht, wobei zu beachten ist, daß die erfindungsgemäß einsetzbare Nitrokomponente eine sehr niedrige Abbrandgeschwindigkeit aufweisen und sich weitgehend explosionsungefährlich verhalten. Beispiele solcher erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen sind Guanidin-, Triazol- oder Tetrazolderivate, vorzugsweise Nitroguanidin und Guanidinnitrat oder deren Mischungen, besonders bevorzugt Nitroguanidin.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Abbrandgeschwindigkeit des an sich bekannten, aus Nitraminen mit phlegmatisierenden Bindemitteln bestehenden Treibmittels durch Zusatz der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zu reduzieren, ohne die Energiebilanz deutlich zu verschlechtern.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen aus der Gruppe der Guanidin-, Triazol- und/oder Tetrazolderivate sind thermisch äußerst stabil, weisen eine sehr geringe Lebhaftigkeit auf und sind wesentlich weniger explosionsgefährlich, als die anderen, der Gruppe der Nitramine angehörenden Explosiv- Stoffe.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, den an sich bekannten Treibmitteln aus Nitramin-Bindergemischen die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zuzufügen. Der zuzumischende Anteil kann bis zu 90 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 85 Gew.-% ausmachen. Je nach geforderter Abbrandgeschwindigkeit wird der Anteil der erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen variiert. In bestimmten Fällen sind auch Zusammensetzungen einsetzbar, die ausschließlich aus den erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen und Bindemitteln bestehen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß durch Zumischung der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen zum phlegmatisierten Nitramin-Treibmit- tel jede gewünschte Abbrandgeschwindigkeit eingestellt werden kann, da die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen selbst eine niedrige Abbrand- geschwindigkeit aufgrund der niedrigen Energiebilanz im Vergleich zu den anderen Nitraminen besitzen.
Im Vergleich zu den bisher verwendeten inerten Bindemitteln besitzen die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen eine positive partielle Explosi- onswärme und verschlechtern damit die Energiebilanz der Gesamtzusammensetzung kaum.
Da die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen aufgrund ihrer geringen Explosionsgefährlichkeit selbst nicht phlegmatisiert werden müssen, verbes- sern sie die Anzündempfindlichkeit der Gesamtzusammensetzung. Gleichzeitig dient die Zugabe der erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen als Bindemittelzusatz. Der Bindemittelanteil eines an sich bekannten Treibmittels auf der Basis von Nitraminen kann folglich herabgesetzt werden. Ein Binderanteil von 5 bis 9 % ist in den erfindungsgemäß zusammengesetzten Treibmitteln in der Regel ausreichend. Durch geeignete Bindemittel läßt sich der Bindemittelanteil weiter reduzieren. Entscheidend ist eine ausreichende Festigkeit des Treibmittels. Die Abbrandeigenschaften werden dadurch deutlich verbessert. Die sonst mit dem Einsatz von inerten Bindemitteln einhergehende schlechte Sauerstoffbilanz wird damit auf ein Niveau gebracht, das bei klassischen NC-Treibmitteln üblich ist (ca. -40 %). lm Vergleich zu phlegmatisierten Nitramin-Treibmitteln fällt die negative Sauerstoffbilanz günstiger aus, ohne daß zusätzliche Abbrandmoderatoren oder Sauerstofflieferanten wie beispielsweise Perchlorate eingesetzt werden müssen.
Aufgrund ihrer geringen Explosionsgefährlichkeit reduzieren die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen die Detonations-, Reib- und Schlagempfindlichkeit der Gesamtzusammensetzung.
Die den erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen eigene niedrige Explosionswärme kann in Rohrwaffen durch eine hohe Ladedichte ausgeglichen werden. Mit den erfindungsgemäß einsetzbaren Nitroverbindungen kann eine Ladedichte zwischen 1 ,2 und 1 ,5 g/cm3 vorgesehen werden. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Nitroverbindungen wird außerdem die Explosionstempera- tur der Gesamtzusammensetzung herabgesetzt, was die Rohrerosion günstig beeinflußt.
Außerdem ist die Abhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit von der Temperatur deutlich geringer bei den erfindungsgemäß zusammengesetzten Treibmitteln als bei herkömmlichen NC-gebundenen Treibmitteln. Dies führt gegenüber herkömmlichen Nitrocellulose (NC)-gebundenen Treibmitteln zu niedrigeren Druck/Temperaturgradienten.
Die erfindungsgemäßen Treibmittel lassen sich zu Treibladungskörper verarbei- ten, die für verschiedene Verwendungszwecke geeignet sind. Wegen der großen Variabilität der Abbrandgeschwindigkeit lassen sich die aus dem erfindungsgemäßem Treibmittel hergestellten Treibladungskörper in hervorragender Weise auf die erforderliche Gasproduktionsrate einstellen. Eine Eigenschaft, die bei den bekannten Treibmitteln stark eingeschränkt ist. Bei den klassischen NC gebundenen Treibmitteln wird die Gasproduktionsrate nahezu ausschließlich über die Geome- trie gesteuert (Treibladungspulver: (TLP)-Wandstärke). Bei den bekannten Nitramin-Bindemittelkombinationen erhält man je nach Bindemittel-Typ unterschiedliche Gasproduktionsraten, die aber nur in einem kleinen Bereich variabel gestaltet werden können. Bei vorgegebener Geometrie des TLP-Körpers ist damit der Einsatzbereich der bekannten Treibmittel eng begrenzt.
Das erfindungsgemäße Treibmittel kann in an sich bekannter Weise zu Treibladungskörper verpreßt werden. Ein Treibladungskörper, der nach Anzündung durch eine Boosterladung radial von innen nach außen abbrennt, kann vorzugs- weise so aufgebaut werden, daß die innere Schicht wesentlich langsamer abbrennt, als die äußere Schicht. Erreicht werden kann dies durch einen schichtweisen Aufbau beim Pressen der Treibladungskörper oder durch den Einsatz einer verbrennbaren Hülse, die schneller abbrennt, als der Treibladungskörper selbst. Durch diesen sogenannten heterogenen Aufbau wird erreicht, daß am Anfang die Gaslieferungsrate gering ist und mit zunehmenden Abbrand gesteigert wird, wenn das Ladungsraumvolumen sich durch die Geschoßbewegung vergrößert hat. Das Ergebnis ist eine Leistungssteigerung der Patrone, eine Steigerung der Progres- sivität.
In Figur 1 ist der Einfluß der Zumischung von Nitroguanidin auf die Abbrandgeschwindigkeit eines aus mit 15 % Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichteten Hexogen bestehenden Treibladungskörpers gezeigt. Das PMMA fungiert hierbei als Binder. Auch andere, an sich bekannte Binder, beispielsweise peroxidisch vernetzte Polymere, Polybutadiene, Zweikomponentenharze, Mischungen solcher Binder können eingesetzt werden, wenn damit eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht werden kann und solange sie mit den Explosivstoffen verträglich sind.
Die erfindungsgemäßen Treibmittel können in Patronen, Anzündelementen, Treibsätzen oder in sonstigen Treibladungskörpern eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Treibmittel aus Nitramin und phlegmatisierenden Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich mindestens eine Nitroverbindung enthält.
2. Treibmittel gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Nitramin aus Hexogen oder Oktogen und die Nitroverbindung aus der Gruppe der Guanidinderivate, der Triazol- oder Tetrazolderivate oder aus deren Mischungen ausgewählt ist.
3. Treibmittel gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitroverbindung aus Nitroguanidin oder Guanidinnitrat oder aus deren Mischungen ausgewählt ist.
4. Treibmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Nitroverbindung an der Gesamtzusammensetzung bis zu 90 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 85 Gew.-% ausmacht.
5. Treibmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Bindemittels 5 bis 9 Gew.-% ausmacht.
6. Treibmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Sauerstoffbilanz maximal 40 % ausmacht.
7. Verwendung des Treibmittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in Patronen, Anzündelementen, Treibsätzen oder sonstigen Treibladungskörpern.
8. Verwendung des Treibmittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in hetero- gen aufgebauten Treibladungskörpern.
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