NO122692B - - Google Patents

Description

Sprengstoffer.

Oppfinnelsens bakgrunn

Oppfinnelsens anvendelsesområde

Denne oppfinnelse vedrorer nye eksplosive blandinger som dr kjennetegnet ved et bydraziniumnitrat/hydrazin/aiuminium sprengstoffsystem,sammen med labile likevektsmengder av amuoniumni-trat og i enkelte tilfelle ammoniakk, og sammen med forskjellige bestanddeler til å variere de fysikalske egenskaper for å bibringe bnsket stabilitet, tetthet, viskositet, og frysepunktegenskaper i blandingen.

Beskrivelse av teknikkens stand

Sprengstoff- og drivstoffsammensetninger som innbefatter blandinger av hydrazin og hydraziniumnitrat er generelt kjent (og-så kjent som hydrazinnitrat eller hydrazinmononitrat), slik som åpenbart i Audrieth's US patent nr. 2.704.706 og Audrieth et al US patent nr. 2.943.927. US patent nr. 2.704.706 åpenbarer ammoniumnitrat sensibilisert med hydraziniumnitrat for bruk i forbindelse med kjenté sprengstoffer slike som TNT. I disse forefinnes nitra-tene i fast tilstand og uten noe fritt hydrazin tilstede. I US patent nr. 2.943.927 er åpenbart at et hydrazin-hydraziniumnitrat-system har et kjennetegnende lavt frysepunkt og er nyttig for bruk som brennstoff i forbindelse med konvensjonelle oxydanter slike som hydrogenperoxyd, rykende salpetersyre og flytende oxygen. Hydrazin-hydraziniumnitrat inneholder i dette tilfelle minst 18 vekt% hydrazin for å gi brennstoffet et frysepunkt på ca. -50°C. I brennstoffet i henhold til Audrieth et al, som nevnt ovenfor, er vektforhol-dehe i hydrazin-hydraziniumnitratblandingen bestemt utelukkende under hensyntagen til frysepunktdepresjonen, og ikke fra noen be-traktninger om den stokiometriske balanse eller maksimale effekti-vitet som sprengstoff, og mere spesielt innbefattes ingen betrakt-ninger vedrorende den stokiometriske balanse eller maksimale effekt i det tilfelle hvor hydrazin-hydraziniumnitratblandingen benyttes i forbindelse med en uforbundet metallisk reduserende bestanddel som f.eks. aluminium, slik som er tilfelle i den foreliggende oppfinnelse.

Det er også kjent sprengstoffer som inneholder ammoniumnitrat sammen med et hydrogeninneholdende opplosningsmiddel for dette, slik som flytende ammoniakk eller ammoniakalsk ammoniumnit-ratopplosninger, og med en metallisk brennstoffbestanddel som aluminium eller magnesiumpartikler; slike sprengstoffer er åpenbart i Hradel US patent nr. 3.124.495. T disse sprengstoffer forefinnes ammoniakken eller lignende opplbsningsmiddel for ammoniumnitrat i forholdet fra 2 vekt% til 5 vekt%, det tilstedeværende ammoniumnitrat forefinnes fra 10 vekt% til 83 vekt% og metallbestanddelen forefinnes i mengder fra 15 vekt% til 60 vekt%. I sprengstoffet i henhold til Hradel er det fastslått at partikkelstorrelsen for me-tallbes tanddelen i det vesentlige må være storre enn 20 US standard sikt, i den hensikt at sprengstoffet skal være tilfredsstillende ufolsomt for å unngå for tidlig detonasjon under behandling. Selvom Hradel gir en generell uttalelse om at det hydrogenholdige opplosningsmiddel for ammoniumnitrat skal være enten flytende a mm on i a"1;;:, vann, ammoniumhydroxyd eller hydrazin (hvor alle de viste ekseupl; r omfatter ammoniakk i en vandig opplosning som opplosningsmiddel). gjor Hradel ingen forskjell på de forskjellige opplosningsmidlar. han gir heller ingen antydning om de spesielle fordelaktige fysikalske egenskaper eller detonasjonskarakteristika av spesielle kom-binasjoner av hydrazin eller hydrazininneholdende opplosningsmiddel med et nitrat eller lignende oxyderingsmidler opplost i dette og i nærvær av aluminiumpartikler slik som kjennetegner foreliggende oppfinnelse. I virkeligheten åpenbarer Hradel bare et ammoniakk-ammoniumnitrat/aluminium eller magnesiumtypesprengstoffsystfi-mer, siden hydrazin og magnesium kan være eksotermisk ustabile og gi selvtennende brennbare sprengstoffer.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Sammenlignet med Hradels eksplosive stoffer inneholder hydraziniumnitrat/hydrazin/aluminiumsprengstoffene i henhold til foreliggende oppfinnelse fritt hydrazin som, selv om det er tilstede i overskudd, ikke virker forhindrende på den eksplosive reaksjon, da det selv dekomponerer til gassformige reaksjonsprodukter under frigjorelse av energi, mens ammoniakken eller ammoniakk og vann som utgjor den flytende bestanddel i Hradels sprengstoffer krever energi for dekomposisjon og således virker reduserende på den energi som frigjores ved eksplosjonen. Det må derfor for st åe:-: at under disse forhold utgjor hydrazin meget mere enn et opplosningsmiddel i sprengstoffene i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Hydrazin tjener også som et usedvanlig effektivt arbeidsme-dium i det foreliggende eksplosive system, idet det gir mere ener-gitilskudd til blandingen da det reagerer til gassformige sluttpro-dukter og derved bidrar vesentlig til mere gass pr. initialvekten-het av blandingen. Det kanskje mest betydningsfulle ved sammenligning av ammoniakk/ammoniumnitrat/alumimium- eller magnesiumspren.j-stoffsystem i henhold til Hradel med hydrazin-hydraziniumnitrat/ aluminiumsprengstoffsystem i henhold til foreliggende oppfinnelse er den betraktning at Hradels "væske" (den normalt flytende andel av sprengstoffet, dvs.... ammoniumnitrat opplost i ammoniakaisk vandig opplosning) ikke vil detonere hvis ikke tnetallbes tanddelen er tilstede, mens "væsken" i henhold til foreliggende oppfinnelse (dvs. ammoniumnitrat opplost i hydrazin under solvolyti.sk dannelse-av en ionelikevekt av hydrazinium og ammoniumkationer og .nitrat- anioner sammen med en betydelig andel,av fritt hydrazin og dessut-en forefinnes fri ammoniakk) er i sig selv et sprengstoff uten me-tall (aluminium)bestanddelen. De eksplosive blandinger i henhold til foreliggende oppfinnelse er i det folgende antatt teoretisk å gi hva kan kalles et totrinns sprengstoffsystem, hvor den initiale eksplosive sjokkbolge skyldes i forste rekke en rask reaksjon mellom hydrazinet og oxydanten, mens reaksjonen med metallbestanddelen tilsynelatende foregår i to trinn for derved å gi et eftersjokk. Som folge1 av en slik totrinns reaksjon av aluminiumbestanddelen er det vist at optimaliserte blandinger i henhold til den foreliggende oppfinnelse gir ca. to ganger så sterkt luftsjokk som TNT, mens luftsjokket som gis av sprengstoffer i henhold til Hradel er om-trent det samme som for TNT.

Et aluminiumnitrid-mellomprodukt kan dannes, som er helt spesielt for den eksplosive blanding i henhold til foreliggende oppfinnelse, og er en mulig forklaring på den okede sprengkraft.

For ytterligere å oppsummere egenskapene til den foreliggende oppfinnelse, er det funnet at de eksplosive blandinger i henhold til oppfinnelsen skal inneholde de folgende bestanddeler som angitt nedenfor i tilnærmede vektprosenter:

i -

Med hensyn til de ovenfor gitte sammensetninger kan nitrationet eller tilsvarende være tilstede i en eller.flere forbin- . deiser utvalgt fra en gruppe som omfattes av nitrat(er) og blandinger av disse med mindre mengder perklorat(er). Eventuelt kan det oxyderende salt også omfatte mindre mengder av e± eller flere oxyderende salter som har visse metalliske kationer i stedet for det stabile hydronitrogentypekation, dvs. det oxyderende salt(er) kan omfatte en mindre andel av et oxyderende salt utvalgt fra en gruppe bestående av alkalimetallhitrater, kalsiumnitrat, aluminiumnitrat, hydraziniumperklorat, alkalimetallperklorater, kaliumperklorat, og blandinger av disse. Imidlertid, for vanlig bruk av sprengstoff-sammensetningene byr tilstedeværelsen av mindre mengder metallisk kation ingen fordel, og vil til en viss grad redusere den eksplosive effekt av blandingen, idet det metalliske kation danner faste reaksjonsprodukter i stedet for gassformige reaksjonsprodukter. I visse tilfelle vil imidlertid mindre mengder av et metallisk kation i det oxyderende salt være fordelaktig med hensyn til å redusere skum under blandingens fremstilling, eller med hensyn til en forbedret langringskarakteristikk eller andre onskede fysikalske egenskaper.

Sprengstoffblandingere ifolge foreliggende oppfinnelse kan generelt formuleres ved å blande ammoniumnitrat og hydrazin med en efterfolgende tilsetning av aluminiumpartikler, eller ved å blande hydraziniumnitrat med hydrazin med en efterfolgende tilsetning av aluminiumpartikler. I det forste tilfelle er nitratet tilstede i den ferdige blanding i form av hydraziniumnitrat og ammoniumnitrat i en ustabil likevekt med hydrazin og ammoniakk. I det annet tilfelle er nitrationet tilstede vesentlig i form av hydraziniumnitrat uten betydelige mengder av tilstedeværende ammoniumnitrat. Som en variant av den forste måte til å danne blandingen,

og for å komme frem til en blanding hvori nitratet er tilstede i det vesentlige som hydrazinnitrat med praktisk talt ikke noe ammoniakk tilstede, kan blandingen av ammoniumnitrat og hydrazin foregå ved forhdyet temperatur og/eller under vakuum for å fjerne utviklet ammoniakk i gassform. Ser man på den type sprengstoffer som frem-kommer ved den forst omtalte metode for fremstilling, dvs. den type sprengstoffer som omfattes av en blanding av hydraziniumnitrat og ammoniumnitrat i en ustabil likevekt med hydrazin og ammoniakk,

med hensyn til de relative tilnærmede vektprosenter av utgangsmate-rialene, innbefatter de eksplosive blandinger ifolge oppfinnelsen de folgende bestanddeler i de tilnærmet angitte prosenter:

I det tilfelle hvor den eksplosive blanding hvori nitrationet vesentlig utgjores av hydraziniumnitrat, blir forholdene av hydraziniumnitrat og hydrazin, som gitt i tabellen ovenfor, som folger:

De relative mengder av vanlig brukte fortykningsmidler og/eller gelatineringsmidler som skal innarbeides i sprengstoff-blandingene, ' må. også vurderes. Med hensyn til slike bestanddeler og vektprosenten av disse i den totale eksplosive blanding, er det videre område av fortykkelse og/eller gelatineringsmiddel 0-20 vekt%, det foretrukne område er fra 1 til 5 vekt%, og den optimale

i

andel er ca..3 vekt%.

Fortykningsmidler og/eller gelatineringsmidler blir vanligvis tilsatt de eksplosive blandinger i henhold til oppfinnelsen for å holde det finfordelte aluminium i det vesentlige jevnt for-delt i den eksplosive blanding, som ellers i mange tilfelle er en flytende velling, som folge av at det hydrazininneholdende opplds-ningsmiddel og opploste oxydantbestanddeler forefinnes som væske eller i form'av en flytende velling. Fortykning eller gelatinering av blandingen kan oppnåes ved forskjellige tilsetningsmidler som i og for sig ef kjent for dette formål, og tilsettes i de dnskede mengder opp til 20 vekt%. Typiske fortyknings- eller gelatineringsmidler er "Cab-O-Sil" (et finfordelt Si02 for tonings middel, vanligvis brukbart i mengder opp til 10 vekt%) og "Guartec 503" (et tverrbindende gelatineringsmiddel som kan benyttes i mengder opp til 5 vekt%). Annet nyttig gelatineringsmiddel er f.eks. "Carbopol". Gelatineringsmidler tilbys vanligvis i form av et pul-ver, og slike pulvere kan tilsettes til den flytende blanding eller til en flytende bestanddel forut for tilsetning av en eller flere av de andre eksplosive bestanddeler. Således kan f.eks. gelatiner-ingsmidlet gjerne tilsettes til hydrazin sammen med, eller som en forblandet tilsetning til det faste ammoniumnitrat. Tilsetning av "Guartec 503" til sprengstoffet er også fordelaktig med hensyn til å gjore sprengstoffet vannsikkert, hvilket kan være gunstig for mange formål; f.eks. ved bruk hvor opptagelse av omliggende vann ellers ville desensibil.isere sprengstoffet unddvendig. Kjdnrdk er også et effektivt fortykningsmiddel som er typisk for sin type som fungerer uten å være et gelatineringsmiddel.

For mange av sprengstoffblandingenes anvendelser er det dnskelig å tilsette desensibiliseringsmidler for å motvirke blandingens folsomhet, enten under fabrikasjonsprosessen eller ved bruk. Vann er en effektiv desensibilisator og, selv om det har en utpreget effekt på sprengstoffets energiproduserende egenskaper, kan vann væ-re en dnsket desensibilisator i mengder opp til 10 vekt% for visse blandinger. Andre effektive desensibilisatorer er glycerol, glycol, voks og andre forskjellige hydrocarbonoljer, som f.eks. ovnsolje. I det tilfelle der brukes ovnsolje, kan mengden av slik desensibilisator være opp til 20 vekt% av den totale blanding. I det tilfelle der benyttes faste, men forvæskbare desensibilisatorer som voks, blir desensibilisatoren fortrinnsvis varmet og blandet med blandingen ved forhdyet temperatur, som ved avkjoling går over i fast form og bidrar til fortykning av blandingen. Generelt kan hvilket som helst ikke flyktig materiale som utviser lagringsstabilitet i blanding med hydrazin/hydrazinsaltbestanddelene i sprengstoffet virke som desensibilisatorer.

Visse sprengstoffblandinger ifolge foreliggende oppfinnelse har et frysepunkt nær normal temperatur, hvilket gjor del on-skelig å inkludere i dette et frysepunktnedsettende middel. Som eksempel på et blandbart frysepunktnedsettende middel for dette formål kan nevnes hydraziniumthiocyanat (N^H^SCN).

Beskrivelse av foretrukne utfdrelsesformer

I tabell 1 er vist en sammenligning mellom stdpt TNT og forskjellige eksplosive blandinger,- med sammensetninger som vist nedenfor, og som er typisk for den foreliggende oppfinnelse.

I hvert av tilfellene for eksemplene 1-5 ble der forst fremstillet en ikke-eksplosiv flytende bestanddel ved å pppldse ca, 5 deler ammoniumnitrat i hydrazinet ved romtemperatur. Da denne opplosning <y>ar blitt normal, ble resten av amnoniumnitratet og for-tykningsmidlet tilsatt under omrdring for tilnærmet å gi en fullstendig opplosning av nitratet i hydrazinet. Aluminiumpulveret (Reynolds "atomized" aluminium A-5111 med en partikkelstorrelse i det vesentlige i området 30-40 microner) ble tilsatt i porsjoner mens blandingen ble omrort med en "Lightening mixer" (1750 omdrei-ninger pr. minutt), og omrdringen fortsatte inntil viskositeten av blandingen var tilstrekkelig til å forhindre at aluminiumpartiklene separerte ut. Tre ladninger (454 g) ble i hvert tilfelle fremstil-

I

let; beholderen brukt for eksemplene 1-5 var en vanlig "Boston

Round" 0,5 1: polyethylenf laske. Alle skudd ble avfyrt ved hjelp av 50 grams tetryl-overdragere, med'du Pont SSS"seismografiske fenghetter "EB",detonator-overdrageranordningen var pakket i en polyethylen-pose for å forhindre reaksjon med sprengstoffet. Polyethylenflaske-ne var skåret ut på siden over innholdet av sprengstoff for innfor-ing av detonator-overforingsanordningen og for utforelse av detonator ledningene . Alle ladninger ble derpå gravet ned i en dybde på 51 cm i lik sandholdig formleire. Alle ladninger ble plasert med be-holderbunnen ned og fordemmet i skytehullene, dybden av ladningen ble målt til bunnen av den eksplosive ladning. Den målte kraterdannende egenskap ble uttrykt i kraterdybden i centimeter i kraterets senter og i den midlere diameter av krateret. Den midlere diameter ble bestemt som midlet av fire diametre tvers over krateret. Den kraterdannende egenskap for de forskjellige eksempler 1 - 5 og for sammenligningen eksempel X er vist i tabellen ovenfor. Den forbed-rede kraterdannende egenskap for alle eksempler er åpenbar overfor den stdpte TNT ladning (eksempel X). Det er også åpenbart i dette tilfelle at mengdeforholdet av aluminium ikke er særlig kritisk (sammenligning ca. 20 vekt% aluminium i eksempel 3 med ca. 32,7 vekt% aluminium i eksempel 1), og videre at mengden av en betydelig mengde vann (ca. 5 % i eksempel 5 ikke vesentlig forandrer den kraterdannende egenskap (sammenlign eksempler 1 og 5).

Eksempel 6

For ytterligere å beskrive egenskapene for typiske sprenq-stoffblandinger, nemlig sprengstoffet efter eksempel 1, og fremstillet som ovenfor indikert, ble funnet å ha en spesifikk vekt på 1,61 ved 21°C og en folsomhet på 70 kg/cm. For sammenlignings skyld ble

i

en eksempel 6 blanding formulert med de samme vektforhold av be-standdelene som i eksempel 1 (med unntagelse av 3 deler "Cabosil"),

i dette tilfelle ble hydrazinet forvarmet til 65,5°C og derpå lang-somt tilsatt ammoniumnitratét under omroring, efterfulgt av en opp-varmning av blandingen til 49°C for fullstendig å opplose alt nitrat i opplesningen og for å avdrive ammoniakk i gassform. Denne frem-gangsmåte resulterte i en detonerbar blanding og med en lignende folsomhet og en egenvekt på 1,752 ved 20°C.

Eksempel 7

For å vise effekten av desensibilisatorer på den kraterdannende egenskap ble den eksplosive blanding i henhold til eksempel 1 (med 3 deler "Cabosil") sammenlignet med en eksempel 7 eksplosiv blanding inneholdende de samme bestanddeler som eksempel 1, dess-uten 21 vekt% glycerol. Prover viste at denne blanding var mindre fdlsom, men fremdeles detonerbar. Mere spesielt ga blandingen i henhold til eksempel 1 en kraterdybde på 93 cm og en diameter på 295 cm, mens den desensibiliserte blanding ga et krater som var 66 cm dypt og med en diameter på 171 cm. Lignende forsok som innbefattet å variere glycerolandelen fra 16 % til 22 % viste at ingen av blan-dingene var fdlsomme for fenghetter når sprengstoffet forefantes i gummiforede stdpejernsrdr, med lav detonasjonsgrad med et glycerol-innhold på 20 % og lavere.

Eksempler 8 og 9

For ytterligere å undersdke den kraterdannende egenskap for desensibiliserte eksplosive blandinger ble en eksplosiv blanding eksempel 8 fremstillet ved å innarbeide 5 vekt% ovnsolje i sammensetningen i henhold til eksempel 1 og ytterligere en blanding (eks. 9) ble fremstillet ved å innbefatte 10 vekt% ovnsolje i sammensetningen i henhold til eksempel 1. Eksempel 8 viste sig å være folsomt for anslag av riflekule. (.30-06) og folsomt for tennhetter. Eksempel 9 derimot var ufdlsomt overfor anslag av rifleprojektil og overfor tennhetter. Ved hjelp av en overdrager bestående av 50 g cetryl var begge eksempler 8 og 9 detonerbare; eksempel 9 dannet et krater 105 cm dypt og med en diameter på 240 cm, sammenlignet med sprengstoffet i eksempel 1 som ga et krater med en dybde på 108 cm og med en diameter på ca. 300 cm.

Eksempel 10

Sammensetningen i eksempel 1 blandet med 0,1 vekt%

"Guartec 503" og 4 deler "Cab-O-Sil" ga en blanding med en kremlig-nende konsistens, med en viskositet lav nok til at blandingen kunne helles som en tykk sirup og hoy nok til å forhindre at aluminiumen separerte ut. Denne kombinasjon av "Guartec 503" og "Cab-O-Sil" vi-

ste sig spesielt effektiv som fortykningsmiddel for blandingen i henhold til eksempel 1.

Eksempler 11 og 12

For; ytterligere å undersoke den kraterdannende egenskap

av sprengstoffer som er karakteristisk for foreliggende oppfinnelse sammenlignet med kjente aluminiuminneholdende sprengstoffer, ble der utfort en serie prdveskudd som omfattet like mengder av sprengstof-

fene i henhold til eksempel 1 (med 5 deler "Cabosil") og eksempel 2, provet på samme underlag med tilsvarende mengder "Navy H-6" sprengstoff og "Tritonal" sprengstoff. H-6 er som kjent en 60/40 blanding av RDX og TNT iblandet 5 vekt% voks og 20 vekt% aluminiumpartikler.

Som det også er kjent er "Tritonal" en 80/20 blanding av TNT og aluminiumpartikler. Alle skudd ble puttet i stålkanner og ladningene var i hvert tilfelle 453 g og ble begravet i en dybde av 51 cm. Den kraterdannende egenskap for disse skudd var som folger:

Claims (3)

1. Eksplosiv blanding som inneholder en eller flere oxyder-

ende bestanddeler som perklorater og/eller nitrater, fortrinnsvis ammoniumnitrat og/eller hydraziniumnitrat, en reduserende bestanddel som aluminiumpulver, eventuelt fortykningsmidler og desensibiliser-ende midler, karakterisert ved at blandingen som opplosningsmiddel for de oxyderende bestanddeler inneholder et overskudd av fritt hydrazin og eventuelt ammoniakk.

2. Eksplosiv blanding ifolge krav 1, karakterisert ved at den inneholder folgende bestanddeler, angitt i de folgende vektprosenter :

3. Eksplosiv blanding ifolge krav 1 eller 2, karakterisert ved at nitrationet er tilstede i form av en blanding av ammoniumnitrat og hydraziniumnitrat.