DE19823999A1 - Verfahren zur Herstellung pyrotechnischer Anzündsätze - Google Patents
Verfahren zur Herstellung pyrotechnischer AnzündsätzeInfo
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Abstract
Pyrotechnische Anzündsätze werden auf der Basis von Metallpulvern oder Metallhydridpulvern, Kaliumperchlorat und Bindern hergestellt. Um eine homogene Mischung zu erhalten, wird vorgeschlagen, die pulverförmigen Komponenten mit einem flüssigen Dispergiermittel in einer Suspension mit Hilfe von Ultraschall zu vermischen und in dieser Konsistenz zu dosieren. Das Mischen zu einer Suspension kann auch unmittelbar in einem den pyrotechnischen Anzündsatz aufnehmenden Gehäuse erfolgen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung pyrotechnischer Anzündsätze auf der Basis von
Metallpulvern oder Metallhydriden, Kaliumperchlorat und
Bindern.
Pyrotechnische Sätze sind Gemische von festen Stoffen in
zumeist pulverförmigen Zustand, deren Komponenten
hauptsächlich aus Reduktionsmitteln und Oxidationsmitteln
bestehen. Bei Zuführen einer der geeigneten Menge Energie,
z. B. in Form einer Anzündflamme, wird ein Redoxvorgang
eingeleitet: der pyrotechnische Satz brennt je nach Aufbau
und Anordnung mehr oder weniger heftig ab.
Pyrotechnische Sätze finden vielfältige Verwendung und
werden z. B. als Zündköpfe von Streichhölzern, in Leucht-
und Signalmunition, in Rauch- und Nebelkörpern, in
Gasgeneratoren, z. B. für Sicherheitsluftkissen (Airbags)
und in zahlreichen verschiedenen Anordnungen bei
Feuerwerkskörpern benutzt.
Die Herstellung pyrotechnischer Sätze erfolgt zumeist durch
trockenes Vermischen der einzelnen Bestandteile. Geschieht
dieses von Hand, so werden die zerkleinerten Komponenten
durch Siebe gedrückt und durchgemischt. Bei maschinellem
Mischen werden die Komponenten des pyrotechnischen Satzes
eventuell nach vorheriger Zerkleinerung unvermischt in
Behälter gefüllt und in diesem durch Rührer, Drehbewegungen
des Mischbehälters oder Scherkräfte applizierende
Einrichtungen homogen vermischt. Als Mischgeräte werden
Taumelmischer, Tetraedermischer, Planetenmischer oder
daraus abgeleitete und auch kombinierte Mischapparate
verwendet.
Oft werden pyrotechnische Sätze als Granulat verwendet,
weil sie sich in dieser Form besser schütten und dosieren
lassen. Die Granulierung geschieht durch Zufügen eines
geeigneten Lösemittels zum trockenen Satz und Vermischen in
Spezialbehältern. Dabei kann das Lösemittel den Binder
bereits gelöst enthalten oder die Binderkomponente, welche
mit dem Lösemittel quellfähig oder in ihm löslich ist,
befindet sich bereits in Pulverform im pyrotechnischen
Satz, so daß bei Zugabe des Lösemittels sich adhäsive
Kräfte ausbilden können, die schließlich zur Granulatform
führen. Zur Ausbildung der Granulatform sind spezielle
Granulatmischer vorgesehen. Durch anschließendes Trocknen
wird das Lösemittel wieder entfernt, so daß man ein
dosierfähiges Schüttgut erhält.
Wenn die Komponenten des pyrotechnischen Satzes sehr fein
sind oder wenn die in ihnen gespeicherte chemische Energie
groß ist, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Gefahr
bei der Herstellung beherrschbar zu halten. Die mechanische
und thermische Empfindlichkeit dieser Sätze ist oft so
ausgeprägt, daß sich ein Umgang mit ihnen ohne geeignete
Sicherheitsmaßnahmen verbietet.
Der Gefährlichkeit bei der Herstellung tragen zahlreiche
Sicherheitsvorschriften Rechnung. So werden die
pyrotechnischen Sätze z. B. bei den
berufsgenossenschaftlichen Unfallverhütungsvorschriften
entsprechend ihrer Gefährlichkeit in Gruppen eingeteilt,
die abgestufte Sicherheitsvorkehrungen bei der Herstellung
der Sätze fordern. Die beiden gefährlichsten Gruppen dürfen
nicht mehr von Hand gemischt werden. Sie werden hinter
Schutzwänden oder in einem abgeteiltem Raum automatisch
gemischt, der vom Bedienungsraum durch eine Widerstandswand
getrennt ist. Diese Art der Herstellung nennt man
gewöhnlich "Arbeiten unter Sicherheit". Dies gilt primär
für trockene pulverige Komponenten.
Werden beim Mischen Maßnahmen ergriffen, welche die
Auslösbarkeit und die mechanische oder thermische
Empfindlichkeit der Sätze herabsetzen, so können in der
obigen Gruppeneinteilung Herabstufungen vorgenommen werden.
Eine Maßnahme hierfür ist z. B., die Komponenten nicht
trocken, sondern zusammen mit einer Flüssigkeit zu mischen.
Dieses Verfahren findet besonders Anwendung beim Mischen
von pyrotechnischen Anzündsätzen. Unter Zusatz von
Lösemitteln, z. B. Wasser, können die pyrotechnischen
Anzündsätze wesentliche gefahrloser als in trockenem
Zustand hergestellt werden. Trotzdem ist die in
Anzündsätzen gespeicherte Energie so hoch, daß die Wirkung
einer unfallbedingten Auslösung deren Verarbeitung von Hand
auch im feuchten Zustand verbietet. Zudem muß die
Mischungsmenge in der Masse klein gehalten werden, in der
Regel unter 100 Gramm, so daß eine Auslösung auch bei der
Herstellung unter Sicherheit beherrschbar bleibt.
Eine weitere Schwierigkeit bei diesem Verfahren ist die
Bemessung der Flüssigkeitsmenge. Sie muß einerseits so groß
sein, daß die Gefahr einer Auslösung bei der Mischung des
Satzes deutlich gesenkt wird; andererseits erhöht sich mit
steigender Flüssigkeitsmenge auch die anschließende
Trocknungsdauer; außerdem nimmt die Gefahr der Riß- und
Lunkerbildung beim Trocknen zu: Risse und Lunker gefährden
die sichere Funktion des Anzündsatzes bei dessen Anzündung.
Da nach der Herstellung der Mischung bei der anschließenden
Dosierung für den Anwendungsfall die Flüssigkeit mitdosiert
wird, am eigentlichen Umsatz der Anzündmischung jedoch
nicht beteiligt ist, muß der Flüssigkeitsgehalt der
Mischung genau bestimmbar sein und auch während des
Dosierens konstant gehalten werden. Nur dann werden die
Anzündsätze bei der anschließenden Trocknung gleichmäßige
Eigenschaften aufweisen.
Des weiteren ist es bekannt, daß sich flüssige pastöse
Mischungen für pyrotechnische Anzündsätze mit Komponenten
unterschiedlicher Dichte, Löslichkeit oder elektrischem
Umfeld, d. h. Ausbildung von Dipolen bzw. gleichsinniger
oder gegensinniger Aufladung, relativ schwer handhaben
lassen. In den Mischungen haben die verschiedenen
Feststoffkomponenten unterschiedliche
Sedimentationsgeschwindigkeiten, so daß sich nach kurzer
Standzeit Flüssigkeit und Feststoff trennen und eine
reproduzierbare Dosierung der Mischung erschweren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Herstellung pyrotechnischer Anzündsätze der in Rede
stehenden Art anzugeben, mit dem die verwendeten
Komponenten homogen vermischt werden, wobei gleichzeitig
die Gefahr einer Auslösung der Mischung deutlich gesenkt
und eine reproduziere Dosierung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Demgemäß wird aus den einzelnen Komponenten für den
pyrotechnischen Anzündsatz mit Hilfe eines geeigneten
flüssigen Dispergiermittels eine homogene Suspension
hergestellt, wobei dieses mit Hilfe von Ultraschall
erfolgt. Die Mischung wird in dieser Konsistenz unmittelbar
anschließend dosiert, z. B. in Anzündern oder auf
Anzündelemente.
Die Korngrößen der verwendeten Feststoffe, also
Metallpulver oder Metallhydride und das Kaliumperchlorat
sind hierbei kleiner als 50 µm, vorzugsweise kleiner als 20
µm.
Gemäß der Erfindung kann durch eine geeignete Menge an
Dispergiermittel sowohl eine optimale Vermischung der
Komponenten als auch eine geeignete Viskosität der
Suspension für das nachfolgende Dosieren erzielt werden.
Die zur homogenen Verteilung der Komponenten in der
Suspension benötigte Energie wird durch Kavitation in die
Mischung eingebracht. Die Kavitation wird durch Ultraschall
mit Frequenzen vorzugsweise größer als 16 kHz erzeugt. Bei
der Implosion der durch die Kavitation enstehenden
Gasblasen können Temperaturen von ca. 5500°C und Drücke bis
500 bar erreicht werden. Durch die Schnelligkeit des
Zerfalls der Gasblasen in einer Zeitspanne von kleiner als
1 µs und durch die geringe Größenordnung der Gasblasen, die
in der Regel kleiner als 150 µm sind, ist die
Abkühlgeschwindkeit bei der Implosion so hoch, daß die
Erwärmung der Suspension vernachlässigbar bleibt. Die
chemischen Wirkungen von Ultraschall wurden bereits von K.
S. Suslick in der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft,
Heft 4, Seiten 60ff, 1989 beschrieben, wobei hier im
wesentlichen Aspekte der Sonochemie von Flüssigkeiten und
festen Oberflächen sowie von suspendierten Teilchen
untersucht wurden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß die Komponenten
direkt in dem Behälter gemischt werden, aus dem im Anschluß
an die Herstellung der Dispersion auch dosiert wird. Dies
ist z. B. durch den Einsatz von entsprechend geformten
Sonotroden, sehr gut möglich. Die Mischungen werden z. B.
in Kartuschen oder Patronen hergestellt, die anschließend
in eine Dosierapparatur eingesetzt werden. Die flüssigen
Mischungen werden dann mit leichtem Druck oder durch Vakuum
in vorbereitete Anzündgehäuse oder auf Anzündelemente
dosiert.
Um im Laufe des Dosierprozesses Sedimentationen oder
Koagulationseffekte zu verhindern, können die Kartuschen
oder Patronen, die die Anzündmischung enthalten,
mechanischen Schwingungen oder Schallwellen ausgesetzt
werden.
Durch das Mischen direkt in dem Dosierbehälter werden
Abfüll- und Umfüllprozesse nach dem Mischen vermieden.
Durch derartige Prozesse könnten sich in den Behältern
Krusten oder Antrocknungen an den Wänden ergeben, was wegen
des explosionsgefährlichen Charakters der Mischung
unbedingt vermieden werden muß.
Eine weitere Anwendung der Erfindung unter Vermeidung der
Gefahren, die beim Mischen größerer Mengen auftreten
können, ist das Dosieren von in Suspension vorgemischten
nicht oder nur wenig explosionsgefährlichen Komponenten des
Anzündsatzes in einem relativ kleinen Mischraum und daraus
das anschließende Einfüllen bzw. Dosieren in z. B. eine
Anzünderhülse. Der Mischraum kann hierbei etwa mit einem
Sonotroden-Anschluß oder einem mechanischen Sonotroden-
Kontakt versehen sein.
Auf diese Weise wird von der an sich gefährlichen Mischung
jeweils nur soviel hergestellt wie für einen Anzünder
benötigt wird. Die Herstellung kann dann maschinell
wirtschaftlicher in einer für eine Serienfertigung
geeigneten hohen Taktfolge gesteuert werden. Wird z. B.
eine Zusammensetzung des Anzündsatzes aus Kaliumperchlorat,
Zirkoniumpulver, einem Binder und einem Lösemittel gewählt,
dann können zwei suspensionsförmige Vormischungen
hergestellt werden, die nicht oder nur wenig
explosionsgefährlich sind, nämlich als eine Komponente das
in dem Lösungsmittel dispergierte Kaliumperchlorat und als
zweite Komponente das im Lösemittel dispergierte
Zirkoniumpulver, wobei der Binder bereits im Lösemittel
gelöst ist.
Zusammengefaßt besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung pyrotechnischer Anzündsätze auf der Basis von
Metallpulvern, Metallhydriden, Kaliumperchlorat und Bindern
demnach aus den Verfahrensschritten:
- 1. Wiegen und Einfüllen der Komponenten oder von nicht oder wenig explosionsgefährlichen Vormischungen in eine Misch- und Dosierpatrone bzw. Dosierkartusche;
- 2. Herstellen der Mischung in der Patrone bzw. Kartusche oder einem kleinen Mischraum durch Anwendung von Ultraschall;
- 3. Dosieren der pyrotechnischen Anzündmischung, sofern das Mischen nicht bereits in dem für die Anwendung des pyrotechnischen Anzündsatzes verwendeten Behälter erfolgt.
Danach werden die Anzündsätze z. B. durch Trocknung vom
restlichen Dispergiermittel befreit und der weiteren
Bearbeitung zugeführt.
Eine beispielhafte Zusammensetzung der Anzündmischung ist:
55% Zirkoniumpulver
43% Kaliumperchlorat
2% Binderkomponente;
alle Prozentzahlen sind jeweils Gewichtsprozente.
55% Zirkoniumpulver
43% Kaliumperchlorat
2% Binderkomponente;
alle Prozentzahlen sind jeweils Gewichtsprozente.
Das Verhältnis von Feststoff zu Dispergiermittel ist
variabel und liegt erfahrungsgemäß im Bereich von 70 bis
80% Feststoffen.
Als Metall werden vorzugsweise Titan oder Zirkonium bzw.
deren Hydride verwendet. Der Binder wird vorzugsweise aus
der Gruppe der fluorierten polymeren Aliphate ausgewählt.
Das Dispergiermittel fungiert vorzugsweise als Lösemittel
für den Binder und stammt bevorzugt aus der Reihe der
aliphatischen Ketone. Aceton oder Methylethylketon haben
sich hierfür bewährt.
Claims (12)
1. Verfahren zum Herstellen pyrotechnischer Anzündsätze
auf der Basis von Metallpulvern oder
Metallhydridpulvern, Kaliumperchlorat und Bindern,
dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen
Komponenten der Metallpulver, Metallhydride von
Kaliumperchlorat und Binder mit einem flüssigen
Dispergiermittel als Suspension unter Verwendung von
Ultraschall gemischt und in dieser Konsistenz im
Anschluß an die Herstellung dosiert werden.
2. Verfahren zum Herstellen pyrotechnischer Anzündsätze
auf der Basis von Metallpulvern oder
Metallhydridpulvern, Kaliumperchlorat und Bindern,
dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen
Komponenten aus Metall, Metallhydrid, Kaliumperchlorat
und Binder mit einem flüssigen Dispergiermittel in
einer Suspension unter Verwendung von Ultraschall
direkt in einem, den pyrotechnischen Anzündsatz
aufnehmenden Gehäuse gemischt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die verwendeten pulverförmigen
Komponenten von Metall, Metallhydrid und
Kaliumperchlorat eine Korngröße von < 50 µm,
vorzugsweise < 20 µm haben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Titan oder
Zirkonium bzw. deren Hydride verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Binder aus der Gruppe
der fluorierten polymeren Aliphaten ausgewählt ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel als
Lösemittel für den Binder fungiert.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergiermittel aus
der Reihe der aliphatischen Ketone ausgewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
als Bindemittel Aceton oder Methylethylketon verwendet
wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der
fertigen Mischung der Anzündsätze zunächst Suspensionen
von nicht oder wenig explosionsgefährlichen
Vormischungen aus einzelnen Komponenten des
Anzündsatzes hergestellt werden, die anschließend in
geringen Mengen zu dem pyrotechnischen Anzündsatz
vermischt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mischung für den pyrotechnischen Anzündsatz direkt
in einem diesen aufnehmenden Gehäuse erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der Dosierung die
Mischung in Schwingungen versetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
in die Mischung Schallwellen eingeleitet werden.
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