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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sprengstoffe und insbesondere
eine Zündladung.
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HINTERGRUND
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Die
kleinste Komponente in der Handfeuerwaffenmunition, das Aufschlagzündmittel,
ist das Bindeglied zwischen dem Schlagen des Schlagbolzens und der
Explosion des Geschosses aus der Patronenhülse heraus. Aufschlagzündmittel
oder Zündmittelmischungen
haben seit ihrer ursprünglichen
Entwicklung nur nach und nach Veränderungen erfahren. Eine Zeit
lang war Quecksilberfulminat die allgemein am meisten verwendete
Zündmittelmischung.
In den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts sind alternative Zündmittelmischungen
entwickelt worden, um Quecksilberfulminat zu ersetzen, da man herausgefunden
hat, dass diese letztere Zusammensetzung unter tropischen Bedingungen
schnell Schaden erleidet, und dass sie bei dem Schützen nach
dem Abschießen
potentielle gesundheitliche Probleme oder Sorgen wie etwa Lethargie
und Übelkeit
hervorruft. Aber man hat bald erkannt, dass die alternativen Mischungen
auf Basis von Bleithiocyanat-/Kaliumchlorat-Formulierungen aufgrund
der Bildung von korrodierenden wasserlöslichen Kaliumchloridsalzen
bei der Verbrennung schädlich
für die
Rohre der Waffen waren. Spätere
Zündmittelmischungen
basierten auf dem primären
Sprengstoff Bleistyphnat, einer Substanz, die viel stabiler als
Quecksilberfulminat ist und auch heute noch verwendet wird.
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Mit
Ausnahme der Verwendung eines reinen Quecksilberfulminats als Zünder sind
die am häufigsten verwendeten
Zündmittelmischungen
chemische Mixturen, die wenigstens einen primären Sprengstoff, ein Oxidationsmittel
und eine Brennstoff- bzw. Treibstoffquelle umfassen. Bleistyphnat
ist der gebräuchlichste
Primärsprengstoff,
wobei typischerweise Tetrazen als ein sekundärer Sprengstoff zugesetzt wird,
um die Bleistyphnat-Zusammensetzung
ausreichend empfindlich für
den Aufschlag zu machen. Das gebräuchlichste Oxidationsmittel
ist Bariumnitrat, das mit einem Treibstoff, nämlich Antimonsulfid, kombiniert
wird. Reibungserzeugende Mittel und zusätzliche Treibstoffe werden
ebenfalls hinzugefügt.
Leider sind Blei, Antimon und Barium hochgradig toxisch und stellen
deshalb eine potentielle Gesundheitsgefahr dar, vor allem wenn sie
in einem umschlossenen Schießstand
verwendet werden, in dem sie sich in der Atmosphäre und auf den Oberflächen ansammeln
können.
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Demgemäss haben
Versuche zu einer nicht-toxischen Zündmittel-Zusammensetzung geführt. Der Ausdruck "nicht-toxisch" soll eine Substanz
meinen, die im wesentlichen aus Materialien besteht, die keine toxischen
Schwermetalle wie etwa Blei oder Barium, keine bekannten Karzinogene
oder Gifte sind, vor allem wenn sie beim Schießen einer Munitionsrunde verdampfen,
verbrennen oder explodieren. Bei der Herstellung von nichttoxischen
Zündmittelmischungen
ist oftmals Diazodinitrophenol (DDNP) ein bevorzugter Austauschstoff
für Bleistyphnat
als primärer
Sprengstoff. DDNP ist in geringem Grade wasserunlöslich und
wird für
eine sicherere Verarbeitung durch Wasser desensibilisiert. Wie Bleistyphnat,
so wird auch DDNP typischerweise von Tetrazen als einem sekundären Primärsprengstoff
begleitet, um die Zusammensetzung ausreichend empfindlich für den Aufschlag
zu machen.
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Es
ist zwar dem Entfernen von Blei aus den Zündmittelmischungen eine beträchtliche
Aufmerksamkeit geschenkt worden, aber die Entfernung der restlichen
toxischen Komponenten aus der Zündmittelmischung ist
wenig beachtet worden. Somit bleiben die toxischen Oxidationsmittel
und Treibstoffe, wie etwa Bariumnitrat und Antimonsulfid, weiterhin
Quellen der Besorgnis. Sowohl Barium als auch Antimon sind hochgradig
toxische Metalle, und ihr Enthaltensein in der Zündmittelmischung erzeugt nach
dem Abfeuern einen toxischen Rest. Demgemäss besteht ein Bedarf nach
einer nicht-toxischen Zündmittelmischung,
die sowohl frei von Blei als auch von toxischen Oxidationsmitteln
und Treibstoffen wie etwa Bariumnitrat und Antimonsulfid ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung umfasst im allgemeinen eine Zusammensetzung
und ein Verfahren zur Herstellung einer nicht-toxischen Zündmittelmischung,
die sowohl Wismutsulfid als auch Kaliumnitrat als den pyrotechnischen
Teil der Zündmittelmischung
umfasst. Wismutsulfid dient als ein nicht-toxischer Brennstoff für das nicht-toxische
Oxidationsmittel Kaliumnitrat bei der Erzeugung einer Zündflamme.
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Genauer
gesagt enthält
die nicht-toxische Zündmittelmischung
etwa 2–20
Gewichtsprozent Wismutsulfid, etwa 25–70 Gewichtsprozent Kaliumnitrat
und etwa 25–50
Gewichtsprozent eines bleifreien Explosivstoffs. Außerdem kann
das Zündmittel
zusätzliche
Brenn- bzw. Treibstoffe wie Nitrozellulose, Aluminium, Mangan und
Manganoxid umfassen. Des Weiteren kann Pentaerythrittetranitrat
(PETN) als ein primärer Sprengstoff
und Gummiarabikum als Bindemittel enthalten sein.
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Die
Zündmittelmischung
wird während
der Herstellung aus Sicherheitsgründen typischerweise nass verarbeitet
und umfasst die Schritte des Verbindens von Wasser mit – auf einer
Basis des Trockengewichts in Prozent – etwa 2–20 Gewichtsprozent Wismutsulfid,
etwa 25–70
Gewichtsprozent Kaliumnitrat und etwa 25–50 Gewichtsprozent eines Explosivstoffs
und dann des Mischens. Die nass gebildete Zündmittelmischung kann dann
gewalzt und in Perkussionszündhütchen geladen
werden.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine nicht-toxische Zündmittelmischung,
die sowohl Wismutsulfid als auch Kaliumnitrat als wenigstens einen
Teil des pyrotechnischen Teils des Zündmittels umfasst. Wismutsulfid
agiert als ein Treibstoff für
Kaliumnitrat, das als ein Oxidationsmittel dient, um eine Zündflamme
bereitzustellen. Typischerweise enthält die nicht-toxische Zündmittelmischung
etwa 2 bis 20 Gewichtsprozent Wismutsulfid, etwa 25 bis 70 Gewichtsprozent
Kaliumnitrat und etwa 25 bis 50 Gewichtsprozent eines bleifreien Explosivstoffes.
Außerdem
kann das Zündmittel
zugesetzte Treibstoffe wie etwa Nitrozellulose und ein Bindemittel
wie etwa Gummiarabikum enthalten.
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Wismutsulfid
dient im allgemeinen als der Treibstoff oder das entzündbare Material
in dem pyrotechnischen System der nicht-toxischen Zündmittelmischung
und wird im allgemeinen mit der Formel Bi2S3 dargestellt. Wismutsulfid ist auch als
Wismutglanz bekannt, ein Wismuterz. Wismutsulfid ist nicht-toxisch
und nicht karzinogen, wie durch die verschiedenartigen Verwendungen
von Wismutsalzen in der Kosmetik- und der Pharmaindustrie bewiesen
ist. So werden zum Beispiel Wismut-Pharmazeutika bei der Behandlung
von Magengeschwüren
und anderen Darmproblemen oder für
den externen Gebrauch aufgrund ihrer adstringierenden und leicht
antiseptischen Eigenschaften verwendet.
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Die
Wismutsulfid-Komponente der vorliegenden Zündmittelmischung wird im allgemeinen
mit dem Oxidationsmittel (Kaliumnitrat) verbunden, um die Zündflamme
für die
Verbrennung der Treibladung zu erzeugen. Wismutsulfid wird auf der
Basis eines Trockengewichts in Prozent von zwischen et wa 2 bis 20
Gewichtsprozent der Zündmittelmischung
zugesetzt. In einem Ausführungsbeispiel
wird Wismutsulfid in Mengen von etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent der
nicht-toxischen Zündmittelmischung
zugesetzt. In einem zweiten Ausführungsbeispiel
wird Wismutsulfid in einer Menge von etwa 11 Gewichtsprozent der
Zündmittelmischung
zugesetzt. Verschiedene andere Bereiche oder Beträge an Wismutsulfid
können
der Zündmittelmischung
zugesetzt werden, wie von den Fachleuten auf diesem Gebiet verstanden
werden wird.
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Kaliumnitrat
wird der Zündmittelmischung
als ein Oxidationsmittel zugesetzt und wird allgemein mit der Formel
KNO3 dargestellt. Kaliumnitrat ist auch
als Triebsalz oder Salpeter bekannt und ist ein sehr starkes Oxidationsmittel,
das frei von toxischen Metallionen ist und bei der Verbrennung im
allgemeinen keine toxischen oder korrodierenden Nebenprodukte erzeugt.
Kaliumnitrat wird mit Wismutsulfid kombiniert, um die Zündflamme
zu erzeugen. Außerdem
kann Kaliumnitrat in der Form einer nassen Mischung verarbeitet
werden. Die Kaliumnitrat-Komponente wird im allgemeinen auf der
Basis eines Trockengewichts in Prozent von zwischen etwa 25 bis
70 Gewichtsprozent der nicht-toxischen Zündmittelmischung zugesetzt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird Kaliumnitrat in einem Betrag von zwischen etwa 35 bis 55% der
nicht-toxischen Zündmittelmischung
zugesetzt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird Kaliumnitrat
mit etwa 50 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung zugesetzt.
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Die
Zündmittelmischung
enthält
außerdem
einen bleifreien Explosivstoff, der vorzugsweise sowohl als Beschleuniger,
als auch als Sensibilisator dient. Der ausgewählte Explosivstoff ist nicht
toxisch und kann sowohl einen primären als auch einen sekundären Sprengstoff
umfassen. Vorzugsweise enthält
die Zündmittelmischung
etwa 25 bis 50 Gewichtsprozent Explosivstoff. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
enthält
das Zündmittel
zwischen etwa 33 und 41 Gewichtsprozent Sprengstoff.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird Diazodinitrophenol (DDNP) als der primäre Sprengstoff ausgewählt. DDNP
kann durch die teilweise Reduktion von Trinitrophenol und der anschließenden Diazotierung
hergestellt werden und ist in einem geringen Grade wasserunlöslich. DDNP
kann durch das Eintauchen in Wasser desensibilisiert werden, in
dem es bei einer normalen Temperatur nicht reagiert. Die Empfindlichkeit
von DDNP gegenüber
Reibung ist auch geringer als die des Quecksilberfulminats, aber
sie ist in etwa gleich der von Bleiazid. DDNP ist nicht der einzige
Primärsprengstoff,
der zur Verwendung in der Zündmittelmischung
kompatibel ist. Zum Beispiel können
zusätzliche
primäre
Sprengstoffe Kalium-Dinitrobenzofuroxan (KDNBP) sowie Derivate oder
Mischungen davon umfassen. Der primäre Sprengstoff wird dahingehend
ausgewählt,
dass er sowohl bleifrei als auch nicht-toxisch ist. Andere primäre Sprengstoffe
können
in der vorliegenden Zündmittelmischung
entweder allein oder in Kombination mit denjenigen, die oben aufgelistet
worden sind, verwendet werden, solange die ballistischen Eigenschaften
der hergestellten Zündmittel
gleich oder besser als diejenigen der Zündmittel auf der Basis von
Bleistyphnat sind.
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In
einem Ausführungsbeispiel
enthält
der explosive Teil der Zusammensetzung vorzugsweise etwa 27 bis
35% DDNP als den primären
Sprengstoff. In einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst DDNP
etwa 28 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung.
Wenn DDNP weniger als etwa 27 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung
beträgt,
dann wird typischerweise die Stoß- oder Schlagausbreitung reduziert,
und wenn es mehr als 35 Gewichtsprozent beträgt, kann die Schlaggeschwindigkeit
so ansteigen, dass sie gewünschte
oder bevorzugte Pegel überschreitet.
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Der
sekundäre
Sprengstoff ist typischerweise ein Sensibilisator, der die Umsetzgeschwindigkeit
des pyrotechnischen Systems beschleunigt. Es gibt eine Vielfalt
von Sensibilisatoren, die in die vorliegende Zündmittelmi schung aufgenommen
werden können.
Im vorliegenden Fall wird der Sensibilisator teilweise aufgrund seiner
Kompatibilität
mit dem ausgewählten
primären
Sprengstoff ausgewählt.
Der Sensibilisator verbessert die Empfindlichkeit des primären Sprengstoffs
gegenüber
dem Schlagmechanismus. Außerdem
können
Reibungsmittel wie etwa Glas verwendet werden, um die Empfindlichkeit
des primären
Sprengstoffs zu verbessern. Des Weiteren kann Pentaerythrittetranitrat
(PETN) zu der Zündmittelmischung
hinzugefügt
werden, um die Flammentemperatur zu verbessern, um bei der Zündung des
Treibmittels zu helfen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird Tetrazen als ein sekundärer
Sprengstoff ausgewählt,
der mit DDNP kombiniert wird. Tetrazen, auch bekannt als Tetrazen,
Tetrazolylguanyltetrazenhydrat oder Tetrazen-1-carboxamidin-4-(1-H-Tetrazol-5-yl)monohydrat,
wird typischerweise zu der Mischung in Kombination mit DDNP zugesetzt,
um die Empfindlichkeit der Ladung zu erhöhen. Tetrazen wird der Mischung
typischerweise in einem Betrag von zwischen etwa 4 bis 11 Gewichtsprozent
zugesetzt. In einem Ausführungsbeispiel
kann Tetrazen zum Beispiel etwa 5 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung
umfassen. Wenn Tetrazen in Beträgen
von weniger als etwa 4 Gewichtsprozent zugesetzt wird, wird es schwierig,
es bei Verwendung von typischen Herstellungstechniken zuverlässig einzuarbeiten,
und bei Konzentrationen, die größer als
etwa 11 Gewichtsprozent sind, steigt der Stoßdruck so an, dass normalerweise
akzeptable oder gewünschte
Grenzwerte überschritten
werden.
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Die
Zündmittelmischung
kann außerdem
einen zugesetzten Treibstoff umfassen, der zwischen etwa 2 bis 20
Gewichtsprozent der Zündmittelmischung
umfasst. Der zugesetzte Treibstoff kann entweder metallisch, nichtmetallisch
oder eine Kombination daraus sein. Ein Beispiel eines nichtmetallischen
Treibstoffs umfasst Nitrozellulose, die typischerweise in Beträgen von
zwischen etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung und noch genauer
von etwa 6 Gewichtsprozent zugesetzt wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
die Nitrozellulose etwa 5 bis 11 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung.
Nitrozellulose kann als eine zweibasige Nitrozellulose zugesetzt
werden. Beispiele für
metallische Treibstoffe umfassen Aluminium, Mangan und Titan oder
Kombinationen daraus. Metallische Treibstoffe werden typischerweise
in Beträgen
von bis zu etwa 10 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung zugesetzt.
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Die
Zündmittelformulierungen
können
auch ein Bindemittel enthalten, das im allgemeinen bis zu 2 Gewichtsprozent
der Zündmittelmischung
umfasst, um das Stauben zu minimieren. Typischerweise sind etwa
0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung ein Bindemittel,
und noch spezieller sind etwa 0,5 Gewichtsprozent der Zündmittelmischung
ein Bindemittel. Das Bindemittel wird im allgemeinen wegen seiner
maximalen Kompatibilität
mit der explosiven Formulierung, die hergestellt wird, ausgewählt. Das
Bindemittel kann aus einer Vielfalt von Gummimaterialien wie etwa
Gummiarabikum, und vor allem Akazien-Gummiarabikum, sowie auch Polyvinylalkohol
mit Guargummi ausgewählt
werden. Aber man hat herausgefunden, dass Gummiarabikum besonders
zufriedenstellend ist.
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Die
offenbarten Komponenten der Zündmittelmischung
können
unter Verwendung von Standard-Mischern mit niedriger Scherrate unter
Verwendung von herkömmlichen
Techniken zum Mischen von Sprengstoffen verbunden und nass gemischt
werden. Die Komponenten werden aus Sicherheitsgründen typischerweise nass gemischt,
da die explosiven Verbindungen desensibilisiert werden, wenn sie
mit Wasser gemischt werden. Bei diesen Techniken werden die Sprengstoffkomponenten
im allgemeinen zuerst gemischt, gefolgt von den Treibstoffen und
schließlich
den Oxidationsmittelkomponenten.
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Nur
beispielshalber und zur Veranschaulichung, aber nicht zur Beschränkung wird
das Mischen und die Herstellung der Zündmittelmischung unten durch
die folgenden Schritte veranschaulicht. Andere Komponenten können der
Mischung zugesetzt werden, wie oben beschrieben, und die genannte
Zündmittelmischung soll
nicht durch irgendeinen beschriebenen Prozess beschränkt werden,
sondern lediglich durch die angehängten Ansprüche.
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Die
Zündmittelmischung
kann durch die folgenden Schritte hergestellt und benutzt werden:
- 1. Innerhalb der oben beschriebenen Bereiche
werden die primären
und sekundären
Sprengstoffe in einen Kesselmixer mit einem Betrag an Wasser zugesetzt
und dann etwa 2 Minuten lang gemischt.
- 2. Innerhalb der oben beschriebenen Bereiche werden Wismutsulfid
und weitere Treibstoffe zu der nassen Mischung der Sprengstoffe
hinzugefügt
und dann etwa 2 Minuten lang gemischt.
- 3. Innerhalb der beschriebenen Bereiche wird Kaliumnitrat zu
der nassen Mischung der Sprengstoffe und des Treibstoffs zugesetzt
und dann etwa 2 Minuten lang gemischt. Danach wird die gesamte Mischung
etwa 3 Minuten lang gemischt, um das nasse gemischte Zündmittel
zu bilden.
- 4. Die sich ergebende nasse Zündmittelmischung wird auf Platten
gewalzt, die Löcher
oder Aussparungen besitzen, in denen die nasse Mischung zu Pillen
geformt und dann herausgeschlagen und in Zündhütchenhülsen geladen wird. Die sich
ergebende geladene Zündmittelmischung
wird dann mit einer Papierfolie abgedeckt und ein Amboss wird eingeführt. Dann
darf die geladene Zündmittelmischung
typischerweise 5 Tage lang bei etwa 50°C trocknen.
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Die
vorliegende Zündmittelmischung
entspricht im allgemeinen den energetischen Eigenschaften von gegenwärtig hergestellten
Formulierungen auf Basis von Bleistyphnat, was durch die nachfolgenden
Vergleichsbeispiele genauer veranschaulicht wird, bei denen sich
Teile und Prozentangaben auf das Gewicht beziehen.
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Tabelle
1 veranschaulicht die verschiedenen Komponenten der vorliegenden
Zündmittelmischung
und ihre jeweiligen Gewichtsprozente auf einer Trockengewichtbasis.
Das Bindemittel, Gummiarabikum, wird allen sechs Beispielen in Beträgen von
bis zu etwa 0,5% zugesetzt, und seine Prozentangabe ist nicht in
Tabelle 1 aufgelistet, da es so wenig von der Zündmittelmischung umfasst.
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Tabelle
2 veranschaulicht die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Zündmittelmischung
der Beispiele 1 bis 6 im Vergleich zu einer Zündmittelmischung, die aus Bleistyphnat
gebildet ist. Der Test wurde unter Verwendung des BAM-Fallprüfstand-Prüfverfahrens
durchgeführt,
das ein herkömmlicher
Falltest ist, der den Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
Die Testergebnisse für
die 50% Zündhöhe und die
Standardabweichung sind in der Tabelle 2 dargestellt, wobei die
50% Zündhöhe die Höhe ist,
bei der 50% der Zündmittel zünden und
50% der Zündmittel
beim Zünden
scheitern. Alle Höhen
sind in Zentimeter (Inch) angegeben.
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Tabelle
3 veranschaulicht die getesteten ballistischen Eigenschaften für die Beispiele
1–6 und
ein Bleistyphnat-Zündmittel.
Die Zündmittel
wurden in 9-mm-Luger-Patronen plaziert und auf ballistische Eigenschaften
im Vergleich zu einem üblichen
Zündmittel
auf Styphnat-Basis getestet.
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