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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbrandbeschleunigung einer pyrotechnischen Wirkmasse, welche einen Brennstoff, ein Oxidationsmittel für den Brennstoff, und optional ein Bindemittel umfasst. Im Stand der Technik ist Ferrocen als Katalysator in Raketentreibmitteln bekannt. Ferrocen beschleunigt den Abbrand der Raketentreibmittel jedoch nur um maximal etwa 20%.
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Aus der
DE 10 2010 053 812 A1 ist eine pyrotechnische Scheinzielwirkmasse für Infrarotscheinziele bekannt. Diese pyrotechnische Scheinzielwirkmasse umfasst erste Partikel, die einen ersten Brennstoff umfassen und zweite Partikel, die einen zweiten Brennstoff umfassen. Dabei sind die ersten Partikel kleiner als die zweiten Partikel, so dass sie nach einer Zündung der Scheinzielwirkmasse an Luft schneller verbrennen als die zweiten Partikel.
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Aus der
DE 43 37 071 C1 ist ein pyrotechnischer Nebelsatz für Tarnzwecke bekannt, in welchem Verbindungen von Grafit eingebracht sind, die in der Reaktionszone des pyrotechnischen Satzes freigegeben werden, wobei die Expansion der Verbindungen des Grafits in Richtung der zur Gitterebene senkrechten C-Achse erfolgt.
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Kinematische pyrotechnische Scheinziele sind üblicherweise so aufgebaut, dass der Abbrand der Wirkmasse im Inneren der Wirkmasse erfolgt. Dazu ist üblicherweise in der Mitte der Wirkmasse ein Brennkanal angeordnet. Durch den Brennkanal wird die in einem bestimmten Volumen bereitstellbare Wirkmassenmenge reduziert. Vorteilhafter für ein kinematisches pyrotechnisches Scheinziel ist ein Aufbau, bei dem die Wirkmasse von einer Stirnseite her abbrennt, weil ein solcher Aufbau einfacher ist und durch ein Entfallen des Brennkanals pro Volumeneinheit mehr Wirkmasse untergebracht werden kann. Ein solcher sogenannter Stirnbrenner funktioniert zuverlässiger und lässt sich leichter und schneller anzünden als eine als Innenbrenner ausgelegte Wirkmasse. Bisher gibt es jedoch keine Wirkmasse, die schnell genug abbrennt um bei einem solchen Aufbau als Scheinziel zu funktionieren.
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Ein Scheinziel ist üblicherweise circa 150 mm lang und soll maximal 5 Sekunden brennen. Bei einer Auslegung des Scheinziels als Stirnbrenner müsste daher die Abbrandrate mindestens 30 mm/s sein, um die gewünschte Abbrandzeit einzuhalten.
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Herkömmliche Wirkmassen für Scheinziele brennen jedoch maximal mit einer Geschwindigkeit von 12 mm/s. Zur Beschleunigung des Abbrands können sogenannte Abbrandkatalysatoren eingesetzt werden. Der bekannte Abbrandkatalysator Ferrocen beschleunigt jedoch den Abbrand lediglich um etwa 20%.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Abbrandbeschleunigung einer pyrotechnische Wirkmasse mit einem Abbrandbeschleunigungsmittel bereitzustellen welches einen schnelleren Abbrand der Wirkmasse ermöglicht als der Einstz des bekannten Ferrocens.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13.
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Die Erfindung kommt bei einer pyrotechnischen Wirkmasse, welche einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel für den Brennstoff umfasst, in Form eines Abbrandbeschleunigungsmittels zum Einsatz. Ein optional vorgesehenes Bindemittel kann entfallen, wenn eine andere Komponente der Wirkmasse eine bindende Eigenschaft aufweist. Das Abbrandbeschleunigungsmittel liegt dabei in Form von Partikeln vor, die in der Wirkmasse verteilt sind, wobei das Abbrandbeschleunigungsmittel ein durch Zufuhr von Wärme mindestens um einen Faktor 2 expandierbarer Feststoff ist. Durch das Expandieren des Feststoffs wird nicht die chemische Reaktion der Wirkmasse bei deren Abbrand, sondern die Struktur der Wirkmasse bei deren Abbrand rein physikalisch geändert. Durch das Expandieren des Feststoffs unter Wärmezufuhr wird die Wirkmasse an der brennenden Oberfläche zerkrümelt, so dass die brennende Fläche vergrößert wird. Je größer die brennende Fläche ist, desto höher ist der Massendurchsatz der brennenden Wirkmasse. Durch das Abbrandbeschleunigungsmittel können erheblich höhere Abbrandraten erreicht werden als mit bekannten chemischen Abbrandkatalysatoren. Chemische Modifikationen der Wirkmasse sind zum Einbringen des rein physikalisch wirkenden Abbrandbeschleunigungsmittels nicht erforderlich. Das Abbrandbeschleunigungsmittel kann dadurch mit allen bekannten Wirkmassen kombiniert werden. Bei der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse kann es sich um eine Wirkmasse für ein Scheinziel oder einen Treibstoff handeln.
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Das Abbrandbeschleunigungsmittel kann auch mit chemischen oder beliebigen anderen Katalysatoren kombiniert eingesetzt werden. Dadurch können noch höhere Abbrandraten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse besteht darin, dass das darin enthaltene Abbrandbeschleunigungsmittel mit üblichen Brennstoffen, Oxidationsmitteln und Bindemitteln bei den üblichen Lagerungstemperaturen nicht reagiert und somit die Lagerfähigkeit der Wirkmasse nicht beeinträchtigt. Schwarzkörperscheinziele können mit der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse als Stirnbrenner ausgelegt werden. Damit kann das gesamte zur Verfügung stehende Volumen eines Scheinziels ausgenutzt werden, weil keine Ausnehmung in der Wirkmasse für den Abbrand der Wirkmasse als Innenbrenner und zur Anzündung erforderlich sind. Eine bei bisherigen Scheinzielwirkmassen erforderliche Anfeuerungspaste ist bei der erfindungsgemäßen Wirkmasse nicht erforderlich. Dadurch wird die Sicherheit eines mit der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse ausgestatteten Scheinziels erhöht und die Fertigung eines die Wirkmasse enthaltenden Scheinziels vereinfacht. Weiterhin ist ein bei bisherigen Scheinzielwirkmassen üblicher Anfeuerungsverzug erheblich verkürzt, weil nur eine kleine Fläche angezündet werden muss. Darüber hinaus sind expandierbare Feststoffe im Allgemeinen preisgünstig und leicht gewerblich erhältlich.
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Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse sind die Partikel in der Wirkmasse gleichmäßig verteilt. Dadurch wird ein gleichmäßiger und vorhersehbarer schneller Abbrand erreicht.
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Die Partikel können eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,01 mm bis 6 mm, insbesondere 0,1 mm bis 5 mm, aufweisen. Bei dem Abbrandbeschleunigungsmittel kann es sich um einen durch Zufuhr von Wärme mindestens um einen Faktor 5, 10, 20, 50, 100, 200 oder 500 expandierbaren Feststoff handeln. In der Wirkmasse kann das Abbrandbeschleunigungsmittel mit einem Anteil von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 1 bis 5 Gew.-%, enthalten sein.
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Bei dem Abbrandbeschleunigungsmittel kann es sich um einen Blähgrafit oder ein Natriumsilikat handeln. Noch nicht expandierter Blähgrafit hat neben seiner expandierenden Wirkung, insbesondere wenn es sich dabei um grobkörnigen Blähgrafit handelt, eine wärmeleitende Wirkung. Er kann Wärme aus der Flamme in die noch unverbrannte Wirkmasse leiten und dadurch den Abbrand weiter beschleunigen. Eine weitere Wirkung des Blähgrafits besteht darin, dass expandierter Blähgrafit eine wärmeisolierende Schicht an der Oberfläche der Wirkmasse bildet. Diese Schicht hält die Hitze an der Oberfläche zurück und glüht gleichzeitig in einer oberhalb der Oberfläche brennenden Flamme. Beide Effekte und die Wärmeleitung des noch nicht expandierten Blähgrafits führen Hitze aus der Flamme auf die Oberfläche der Wirkmasse zurück. Dadurch wird der Abbrand der Wirkmasse weiter beschleunigt.
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Die Wirkmasse kann auch einen porösen und/oder wärmeleitenden Zusatzstoff enthalten. Wärmeleitende Zusatzstoffe beschleunigen die Verbrennung, indem sie Wärme aus der Flamme in die Wirkmasse leiten. Der Zusatzstoff kann, insbesondere gebündelte, Kohlefasern, Holzkohle und/oder Aktivkohle umfassen. Kohlefasern leiten jeweils mit ihrem ersten Ende Wärme in die Wirkmasse während sich deren zweites Ende in der Flamme befindet. Gleichzeitig entsteht im Bereich der ersten Enden der Kohlefasern in der Wirkmasse jeweils eine Pore, da die die jeweilige Kohlefaser umgebende Wirkmasse durch die eingeleitete Wärme vergast wird. Die in der Wirkmasse gebildeten Poren vergrößern deren Oberfläche und beschleunigen dadurch deren Abbrand. Bei gebündelten Kohlefasern sind durch die Bündelung porenartige Hohlräume vorhanden, da die Fasern jeweils einen runden Querschnitt aufweisen und dadurch nicht vollständig bündig aneinanderliegen können. Die Porosität des Zusatzstoffs bewirkt eine weitere Beschleunigung des Abbrands.
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Der Abbrand der erfindungsgemäß modifizierten Wirkmasse kann durch die folgenden 4 Effekte beschleunigt werden:
- 1. Mechanische Zerkleinerung der brennenden Oberfläche,
- 2. Wärmeisolierung der Oberfläche und somit höhere Oberflächentemperatur an der abbrennenden Wirkmasse,
- 3. stärkere Rückstrahlung auf die Oberfläche der Wirkmasse von glühendem Abbrandbeschleunigungsmittel und
- 4. Wärmeleitung aus der Flamme in die Wirkmasse.
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Der Brennstoff kann ein Metall, ein Halbmetall oder eine Mischung oder Legierung aus Metallen und/oder Halbmetallen oder eine Mischung oder Legierung aus mindestens einem Metall und mindestens einem Halbmetall umfassen. Der Brennstoff kann Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Calcium, Lithium, Niob, Wolfram, Mangan, Eisen, Nickel, Kobalt, Zink, Zinn, Blei, Bismut, Tantal, Molybdän, Vanadium, Bor, Silizium, eine Legierung oder Mischung aus mindestens zwei dieser Metalle oder Halbmetalle, eine Zirkonium-Nickel-Legierung oder -Mischung, eine Aluminium-Magnesium-Legierung oder -Mischung, eine Lithium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Calcium-Aluminium-Legierung oder -Mischung, eine Eisen-Titan-Legierung oder -Mischung, eine Zirkonium-Titan-Legierung oder -Mischung, oder eine Lithium-Silizium-Legierung oder -Mischung umfassen.
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Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Molybdän und Vanadium können mit den Kohlestoffpartikeln oder daraus entstehenden Rußpartikeln Carbide bilden. Der Kohlenstoff dient dabei als Oxidationsmittel oder weiteres Oxidationsmittel für die genannten Metalle. Die resultierenden Carbide liegen bei den beim Abbrand der Wirkmasse entstehenden Temperaturen als Feststoffe vor und emittieren als Carbidpartikel Strahlung.
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Bei dem Bindemittel kann es sich um ein Fluorelastomer, insbesondere ein Fluorkautschuk, wie beispielsweise Viton® der Firma ”DuPont Performance Elastomers”, handeln. Das Oxidationsmittel kann ein halogenhaltiges Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polychloropren, sein. Weiterhin kann die Wirkmasse zur Beschleunigung des Abbrands einen Abbrandkatalysator, insbesondere Ferrocen, Eisenacetonylacetat oder Kupferphtalocyanin, enthalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die im Folgenden angegebenen Zusammensetzungen der Beispiele 1 bis 10 wurden wie folgt hergestellt:
Die trockenen Komponenten und 5 leitfähige Gummiwürfel wurden in einem 250 ml Mischgebinde für eine Stunde mittels eines Mischers bei 120 Umdrehungen/Minute gemischt. Die resultierende Mischung wurde in eine Edelstahlschüssel entleert, die Gummiwürfel entfernt und als Bindemittel 3 M Fluorel FC-2175 Fluorkautschuk als 10%-ige Lösung in Aceton zugegeben. Die Masse wurde zu einem homogenen Teig verrührt und solange gemischt, bis das Aceton soweit verdunstet ist, dass die Masse granulär wurde. Das entstandene Granulat wurde bei 50°C getrocknet.
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10 g des Granulats wurden jeweils zu Tabletten gepresst. Das Presswerkzeug hatte dabei einen Innendurchmesser von 16,8 mm. Der Pressdruck betrug 1500 bar. Die Dichten der Tabletten lagen zwischen 85 und 95% der theoretischen maximalen Dichte (TMD). Alle Tabletten wurden auf ihren Zylinderflächen mit Polychloropren (Macroplast) lackiert und mit Polychloropren auf 80 × 80 × 5 mm Stahlplatten geklebt, um deren Abbrand auf eine freie Stirnfläche zu begrenzen. Die Tabletten wurden über Nacht bei Raumtemperatur trocknen gelassen.
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Die Beispiele 11 und 12 betreffen gegossene Wirkmassen und wurden wie folgt hergestellt:
Alle Komponenten, insgesamt 50 g, wurden in einer Edelstahlschüssel unter Zusatz von 10 g Dichlormethan zu einem gleichmäßigen Teig verarbeitet und anschließend auf eine PTFE-Folie gestreut und bei 50°C für eine Stunde getrocknet, um das Dichlormethan zu entfernen. Das entstandene Granulat wurde in dem Presswerkzeug mit 16,8 mm Innendurchmesser händisch zusammengedrückt und ausgestoßen. Dadurch wurde ein circa 35 mm langer zylindrischer Körper hergestellt. Dieser Körper wurde 48 Stunden bei 60°C ausgehärtet und anschließend auf seiner Zylinderfläche mit Polychloroprenlack lackiert, um die Anzündung auf dieser Fläche zu hemmen. Dann wurde der Körper auf eine 80 × 80 × 5 mm Stahlplatte geklebt, damit sich der Zylinder während der Abbrandzeitmessung nicht bewegen kann. Die Stahlplatten mit den Tabletten und den zylindrischen Körpern wurden jeweils auf einem Stativ befestigt und auf der jeweiligen Stirnfläche gezündet. Der Abbrand wurde mit einer Videokamera aufgezeichnet. Aus den Aufzeichnungen wurden die Abbrandzeiten ermittelt. Die Abbrandraten wurden anschließend aus der Tabletten- bzw. Zylinderlange und der Abbrandzeit berechnet. Beispiel 1: Standard-MTV(Magnesium-Teflon
®-Viton)-Wirkmasse nach dem Stand der Technik:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 35,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1881 |
Abbrandrate 3,0 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 2: Standard-MTV-Wirkmasse mit Grafitpulver:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | Ecka Non-ferrum LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 30,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1852 |
| Grafitpulver | Merck 1.04206.2500 | 5,0 | |
Abbrandrate 3,0 mm/s bei normalem Druck. Der Grafit hat keinen Einfluss auf die Abbrandrate. Beispiel 3: Standard-MTV-Wirkmasse mit Kupferphtalocyanin als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | Ecka Non-ferrum LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 34,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1861 |
| Kupferphtalocyanin | BASF Vossenblau | 1,0 | |
Abbrandrate 3,2 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 4: Standard-MTV-Wirkmasse mit Ferrocen als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | Ecka Non-ferrum LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 34,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1859 |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
Abbrandrate 3,5 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 5: Erfindungsgemäße MTV-Wirkmasse mit Blähgrafit als Abbrandbeschleunigungsmittel:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | Ecka Non-ferrum LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 30,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1852 |
| Blähgrafit | NGS ExEF-80 | 5,0 | |
Abbrandrate 8,0 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 6: Erfindungsgemäße MTV-Wirkmasse mit Blähgrafit als Abbrandbeschleunigungsmittel und Ferrocen als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | Ecka Non-ferrum LNR 61 | 60,0 | |
| Teflonpulver | Dyneon TF 9205 | 30,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | TMD = 1850 |
| Blähgrafit | NGS ExEF-80 | 4,0 | |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
Abbrandrate 10,0 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 7: Schnell abbrennender Standard-Schwarzkörpersatz mit Ferrocen als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | SFM MGP-325 | 55,0 | |
| Teflon | Fluon G163 | 18,0 | TMD = 1844 |
| Bor | 1 μm | 8,0 | |
| Titan | Chemetall Typ E μm | 6,0 | |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 12,0 | |
Abbrandrate 11,0 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 8: Erfindungsgemäßer schnell abbrennender Schwarzkörpersatz mit Blähgrafit als Abbrandbeschleunigungsmittel und Ferrocen als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | SFM MGP-325 | 50,0 | |
| Blähgrafit | NGS ExEF-150 | 5,0 | |
| Teflon | Fluon 0163 | 18,0 | TMD = 1867 |
| Bor | 1 μm | 8,0 | |
| Titan | Chemetall Typ E | 6,0 | |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 12,0 | |
Abbrandrate 24 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 9: Schnell abbrennender Schwarzkörpersatz mit Ferrocen als Abbrandkatalysator und Kohlefasern als wärmeleitenden Zusatzstoff:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | SFM MGP-325 | 53,0 | |
| Grafitfluorid | Edelgraphit GmbH weiss CF1.1 | 22,0 | TMD = 1963 |
| Bor | 1 μm | 4,0 | |
| Titan | Svenska kemi
0–100 μm | 7,0 | |
| Kohlefaserschnitzel | Furthfil 150 3 mm | 8,0 | |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | |
Abbrandrate 16,0 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 10: Erfindungsgemäßer schnell abbrennender Schwarzkörpersatz mit Blähgrafit als Abbrandbeschleunigungsmittel, Kohlefasern als wärmeleitenden Zusatzstoff und Ferrocen als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Magnesium | SFM MGP-325 | 48,0 | |
| Blähgrafit | NGS ExEF-80 | 5,0 | |
| Grafitfluorid | Edelgraphit GmbH weiss CF1.1 | 22,0 | TMD = 1970 |
| Bor | 1 μm | 4,0 | |
| Titan | Svenska kemi
0–100 μm | 7,0 | |
| Kohlefaserschnitzel | Furthfil 150 3 mm | 8,0 | |
| Ferrocen | Arapahoe Chemicals | 1,0 | |
| Viton | 3 M Fluorel FC-2175 | 5,0 | |
Abbrandrate 100 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 11: Herkömmliches Raketentreibmittel mit Eisenacetonylacetat als Abbrandkatalysator:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Ammoniumperchlorat | 100 μm | 85,50 | |
| HTPB | R45HT-M M = 2800 | 13,47 | |
| IPDI | | 1,01 | TMD = 1678 |
| Eisenacetonylacetat | | 0,02 | |
HTPB = Hydroxyl-terminiertes Polybutadien
IPDI = Isophorondiisocyanat
Abbrandrate 1,6 mm/s bei normalem Druck. Beispiel 12: Erfindungsgemäßes Raketentreibmittel mit Eisenacetonylacetat als Abbrandkatalysator und Blähgrafit als Abbrandbeschleunigungsmittel:
| Stoff | Typ | Gew.-% | Sonstiges |
| Ammoniumperchlorat | 100 μm | 84,50 | |
| HTPB | R45HT-M M = 2800 | 11,63 | |
| IPDI | | 0,87 | TMD = 1711 |
| Blähgrafit | NGS Ex 150 SC | 3,0 | |
| Eisenacetonylacetat | | 0,02 | |
Abbrandrate 4,5 mm/s bei normalem Druck.