DE2449777A1 - Treibladungspulver und insbesondere gekoernte inhibierte treibladungspulver fuer projektile sowie ein verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

• Treibladungspulver und insbesondere gekörnte inhibierte Treibladungspulver für Projektile sowie ein Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung betrifft Treibladungspulver und insbesondere gekörnte inhibierte Treibladungspulver für Proåektile sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
• Es muß betont werden, daß ein klarer Unterschied besteht zwischen Feststoff-Treibstoffen für Raketen und Projektiltreibladungen für Pistolen, Gewehre, Kanonen oder dergleichen. Sin wesentlicher Unterschied besteht hinsichtlich der Formgebung.
• Bei festen Treibstoffen für Raketen handelt es sich um einen einzelnen zusaininenhängenden Feststoffkörper, welcher mit dem mantel des Raketenmotors verbunden ist. Diese Treibstoffkörper können monolithisch aufgebaut sein. Sie brennen dann am Ende.
• Andererseits können sie zylindrische Gestalt haben und eine einzige sich axial durch den Körper erstreckende Öffnung aufweisen. Diese Öffnung kann einen sternförmigen oder einen anderen Querschnitt aufweisen. In diesem Falle handelt es sich um eine interne Verbrennung. In jedem Falle weist die Feststofftreibladung einen Durchmesser von mehr als 5 cm bis mehr als 30 cm auf, sowie eine Länge von 30 cm bis 15 m. Demgegenüber handelt es sich bei Frojektiltreibladungen um eine Vielzahl von relativ kleinen Körnern, welche lose innerhalb einer Metallhülse oder innerhalb eines aus Tuch bestehenden Sacks enthalten sind. Bei leichten Waffen sind die einzelnen Körner der Treibladung zylindrisch mit Durchmessern von mehreren T-Suzndertstel Zoll. Bei schwereren Waffen, wie z. B. Kanonen, können die einzelnen Körner einen Durchmesser bis zu etwa 12 mm und eine Länge von bis zu etwa 50 mm aufweisen.
• in weiterer wesentlicher Unterschied zwischen Feststoff-Treibstoffen für Raketen und Pro jektiltreibladungen besteht in den ?eaktionszeiten Feste Treibstoffe für Raketen brennen nur an einer einzigen Oberfläche mit im wesentlichen gleichförmiger Geschwindigkeit in Zeiträumen von mehreren Sekunden bis mehreren minuten bei gleichförmigen Drucken in der Größenordnung von etwa 70 Atmosphären. Demgegenüber verbrennen Proåektil-Treibladungen vollständig innerhalb einer Zeitdauer, welche wesentlich kirzer ist als die Laufzeit der Kugel oder des Projektils im Rohr und normalerweise nur wenige Millisekunden beträgt. Praktisch erreicht man mit T>rojektiltreibladungen eine im wesentlichen momentane Explosion mit Drucken in der Größenordrnrng von 3500 Atmosphären bis 4000 Atmosphären. Dieser Druck wird innerhalb der Feuerwaffe aufgebaut. Daher muß die Kammer der Feuerwaffe besonders schwer und massiv ausgebildet sein. Bei herkömmlichen Proåektil-Treibladungen bemüht man sich die Brennrate derart einzustellen, daß die Energie der Treibladung während des gesamten Intervalls während dem das Projektil durch den Lauf bewegt wird, freigesetzt wird. Mit dieser Maßnahme kann der Druck wesentlich reduziert werden, so daß die Feuerwaffen wirtschaftlicher hergestellt werden können und eine gröbere Lebensdauer haben. Bin derartiger gesteuerter Abbrand der Brojektil-Treibladungen führt zu einer verbesserten Druckverteilung während des Vortriebs des Projektils, wodurch die piezometrische Leistung verbessert und die Mündungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
• Bei allen Projektil-Treibladungssystemen kann die Theorie der Innenballistik dazu herangezogen werden das optimale Druck-/Zeit-Profil und somit das Geschwindigskeits-/Zeit-Profil zu bestimmen. Das wünschenswerteste Profil erhalt man dann, wenn relativ hohe Geschwindigkeiten bei mmßig niedrigen Spitzen-.
• drucken erzielt werden.
• Es wurde bereits vorgeschlagen, die Abbrandrate von Treibladungen durch Verwendung von Oberflächenbehandlungsmitteln zu steuern. Diese Oberflächenmittel dienen dazu, die Abbrandrate des körnigen Treibladungspulvers zu verlangsamen. Sie werden durch Imprägnierung der Kornoberfläche aufgebracht.
• Wenn man dieses Verfahren anwendet, so kann man die Tiefe der Imprgnierung nicht genau steuern. Demgemäß variiert die Wirkung der Oberflächenbehandlung von Korn zu Korn. Darüber hinaus bewirken diese Oberflächenbehandlungsmittel eine Reduzierung der Brenntemperatur der Projektiltreibladung und somit eine Verschlechterung ihrer Wirkung.
• Demgegenüber besteht der erfindungsgemäße Gedanke darin, die Treibladungspulver mit einem Inhibitormaterial zu beschichten, wobei die Körner mit dem Beschichtungsmaterial verbunden werden aber nicht imprägniert werden. Inhibitoren sind im wesentlichen inerte Chemikalien, welche innerhalb der Reaktionszeit der Treibladungspulver nicht verbrennen und welche lediglich auf die Oberflächen der Treibladungsteilchen aufgebracht werden, deren Abbrand beschränkt werden soll. Dies führt zu einem progressiven Abbrennen der Körnchen, die Brenncharakteristik der Körnchen wird jedoch nicht beeinträchtigt. Die Inhibitoren können dadurch aufgebracht werden, daß man Schichten des Iii1iibitormaterials auf die zu beschränkenden Oberflächen aufbringt, daß man die Körnchen mit Bandmaterial umwickelt oder in den gewünschten Inhibitor eintaucht oder den Inhibitor auf die Oberfläche der Teilchen während des Extrudierens aufsprüht.
• Ein Inhibitor muß als wesentlichste Eigenschaft eine gute Bindungsfestigkeit aufweisen, sowie eine gute thermische Beständigkeit, so daß der Inhibitor den ballistischen Zyklus überlebt. Bin zusätzliches Erfordernis ist die vollständige Aushärtung oder Vernetzung. enn eine ntr teilweise Aushärtung oder Vernetzung eintritt, so kann es vorkommen, daß die inhibierte Oberfläche des einen Korns an der nicht-inhibierten Oberfläche des benachbarten Korns anhaftet, wodurch die Brennfläche noch weiter reduziert wird. Unter diesen Umständen ist aber eine zuverlässige Voraussage der momentanen Brennflache nicht möglich und die erwünschte Druck-/Geschwindig keits-/Zeit-Kurve kann nicht reproduzierbar eingestellt werden. Diese auf die Anwesenheit eines nicht voll ausgehärteten Inhibitors zurückzuführenden komplexen Probleme würden noch um ein Vielfaches vermehrt, wenn innerhalb einer Hülse eine sehr grobe Anzahl von Treibladungsteilchen gepackt sind.
• Eine genaue Steuerung der Inhibitor-Dicke muß jedenfalls möglich sein. Das Ausmaß der zulässigen Verminderung der Wirksamkeit der Treibladung aufgrund des vom inerten Inhibitor eingenommenen Volumens hängt ab von den einzelnen Kornabmessungen. Ein Verlust von nicht mehr als 1 - 2 % der umwandelbaren Energie bildet dabei die obere Grenze.
• Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Projektilreibladungspulver zu schaffen, welches einen Inhibitor aufweist, der während des ballistischen Zyklus thermisch und strukturell iniakt bleibt.
• Es wurde nun festgestellt, daß ein günstiger Inhibitor für Frojektil-Treibladungspulver aus polyfunktionellen Isocyanaten und Polyolen hergestellt werden kann. Zum Beispiel eignet sich ein Treibladungsinhibitor aus Polmethylen-polyphenylisocyanat (einem aromatischen polyfunktionellen Isocyanat) und Polyäthylenglycol (einem a,O-Diol) zur Beschichtung von Treibladungsteilchen mit einer Schichtdicke von 1 bis 150 Mikron. Ein solcher Inhibitor kann nach verschiedenen Methoden auf der Oberfläche der Treibladungsteilchen aufgebracht werden und erfordert eine Härtungszeit von nur etwa 1 Minute. Verbrennungsuntersuchungen haben gezeigt, daß der Inhibitor während des ballistischen Zyklus in takt bleibt.
• Die erfindungsgemäßen Inhibitoren wurden für Projektiltreibladungen mit energiereichen oder nicht-energiereichen Cellulosebindern entwickelt. Gute Inhibitoren müssen verschiedene Kriterien erfüllen: (1) Verträglichkeit mit der Treibladungsmischung; (2) gute Haftung; (3) adäquate mechanische wigenschaften; (4) leichte Aufbringbarkeit; und (5) Bildung einer nicht-klebrigen endgültigen Beschichtung. Die erfindungsgemaßen Inhibitoren erfüllen alle diese Kriterien aufgrund einer Vernetzung eines Polyols und insbesondere eines Prepolymeren mit Hydroxylendgruppen, wie eines Polyäthylenglycols, mit den Resthydroxylgruppen des Cellulosebinders der Treibladungsmischung. Diese Vernetzung geschieht über die multifunktionellen Isocyanate. Das polyfunktionelle Isocyanat ist vorzugsweise ein polyfunktionelles aromatisches Isocyanat, wie Polymethylen-polyphenyl-isocyanat (PAPI). Andere brauchbare polyfunktionelle aromatische Isocyanate sind Triphenylmethan-triisocyanat und Toluol-diisocyanat. Es eignen sich jedoch auch polyfunktionelle aliphatische oder alicyclische Isocyanate, wie Hexamethylen-diisocyanat, Lysin-diisocynat und Isophoron-diisocyanat.
• Als Polyol-Komponenten des Inhibitors kommen entweder aliphatische oder aromatische Polyole in Frage. Es handelt sich vorzugsweise um ein aliphatisches Polyol und speziell um ein aliphatisches a,w-Diol, wie Polyäther, Polyester oder Polybutadien mit Hydroxylendgruppen. Eine bevorzugte Gruppe von Polyolen sind Polyäther mit Hydroxylendgruppen und insbesondere Polyalkylenglycole, wie Polyäthylenglycol oder Polypropylenglycol.
• Zur Beschleunigung der Aushärtung werden herkömmliche- Katalysatoren für die Urethanrekation verwendet. Der jeweils ausgewählte spezielle Katalysator hängt ab von der Art des polyfunktionellen Isocyanats und des Polyols. Geeignet sind z.B.
• Kupfer-II-acetonylacetonat, Eisen-III-acetonylacetonat und Dibutylzinndilaurat.
• Es ist bevorzugt, den Inhibitor aufzubringen, indem man die Inhibitorbestandteile in einem geeigneten lösungsmittel auflöst und dann die Inhibitorbestandteile auf die Kornoberfläche durch Beschichten, Streichen, Sprühen oder dgl. aufbringt.
• Der erfindungsgemäße Inhibitor bildet eine feste Bindung mit dem cellulosehaltigen Treibladungspulver. Ein Abschabeversuch mit einer Rasierklinge oder einem scharfen Messer führt nur zu leichten Kratzern an der Oberfläche des Inhibitors. Der Inhibitor selbst kann jedoch nicht entfernt werden, ohne daß die Treibladungsteilchen zerbrechen. Zur näheren Untersuchung wurde das inhibierte Treibladungspulver mit einer Inhibitionsschicht von 5 Mikron zunächst stark an der Oberfläche mit einem Messer verkratzt, worauf die Grenzflächen der Kratzer photographiert wurden. Hierzu wurde ein Dastelektronenmikroskop mit 500-facher Vergrößerung verwendet. Es wurde festgestellt, daß der Inhibitor immer noch an den Bruchstücken des Treibladungspulvers fest anhaftet. Ferner wurde die Oberfläche des inhibierten Treibladungspulvers unter dem Mikroskop eingeschnitten, um einen glatten Schnitt zu erhalten. Die Prüfung des Schnitts zeigt, daß eine Grenzfläche zwischen Inhibitor und Treibladungspulver aufgrund der ausgezeichneten Bindungscharakteristik nicht unterscheidbar ist.
• Das bevorzugte polyfunktionelle Isocyanat ist PAPI. Polyäthylenglycol (PEG) eignet sich am besten als Polyol in Verbindung mit PAPI. Das Polyol sollte flüssig sein oder zumindest ein genügend niedriges Molekulargewicht haben, um löslich zu sein, so daß der Inhibitor auf die Oberfläche des Treibladungspulvers in herkömmlicher Weise aufgebracht werden kann. Es ist z. B.
• im allgemeinen bevorzugt, daß das Polyäthylenglycol ein Molekulargewicht von nicht mehr als etwa 600 aufweist. Falls Polypropylenglycol verwendet wird, so sollte das Molekulargewicht etwa 4000 nicht übersteigen. Für das System PAPI/PEG eignet sich Dibutylzinndilaurat (DSD) am besten als Katalysator.
• Dieses Inhibitorsystem wurde eingehend untersucht.
• Im folgenden soll die Erfindung anhand von Versuchen näher erläutert werden. Diese Versuche beziehen sich auf das beschriebene bevorzugte Inhibitorsystem.
• Das NCO/OH-Verhältnis in dem bevorzugten Inhibitorsystem wird zwischen 1,0 und 1,4 gehalten und der Gehalt an Dibutylzinndilaurat wird auf 0,4 bis 0,8 Gew.-,O gehalten. Dabei stellt man eine ausgezeichnete Aushärtung in nur 1 Minute bei 45 bis 55 0C fest. Methylendichlorid (CH2C12) ist hierbei das bevorzugte Lösungsmittel. Die Einstellung der Inhibitordicke geschieht durch Variation der Menge Methylendichlorid. Zum Beispiel kann man eine Beschichtungsdicke von 25 Mikron mit etwa 6 Teilen Lösungsmittel auf jeweils 4 Teile Inhibitor erzielen.
• Die Verringerung der Inhibitordicke geschieht durch Erhöhung des Lösungsmittelgehaltes. Die Verdoppelung des Lösungsmittelgehaltes reduziert die Inhibitordicke um etwa 50 .
• Zur Erläuterung der Erfindung wurden Tests mit verschiedenen inhibierten Treibladungspulvern mit einer Hochdruckbombe (Fenster) durchgeführt. Die Treibladungskörner hatten eine Breite von etwa 6,5 mm, eine Dicke von etwa 1,3 mm und eine Lunge von etwa 50 bis 63 mm. Eine Seite des jeweiligen Korns War mit dem Inhibitor beschichtet. Die Zündung erfolgte mit einem heißen Draht aus Nichrom an einem Sunde des jeweiligen Horns. Die erste Testserie wurde mit zwei verschiedenen Treibladungsmischungen durchgeführt. Die erste Treibladungsmischung enthielt 69 Gew.-O Nitrocellulose, 30 Gew.-FO Cyclotetramethylen-tetranitramin (IBCX) und 1 Gew.-6, Dinitrodiphenylamin (1A), Die zweite Treibladungsmischung enthielt 54 Gew.-% itrocellulose (13,1 c»t N), 30 Gew.% HMX, 10 Gew,-0,;O Dinitrotoluol (DNT), 5 Gew.-',Ó PEG (Molekulargewicht 400) und 1 Gew.-% RDPA. Als Inhibitor wurde das System PAPI/PEG/DBTD verwendet.
• Beschichtungen wurden mit Dicken von 15 bis 150 Mikron ausgeführt und der Druck in der Bombe betrug etwa 34 bis etwa 68 Atmosphären. Alle Proben brannten glatt ab und die Flamme breitete sich vollständig auf alle Oberflachen aus, außer auf die inhibierte Oberfläche.
• Zusätzliche Tests wurden mit der zweiten Treibladungsmischung durchgeführt. Eierbei enthielt der Inhibitor 63,2 Gew.- PAPI, 36,1 Gew.-,- FEG und 0,7 Gew.-Y DBTD. Vier Proben der inhibiertenTreibladung wurden bei etwa 200 Atmosphären abgebrannt.
• Die Inhibitordicke betrug 5, 10, 20 und 30 Mikron. Alle wer Proben zeigten eine ausgezeichnete Hemmung. Im Falle einer Inhibitordicke von 20 bzw. 30 Mikron erschien jedoch eine kleine Menge Rückstand.
• Weitere Tests wurden mit einem Standard-Treibladungspulver (M-10) (97 Gew,-lO Nitrocellulose (13,15 V N), 1 Gew.-%O Diphenylamin, 0,1 Gew.-%' Graphit, 1,5 Gew.-,o Äthylalkohol und 0,5 Gew.-<Ó Wasser) durchgeführt. Dabei wurde eine Beschichtung mit dem beschriebenen Inhibitor von 10 Mikron Dicke vorgenommen. Ferner wurden nicht-inhibierte Proben von M-10 abgebrannt. Die Tests wurden bei 270 Atmosphären durchgeführt und man beobachtete eine ausgezeichnete Inhibierung. Die nichtinhibierten Proben wurden äußerst rasch aufgezehrt (Feuerball).
• Ferner wurde das erfindungsgemäße Treibladungspulver durch Abbrennen in einer kleinvolumigen (32 cm3) Impulsbombe durchgeführt. Dünne Streifen der Pulvermischung (0,5 mm - 0,75 mm) wurden mit dem Inhibitor beschichtet und es wurden kleine Scheibchen mit einem Durchmesser von 8,6 - 8,9 mm aus den Streifen ausgeschnitten. Das Pulver wurde mit einem heißen Draht gezündet, so daß für das Zündmittel keine Korrektur erforderlich war. Die Ergebnisse der Tests sind in nachstehender Tabelle zusammengestellt.
• Tabelle Treibladungs- Gewicht Inhibitordicke Pmax ra zusammensetzung (g) (Mikron) max Nr. 2 2.815 20 870 1,6u Nr. 2 2.045 20 650 1,74 Nr. 2 2.540 1 - 2 755 1,13 M10 2.541 5 630 1,75 a) = Verhältnis der Zeit bis zum Maximaldruck bei inhibiertem Pulver zur Zeit bis zum Maximaldruck bei nicht-inhibiertem Pulver.
• Bei gleichen Gewichtsmengen inhibierten und nicht-inhibierten Pulvers wurde nahezu der gleiche Maximaldruck erzielt. Inhibitorbeschichtungen von 5 Mikron oder mehr führten zu einer irksamkeit des Inhibitors von 70 % oder mehr. Dieses Ergebnis ist äußerst gut in Anbetracht der langen Anstiegszeit beim Versuch mit geschlossener Bombe, da in diesem Fall der Inhibitor gegen die anbrennende Flamme während einer Zeitdauer standhalten muß, welche wesentlich länger ist als der ballistische Zyklus. In einem Falle wurde der Inhibitor sehr dünn aufgetragen (1 - 2 Mikron). Es wurde in diesem Falle festgestellt, daß der Inhibitor immer noch einen geringen Effekt zeigt. Bei dieser geringen Schichtdicke wurde jedoch kein optimales Ergebnis erzielt.

Claims (10)

2 A N ' I T A N 5 P R Ü C ff E

1. Inhibiertes Treibladungspulver mit einem Cellulosebinder, gekennzeichnet durch eine Inhibitorbeschichtung, bestehend aus dem Reaktionsprodukt eines polyfunktionellen Isocyanats und eines Polyols.

2. Treibladungspulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle Isocyanat ein polyfunktionelles aromatisches Isocyanat ist.

3. Treibladungspulver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polyfunktionelle aromatische Isocyanat Polymethylen-polyphenyl-isocynat ist,

4. Treibladungspulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyol ein Polyalkylenglycol ist.

5. Treibladungspulver nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyalkylenglycol Polyäthylenglycol oder Polypropylenglycol ist.

6. Treibladungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt an einem Nitrocellulosebinder.

7. Treibladungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Inhibitorbeschichtung mit einer Dicke von 1 - 150 Mikron.

8. Verfahren zur Herstellung des Treibladungspulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man ein polyfunktionelles Isocyanat und ein Polyol in einem Lösungsmittel auflöst und die erhaltene Lösung auf die Oberfläche des Treibladungspulvers aufbringt und dann das polyfunktionelle Isocyanat und das Polyol in Gegenwart eines Katalysators für die Urethan-Reaktion umsetzt, wobei das Polyol und die Resthydroxylgruppen im Cellulosebinder des Treibladungspulvers über das polyfunktionelle Isocyanat vernetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator Dibutylzinndilaurat einsetzt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche S oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Verhcbltnis NCC/CH des polyfunktionellen Isocyanats und des Polyols von 1,C bis 1,4 wählt.