Electrostatic Discharge Ignition of Energetic Materials

Electrostatic discharge(ESD) ignition of explosives, pyrotechnics, or propellants is often considered to be mainly dependent upon various physical characteristics of the energetic material. This work shows that ESD ignition of secondary explosives tested in powdered form is primarily dependent upon the chemical characteristics of the energetic material(i.e., the decomposition rate kinetics of the materials). We propose that ignition occurs when a spark raises the temperature of the explosive particles to the point where thermal runaway occurs. ESD sensitivities of a diverse series of explosives were measured using a traveling needle test apparatus with the powders slightly confined by Mylar tape to prevent formation and ignition of a dust cloud. Using global thermal decomposition rate coefficient expressions, two parameters were calculated for each explosive:(1) the critical temperatures according to the Frank-Kamenetskii formula for 20 μm particles of each explosive and(2) the temperatures at which the rate coefficient equaled 103 s−1. These two sets of data were correlated with the observed ESD sensitivities for 50 percent probability of ignition, E50. Excellent correlations resulted, indicating that for ESD ignition under these conditions the spark discharge is primarily a thermal source. Die Zundung von Explosivstoffen, Pyrotechnika oder Treibstoffen durch elektrostatische Entladung(ESD) wird oftmals als abhangig von den verschiedenen physikalischen Eigenschaften angesehen. Die vorliegende Arbeit zeigt, das die ESD-Zundung von Sekundarsprengstoffen in Pulverform in erster Linie von den chemischen Eigenschaften der Energietrager abhangt(d.h. von der Kinetik der Zersetzungsgeschwindigkeit der Materialien). Es wird die These aufgestellt, das Zundung dann eintritt, wenn ein Funken die Temperatur der Explosivstoffteilchen auf einen Punkt ansteigen last, wo die Reaktion thermisch weiterlauft. Die Sensibilisierung der ESD bei verschiedenen Explosivstoff-Serien wurde gemessen unter Verwendung eines beweglichen Nadeltest-Apparates bei leichter Abdeckung der Pulver mit einem Mylarband, um die Bildung und Zundung einer Staubwolke zu verhindern. Fur jeden Explosivstoff wurden zwei Parameter berechnet unter Verwendung eines allgemein gultigen thermischen Zersetzungsgeschwindigkeits-Koeffizienten:(1) die kritischen Temperaturen nach der Frank-Kamenetskii-Formel fur 20 μm-Partikel jedes Explosivstoffs(2) die Temperaturen bei denen der Geschwindigkeitskoeffizient in etwa 103 s−1 erreicht. Diese beiden Datensatze wurden korreliert mit den Werten der beobachteten ESD-Empfindlichkeit mit 50% Zundwahrscheinlichkeit, E50. Ausgezeichnete Korrelationen wurden erhalten, die zeigten, das fur die ESD-Zundung unter diesen Bedingungen die Funkenentladung in erster Linie eine Warmequelle ist. L'allumage de substances explosives, pyrotechniques ou de propergols par decharge electrique(ESD) est souvent considere en fonction de differentes caracteristiques physiques des materiaux energetiques. La presente etude montre que l'allumage ESD d'explosifs secondaires sous forme de poudre depend au premier chef des proprietes chimiques du materiau energetique(c'est-a-dire de la cinetique de la vitesse de decomposition des substances). Nous posons que l'allumage a lieu lorsqu'une etincelle porte la temperature des particules explosives au point au la reaction se poursuit thermiquement. La sensibilisation ESD de differentes series d'explosifs a ete mesuree en utilisant un appareil de test a aiguille mobile avec une poudre legerement confinee par un ruban Mylar, afin d'empecher la formation et l'allumage d'un nuage de poussiere. Pour chaque substance explosive, on a calcule deux parametres en utilisant un coefficient de vitesse de decomposition thermique global:(1) les temperatures critiques suivant la formule de Frank-Kamenetskii pour les particules de 20 μm de chaque explosif, et(2) les temperatures pour lesquelles le coefficient de vitesse est egal a 103 s−1. Ces deux ensembles de donnees ont ete correles avec les valeurs de la sensibilisation ESD observees pour une probabilite de 50%, E50. On a obtenu d'excellentes correlations indiquant que, pour l'allumage ESD dans ces conditions, la decharge de l'etincelle est en premier lieu une source thermique.