JP5987446B2 - トリプルベース発射薬組成物 - Google Patents

Description

本発明は、例えば火砲用弾薬に使用されるトリプルベース発射薬組成物に関する。さらに詳しくは、取り扱い時や保存時の安全性を考慮した発射薬組成物に関するものである。

従来から、りゅう弾砲等の火砲用弾薬にはトリプルベース発射薬が使用されている。このトリプルベース発射薬は、燃焼温度を高めず、薬勢を増大し、砲身のエロージョン（焼食）を低減し、砲口炎の減少などを目的とし開発されたものである。トリプルベース発射薬の組成は、基剤としてニトロセルロース、ニトロ可塑剤、ニトログアニジンを使用し、その他に安定剤、消炎剤、光沢剤等の添加物を含有するものである（例えば非特許文献１参照）。ニトロ可塑剤としては、一般的にはニトログリセリンが用いられるが、非特許文献１には、その他に、ジエチレングリコールジナイトレートを使用することも提案されている。

このようなトリプルベース発射薬は、一般に公知の溶剤圧伸法を用いて発射薬を製造される。以下に溶剤圧伸法の主な工程について説明する。
［捏和工程］トリプルベース発射薬の原材料を捏和機に投入して撹拌して所望の粘度を有する捏和薬とする。
［圧伸工程］捏和薬を圧伸機に投入した後、捏和薬に圧力をかけダイス及びピンによって所望の形状へと成形した紐状の圧出薬とする。
［裁断工程］圧出薬をロータリー裁断機もしくはギロチン裁断機に通し、所望の薬長に裁断した裁断薬とする。
［乾燥工程］所望の水分値及び残留溶剤値になるまで裁断薬を温風で乾燥し、発射薬を得る。

「火器弾薬技術ハンドブック」財団法人 防衛技術協会、2005年2月2日 ｐ.351-352

前記非特許文献１に記載されている、ニトロ可塑剤としてニトログリセリンを使用したトリプルベース発射薬組成物は、燃焼温度や製造性は問題ないものの、感度の高いニトログリセリンが配合されているため、取り扱い時や保存時の安全性に問題を抱えていた。

これに対し、ジエチレングリコールジナイトレートは、ニトログリセリンに比べ感度が低いため、ニトロ可塑剤としてジエチレングリコールジナイトレートを使用することで、取り扱い時や保存時の安全性の向上が期待される。しかし、ジエチレングリコールジナイトレートの配合量が多過ぎると、圧出薬の弾性増大による取扱性の低下や、乾燥工程における裁断薬の収縮率のばらつき増加が発生し、製造性の低下に繋がる。また、燃焼温度を下げる効果を有するニトログアニジンの配合量が相対的に低下するため砲身が焼食しやすくなる。逆に少な過ぎると可塑剤成分の不足により延性の低下や脆性の増加に繋がり、機械的物性が低下する。すなわち、延性の低い、若しくは脆性の高い発射薬へ射撃時の大きな衝撃が与えられると、発射薬が粉砕されやすくなる。それにより、安定した発射薬の燃焼が得られにくくなり、弾丸の速度が射撃毎に安定しにくくなる。つまり、配合量によっては、要求される製造性、機械的物性及び焼食性を満足することはできない。しかしながら、前記非特許文献１では、ニトロ可塑剤としてジエチレングリコールジナイトレートを使用する場合の配合量等に関する詳細な説明はない。

そこで、本発明の目的は、製造性、機械的物性及び焼食性に優れ、且つ、取り扱い時や保存時の安全性の高いトリプルベース発射薬組成物を提供することにある。

すなわち本発明のトリプルベース発射薬組成物は、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース、成分（ｃ）ニトログアニジンを含有し、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース及び成分（ｃ）ニトログアニジンの重量総和１００重量％に対して、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレートの含有量が１５〜４６重量％であり、成分（ｂ）ニトロセルロースの含有量が２０〜５０重量％であり、成分（ｃ）ニトログアニジンの含有量が２８〜５５重量％であることを特徴とする。

本発明のトリプルベース発射薬組成物によれば、次のような効果を発揮することができる。まず、ニトロ可塑剤として、感度の低い成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレートを用いることにより、取り扱い時や保存時の安全性を確保することができる。そのうえで、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース、成分（ｃ）ニトログアニジンを含有し、且つ成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース、成分（ｃ）ニトログアニジンの含有量を特定の範囲内とすることにより、優れた製造性、機械的物性及び焼食性をも確保することができる。つまり、本発明によれば、製造性、機械的物性及び焼食性に優れ、且つ、取り扱い時や保存時の安全性の高いトリプルベース発射薬組成物を提供することができる。

以下に本発明の実施態様について具体的に説明する。
本発明は、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース、成分（ｃ）ニトログアニジンを特定の配合割合で含有するものである。特定の配合割合とすることにより取り扱い時や保存時の安全性を維持しつつ、製造性、機械的物性及び焼食性に優れる発射薬組成物を得られる。

＜成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート＞
まずは、成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレートについて説明する。ジエチレングリコールジナイトレートとは、硝酸エステルを含むエネルギー可塑剤であり、従来から硝酸エステル系エネルギー可塑剤として使用されているニトログリセリンと比べて、衝撃に対する感度は鈍感であり、安全性が高い物質である。

ジエチレングリコールジナイトレートの含有量は、ジエチレングリコールジナイトレート、ニトロセルロース及びニトログアニジンの重量総和１００重量％に対して、１５〜４６重量％であり、好ましくは２５〜３５重量％である。含有量が４６重量％を越えると発射薬の可塑剤成分が過剰となり、圧出薬の粘性低下による取扱性の低下や、乾燥工程における裁断薬の収縮率のばらつき増加が発生し、発射薬組成物の製造性が低下する傾向にある。また、含有量が１５重量％未満では発射薬組成物の可塑剤成分が過小となり、機械的物性が低下する傾向にある。すなわち、可塑剤成分の不足により延性が低下及び脆性が増加し、射撃時に発射薬が破壊しやすくなる。それにより、弾丸の速度が射撃毎に安定しにくくなる場合や、さらには、音速以上の燃焼速度で燃焼が進行する爆ごう反応による爆発が発生し、周囲の人員や機材に甚大な被害をもたらす場合がある。

＜成分（ｂ）ニトロセルロ−ス＞
次に、成分（ｂ）ニトロセルロ−スについて説明する。ニトロセルロース（硝化綿）は、燃料であるとともに、発射薬を粒状化（グレイン化）するための結合剤（バインダー）として機能する成分である。ニトロセルロ−スは、セルロ−スを硝酸と硫酸との混酸で処理して得られる硝酸エステルである。

ニトロセルロ−スの含有量は、ジエチレングリコールジナイトレート、ニトロセルロース及びニトログアニジンの重量総和１００重量％に対して、２０〜５０重量％であり、好ましくは２７〜４３重量％である。ニトロセルロ−スの含有量が５０重量％を越える場合には、燃焼温度の低減を図りにくくなり好ましくない。エネルギー基材であるニトログアニジンの配合量が相対的に低下するためである。ニトロセルロ−スの含有量が２０重量％未満の場合には、結合剤成分の不足により延性の低下や脆性の増加により、機械的物性が低下する傾向にある。また、延性の低下により、製造性が損なわれることになる。

＜成分（ｃ）ニトログアニジン＞
次に、成分（ｃ）ニトログアニジンについて説明する。ニトログアニジンとはニトロ化合物であるエネルギー基剤であり、燃焼温度を下げ、また火薬力を向上させる機能を有する成分である。

ニトログアニジンの含有量は、ジエチレングリコールジナイトレート、ニトロセルロース及びニトログアニジンの重量総和１００重量％に対して、２８〜５５重量％であり、好ましくは３４〜４５重量％である。ニトログアニジンの含有量が５５重量％を越える場合には、結合剤成分であるニトロセルロース及び可塑剤成分であるジエチレングリコールジナイトレートの配合量が相対的に低下するため延性が低下及び脆性が増加し、機械的物性が低下する傾向にある。ニトログアニジンの含有量が２８重量％未満の場合には、ニトロセルロースの配合量が相対的に増加するため、燃焼温度の低減が図れず、砲身のエロージョンが増大して砲身寿命を短くする傾向にある。

本発明の発射薬組成物には、前記の成分以外に、必要に応じて通常の発射薬に使用されている安定剤、消炎剤、光沢剤等を含有してもよい。安定剤としては、例えばジフェニルウレア、メチルジフェニルウレア、エチルジフェニルウレア、ジエチルジフェニルウレア、ジメチルジフェニルウレア、メチルエチルジフェニルウレア等のジフェニルウレア誘導体、ジフェニルアミン、２−ニトロジフェニルアミン等のジフェニルアミン誘導体、エチルフェニルウレタン、メチルフェニルウレタン等のフェニルウレタン誘導体、ジフェニルウレタン等のジフェニルウレタン誘導体、レゾルシノール等が挙げられる。これらの化合物は、単独で又は２種以上の混合物として用いられる。

これらの化合物の中では、融点が１２０℃以上であるため高温時においてもニトロセルロ−スから発生する窒素酸化物を確実に捕捉し、ニトロセルロ−スの自然分解を抑制する効果の高いジフェニルウレア誘導体、具体的にはメチルジフェニルウレア、ジフェニルウレア又はジメチルジフェニルウレアが好ましく、メチルジフェニルウレア又はジメチルジフェニルウレアが特に好ましい。

消炎剤としては、例えば硫酸カリウム、硝酸カリウム等が挙げられ、光沢剤としては例えば黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック等を挙げることができ、各割合は通常の範囲で用いられる。

次に製造方法について説明する。
本発明のトリプルベース発射薬組成物を押出成形することにより、トリプルベース発射薬を製造することができる。まず、最初に、ジエチレングリコールジナイトレート、ニトロセルロース、ニトログアニジン、必要により安定剤、消炎剤及び光沢剤を所定量計量する。計量後、全ての原材料を捏和機に入れ、更に有機溶剤を適量捏和機内に加えて均一に混合する。次に、前記の混合物を押出装置に装填して所定の圧力を加え、ダイスを通しながら押し出すことにより、所定の形状及び大きさに成形する。その後、裁断及び乾燥することにより所定の形状及び大きさを有するトリプルベース発射薬を製造することができる。

なお、押出成形法で用いられる有機溶剤としては、結合剤であるニトロセルロースを溶かすものまたは膨潤させるもの全て使用可能である。例えば、アセトン、メチルアルコ−ル、エチルアルコール、イソプロピルアルコ−ル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチルエ−テル、トルエン、メチルエチルケトン等の有機溶剤が挙げられる。これらの混合溶液も使用可能である。特に、ニトロセルロースとの相溶性に優れる点で、アセトン、エチルアルコ−ル、ジエチルエーテルが好ましい。

次に成形物である発射薬について説明する。トリプルベース発射薬は、用途に応じて適宜の大きさ・形状にすることが可能である。形状の例としては、例えば無孔管状、単孔管状、多孔管状等である。単孔管状とは軸線方向に延びる１個の貫通孔を有する円柱体や六角柱体のことであり、多孔管状とは軸線方向に延びる複数（例えば７個、１９個及び３７個）の貫通孔を有する円柱体や六角柱体のことである。

以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて、トリプルベース発射薬組成物を押出成形して発射薬を製造し、その際の製造性及び得られた発射薬の特性を評価した結果を説明するが、本発明はそれら実施例の範囲に限定されるものではない。表１中における略号は次の意味を表す。また、表１及び以下の説明における％表示は重量基準である。
ＤＥＧＮ：ジエチレングリコールジナイトレート
ＮＣ：ニトロセルロース
ＮＱ：ニトログアニジン

＜実施例１＞
表１に記載の組成で以下の方法によりトリプルベース発射薬組成物の成形物を製造した。
可塑剤成分であるジエチレングリコールジナイトレート３３％、結合剤成分であるニトロセルロース２７％、基剤成分であるニトログアニジン４０％の割合になるように混合した混合物（発射薬組成物）に対し、アセトン５５％及びエチルアルコ−ル４５％の混合溶液を発射薬組成物の重量に対して３０％加え、いわゆるウェルナー混和機で均一に混合した。なお、ウェルナー混和機は、横方向に延びる回転軸に取付けられた撹拌羽根により撹拌、混合する装置である。次いで、この混合物（捏和薬）を押出装置に装填した。押出装置には予め１２.５ｍｍのダイス及び０.５ｍｍのピンが取り付けられており、捏和薬は圧力をかけることにより、このダイスを通りながら押出され、１９個の貫通孔を有する１９孔管状円柱薬の圧出薬を成形した。この圧出薬を１０．０ｍｍの長さに裁断し、乾燥することにより粒状のトリプルベース発射薬を得た。その際の製造性について後述する方法にて評価した。
また、このトリプルベース発射薬を用い、後述する方法にて機械的物性及び焼食性の評価を行った。それらの結果を表１に示した。

＜実施例２〜６＞
表１に記載の組成で前記実施例１に準じて各トリプルベース発射薬を製造し、製造性、機械的物性及び焼食性を求めた。それぞれの結果を表１に示す。

＜比較例１〜６＞
表１に示した組成で、実施例１と同様の方法によりトリプルベース発射薬を各々製造した。各々の特性を実施例１と同じ方法で評価した。それらの結果を表１に示した。

次に、実施例及び比較例における発射薬組成物の特性を評価する方法について以下に示す。
[製造性]
製造性の評価方法について説明する。各実施例及び比較例の発射薬組成物を押出成形装置で押出成形する場合の成形しやすさ、及び裁断機まで運搬する際の取扱性に関し、下記の評価基準にて評価を行った。
◎：圧出薬の柔軟性が極めて適正であり、極めて容易に取扱うことができた。
○：圧出薬の柔軟性が適正であり、容易に取扱うことができた。
△：圧出薬の柔軟性が低く又は高すぎるため、注意しながら取扱いを行う必要があった。
×：圧出薬の柔軟性が適正ではなく、取扱いに問題が生じた。
製造性に関しては、◎もしくは○とする必要がある。

［機械的物性］
発射薬の機械的物性を評価するための圧縮強度試験方法について説明する。圧縮強度試験は、ミネベア（株）製の引張圧縮試験機（ＡＬ−５０ｋＮＢ）を用いて行った。試料としてトリプルベース発射薬組成物の成形物を試料台中央部に載せた後、長さ方向に３０ｍｍ／分の速度で圧縮して圧縮試験を行った。そして、応力ひずみ曲線より最大荷重値及び圧縮率を読みとり、機械的物性の評価を行った。戦車砲、野戦砲等の射撃時には大きな衝撃がトリプルベース発射薬に与えられる。そのため、トリプルベース発射薬には、その衝撃に耐えられることが要求される。本試験においては、最大荷重値が２３ＭＰａ以上、圧縮率が８.０％以上とする必要がある。

［焼食性］
焼食性の評価方法について説明する。ここでは、焼食性の指標となる燃焼温度を算出した。砲身内面に生じる焼食（エロージョン）を低減させるためにはできるだけ燃焼温度を低くすることが好ましい。燃焼温度は、当該分野で公知の熱平衡計算にて算出を行った。熱平衡計算にて算出した燃焼温度が２８５０Ｋ以下とすべきである。

表１の試験結果より次のようなことがわかった。
実施例１〜６に示したトリプルベース発射薬は、いずれも製造性及び焼食性に問題のないことが明らかとなった。さらに機械的物性においては、全てが２５ＭＰａ以上の最大荷重値を有しており、且つ全てが８.１％以上の圧縮率を有しており機械的物性にも問題のないことが確認できた。

表１に示したように、ジエチレングリコールジナイトレートを１３重量％配合した比較例１では焼食性については問題ないものの、可塑剤成分が不足するため、機械的物性及び製造性に問題が生じることがわかった。これに対し、ジエチレングリコールジナイトレートを１５重量％配合した実施例２では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ジエチレングリコールジナイトレートの配合量は、少なくとも１５重量％以上が必要であることが明らかになった。

また、ジエチレングリコールジナイトレートを４８重量％配合した比較例２では、焼食性及び機械的物性については問題ないものの、可塑剤成分が過剰となるため、圧出薬の柔軟性が非常に高くなり、製造性に問題が生じることがわかった。これに対し、ジエチレングリコールジナイトレートを４６重量％配合した実施例３では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ジエチレングリコールジナイトレートの配合量は、多くとも４６重量％以下とする必要のあることが明らかになった。

ニトロセルロースを１８重量％配合した比較例３では、焼食性、機械的物性については問題ないものの、結合剤成分が不足するため、製造性に問題が生じることが判った。これに対し、ニトロセルロースを２０重量％配合した実施例３では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ニトロセルロースの配合量は、少なくとも２０重量％以上が必要であることが明らかとなった。

ニトロセルロースを５２重量％配合した比較例４では、機械的物性及び製造性については問題ないものの、燃焼温度を高くする作用を有するニトロセルロースが多いため、焼食性に問題が生じることがわかった。これに対し、ニトロセルロースを５０重量％配合した実施例４では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ニトロセルロースの配合量は、５０重量％以下とする必要があることが明らかとなった。

ニトログアニジンを２６重量％配合した比較例５では、機械的物性及び製造性については問題ないものの、燃焼温度を低くする作用を有するニトログアニジンが少ないため、焼食性に問題が生じることがわかった。これに対し、ニトログアニジンを２８重量％配合した実施例５では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ニトログアニジンの配合量は、２８重量％以上とする必要があることが明らかとなった。

ニトログアニジンを５７重量％配合した比較例６では、焼食性については問題ないものの、固体成分であるニトログアニジンの含有量が増加するため、機械的物性、製造性に問題が生じることがわかった。これに対し、ニトログアニジンを５５重量％配合した実施例６では製造性、機械的物性及び焼食性に問題がないことから、ニトログアニジンの配合量は、５５重量％以下とする必要があることが明らかとなった。

以上のように、本発明のトリプルベース発射薬組成物は、可塑剤成分として感度の低いジエチレングリコールジナイトレートを用いることで取り扱い時や保存時の安全性を確保しつつ、ジエチレングリコールジナイトレート、ニトロセルロース及びニトログアニジンの配合量を上記のように限定することで、製造性、機械的物性及び焼食性に優れるものである。

Claims (1)

1. 成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース、及び成分（ｃ）ニトログアニジンのみからなる基剤を含有するトリプルベース発射薬において、
   成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレート、成分（ｂ）ニトロセルロース及び成分（ｃ）ニトログアニジンの重量総和１００重量％に対して、
   成分（ａ）ジエチレングリコールジナイトレートの含有量が１５〜４６重量％であり、
   成分（ｂ）ニトロセルロースの含有量が２０〜５０重量％であり、
   成分（ｃ）ニトログアニジンの含有量が２８〜５５重量％である
   ことを特徴とするトリプルベース発射薬組成物。