專利名稱：使固體推進劑火箭發(fā)動機的殼體絕熱的方法
相關(guān)申請本申請要求1999年12月23日在美國專利商標局提出的U.S.臨時申請60/171,619的優(yōu)先權(quán)，它的全部公開內(nèi)容被引入這里作參考。
本發(fā)明的起源美國政府已經(jīng)擁有本發(fā)明的專利許可和有限的權(quán)限來要求專利所有人依據(jù)由F04611-97-C-0053的各項條款所提供的合理法律條款，將其它(權(quán)利)許可給空軍火箭實驗室(the Air Force Rocket Laboratory)。
本發(fā)明的背景1.本發(fā)明的領域本發(fā)明涉及制造供火箭發(fā)動機用的彈性體型絕熱體的方法，和尤其涉及一種方法，其中脆的碳纖維與EPDM混合和優(yōu)選均勻地分散于EPDM中，在纖維的引入過程中不需要使用揮發(fā)性溶劑來溶解EPDM。本發(fā)明的絕熱體尤其可用于放置在噴嘴或殼體中，包括在固體推進劑藥粒和火箭發(fā)動機殼體之間，以保護殼體免受在固體推進劑藥粒的燃燒過程中經(jīng)歷的高溫。
2.相關(guān)技術(shù)的敘述固體燃料火箭發(fā)動機典型地包括容納固體推進劑藥粒的外殼體或外殼。該火箭發(fā)動機殼體常常是從堅硬的、耐久的材料如鋼或長纖維纏繞的復合材料制造的。該推進劑被裝在殼體內(nèi)并且是從一種組合物配制的，該組合物經(jīng)設計后可以燃燒，因此產(chǎn)生了為實現(xiàn)火箭發(fā)動機推進所必需的推力。
在操作期間，絕熱層(絕熱體)保護該火箭發(fā)動機殼體不致于遭遇加熱和燃燒推進劑所產(chǎn)生的顆粒流。
典型地，該絕熱體粘結(jié)于殼體的內(nèi)表面上和一般從能夠承受當推進劑藥粒燃燒時所產(chǎn)生的高溫氣體的一種組合物制造。襯層(襯里)用于將推進劑藥粒粘結(jié)于殼體的絕熱層和任何非絕熱部分，以及抑制界面燃燒.襯里組合物一般是現(xiàn)有技術(shù)領域中那些技術(shù)人員已知的。舉例的襯里組合物和將該組合物應用于殼體上的方法已公開于美國專利No.5,767,221，它的完全公開內(nèi)容在與本說明書相容的程度上被引入這里供參考。
固體推進劑的燃燒在火箭發(fā)動機殼體內(nèi)產(chǎn)生了極端條件。例如，在火箭發(fā)動機殼體內(nèi)的溫度典型地達到2760℃(5,000°F)，和內(nèi)壓力可以超過1,500psi。這些因素相結(jié)合在火箭發(fā)動機殼體內(nèi)創(chuàng)造了高度的紊流。另外，顆粒典型地夾含在推進劑燃燒過程中產(chǎn)生的氣體中。在紊流環(huán)境下，這些夾含的顆粒能夠腐蝕該火箭發(fā)動機絕熱體。如果在火箭發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中該絕熱層和襯里被穿透，則殼體容易發(fā)生熔化或降解，這將導致火箭發(fā)動機的破壞。因此，關(guān)鍵的是絕熱組合物承受在推進劑燃燒過程中經(jīng)歷的極端條件和保護殼體不受燃燒的推進劑的影響。也關(guān)鍵的是絕熱組合物具有可接受的貯存期限特性，以使得它保持充分柔順，不會完全固化，直至用于火箭發(fā)動機殼體中時為止。這一要求是重要的，因為大量絕熱材料的生產(chǎn)需要在使用之前在貯存狀態(tài)中等待數(shù)月。典型地，該絕熱材料在未固化狀態(tài)或至多部分固化狀態(tài)下以大卷裝來貯存，直至使用時為止。許多的固化劑是眾所周知的和慣常使用的，但是仍然必須與總體EPDM配方相適應，以獲得滿意的貯存期限。這進而要求固化劑活性的平衡。
過去，在生產(chǎn)絕熱材料時為了保護火箭發(fā)動機殼體的各種嘗試都集中于填料填充和未填充的橡膠和塑料，如酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂，耐高溫蜜胺-甲醛涂料，陶瓷，聚酯樹脂等。然而，由于在燃燒過程中遇到的急促的溫度與壓力波動的結(jié)果，這些塑料將開裂和/或產(chǎn)生氣泡。
彈性體組合物也已經(jīng)在大量的火箭發(fā)動機中用作火箭發(fā)動機絕熱材料。已經(jīng)選擇了彈性體組合物，因為它們的機械，熱，和燒蝕性能特別適合于火箭發(fā)動機應用。然而，彈性體的燒蝕性能對于火箭發(fā)動機運轉(zhuǎn)來說常常是不夠的。例如，絕熱體，不論是熱固性的還是熱塑性性，體現(xiàn)特征于較高的磨蝕速率，除非用合適填料來增強。避免這一高磨蝕速率的關(guān)鍵性可通過由于磨耗原因引起的破壞風險的嚴重性和程度來說明。大部分絕熱體在導致剝奪人生命的災難性破壞的意義上必然是“適于載人的(man-rated)”--不論該火箭發(fā)動機用作航天飛機的發(fā)射的運載工具或在作戰(zhàn)時在強擊機的機翼下攜帶。衛(wèi)星發(fā)射中失敗的貨幣支出是公知的并且是數(shù)以億計的美元。
為了改進彈性體組合物的燒蝕性能，曾經(jīng)有人建議用填料(如有機纖維或碳纖維)增強彈性體組合物。例如，由作為主要三元共聚物的固體NORDEL 1040組成的舉例性質(zhì)的碳纖維填充的火箭發(fā)動機絕熱體通常在工業(yè)中已知為STW4-2868絕熱體并具有下列組成表1STW4-2868絕熱體配方(碳纖維；重量份)
雖然有機纖維能夠沒有太多困難地分散于EPDM中，但是，碳纖維在彈性體組合物中的均勻分散將遇到難以加工的問題?；旌线^程因為碳纖維的脆性而變復雜。在高剪切下碳纖維混入固體彈性體中將使碳纖維在物理上退化為較小的顆?；蛩槠?，因此否定了碳纖維另外促進絕熱的這一理想的物理屬性。
通常，碳纖維脆性的問題已經(jīng)通過用合適有機溶劑將彈性體溶解成溶液以降低彈性體或彈性體混合物的粘度而得到解決。合適的溶劑包括，例如，烴類如己烷，庚烷，和/或環(huán)己烷。脆弱的石墨化炭纖維因此能夠與該溶液在例如δ-葉片式混合器中進行混合，不會對碳纖維造成顯著的破壞或損害。該材料然后被制成片和讓溶劑在環(huán)境大氣中或在烘箱中蒸發(fā)。
溶劑在這一加工技術(shù)中的使用體現(xiàn)了若干缺點。例如，溶劑加工技術(shù)，如通常用于分散碳纖維在EPDM(乙烯-丙烯-二烯單體)橡膠中的那些，是相對昂貴的。因為溶劑的使用而增加了材料成本，同時還增加加工成本，因為需要附加的工人和設備來處置和處理該溶劑。此外，相當大的成本和工人安全問題與危險的揮發(fā)性有機溶劑的廢棄處理有關(guān)。
因此，雖然長期以來已認識到碳纖維填充的EPDM是此類火箭發(fā)動機絕熱體的優(yōu)異備選物，但是在本技術(shù)領域中仍然需要用于生產(chǎn)具有均勻地分散在其中的碳纖維，但不會受到顯著破壞或損害的EPDM絕熱體的一種低成本和無危險的無溶劑合成途徑。
本發(fā)明的概述所以，本發(fā)明的目的是通過提供制造EPDM火箭發(fā)動機絕熱體的方法來滿足以上列出的在現(xiàn)有技術(shù)中的長期需要，在該絕熱體中碳纖維分散和固定在EPDM聚合物基質(zhì)中，但是，當遇到為了將碳纖維均勻地或其它狀態(tài)分布或分散在EPDM聚合物基質(zhì)中所需要的剪切程度時，它不會過分地破裂或破碎，即破碎成小的碎片。
上述及其它目的可通過基本上無溶劑的過程來實現(xiàn)，其中絕熱體經(jīng)過分布/低剪切的混合(distributive/reduced shear mixing)方法將脆性碳纖維沒有過度損害地分布到橡膠基質(zhì)中來制造。
根據(jù)這一基本上無溶劑的方法的一個實施方案，該彈性體組合物包括碳纖維和EPDM三元共聚物，它的至少50wt％是作為一種成分被引入到混合裝置中，因為具有足夠低的分子量和高二烯含量的液體EPDM三元共聚物可使碳纖維分散在EPDM中但沒有纖維的顯著破碎。這里所述的液體EPDM是指在室溫下可流動的EPDM三元共聚物。這一實施方案的合適的混合裝置包括δ-葉片式和垂直葉片式攪拌器。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)和軸向混合運動施加于碳纖維的某些捏和機，如下面與第二實施方案相關(guān)所討論的，也能夠使用。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，通過使用一種捏合機，任選在基本上無溶劑的條件下有很少或根本沒有液體EPDM三元共聚物的情況下，制備彈性體組合物，該捏合機能夠沿著螺桿軸來轉(zhuǎn)動具有不連續(xù)的螺紋的螺桿，同時對螺桿施加軸向往復沖程。這一捏和機使碳纖維在EPDM三元共聚物中進行低剪切分配性混合。在這一實施方案中使用的捏和機是尤其合適的，其中很少或根本沒有液體EPDM成分和沒有揮發(fā)性溶劑包括在配方中。
這里所述的碳纖維是發(fā)生了至少充分的石墨化或碳化，和優(yōu)選具有約98wt％或98wt％以上碳含量的纖維。
在閱讀詳細說明和附加的權(quán)利要求(當與附圖相結(jié)合來閱讀時解釋了本發(fā)明的原理)之后本發(fā)明的其它目的、方面和優(yōu)點對于本技術(shù)領域中那些技術(shù)人員來說是顯而易見的。
附圖的簡述該附圖用于說明本發(fā)明的原理。在附圖中

圖1是提供了絕熱體的火箭發(fā)動機組的示意性的剖視圖；圖2是適合本發(fā)明使用的捏合裝置的示意性的剖視圖；圖3是沿著圖2中剖面線III-III截取的剖視圖；圖4是圖2的捏合裝置的不連續(xù)螺桿機筒的軸向段的示意性視圖；圖5是圖4的示意性視圖，捏合裝置的捏和銷疊加到所說明的軸向段上；圖6是圖5的示意性視圖，顯示了在捏和銷當中所選擇的那些銷相對于不連續(xù)螺桿機筒(尤其相對于機筒的螺紋齒)的相對運動的路徑；和圖7是在下面的試驗實施例中使用的焦炭(char)發(fā)動機的示意性剖視圖。
本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明的絕熱組合物10，當處于固化狀態(tài)時，尤其適合于配置在火箭發(fā)動機殼體12的內(nèi)表面上，如圖1所示。典型地，在絕熱體10和推進劑16之間設置襯里14。該絕熱體10和襯里14用于保護殼體12以免處于當推進劑16發(fā)生燃燒反應并燃盡通過渦輪導向器(nozzle assembly)20時由推進劑16所產(chǎn)生的極端條件下。為火箭發(fā)動機殼體12裝載絕熱體10、襯里14和推進劑16的方法是本技術(shù)領域中那些技術(shù)人員已知的，并且無需過多的實驗，能夠根據(jù)本技術(shù)領域中的基本常識容易地采用它來引入本發(fā)明的絕熱體組合物。
與在混合裝置中利用溶劑將碳纖維均勻分布在固體EPDM成分中但沒有顯著的纖維破碎的傳統(tǒng)方法不同，本發(fā)明的目的是在無溶劑條件下或在至少基本上無溶劑的條件下實現(xiàn)碳纖維在EPDM基質(zhì)中的分布。這里所述的“基本上無溶劑”是指該方法是以足夠少量的揮發(fā)性溶劑來進行的，即使在絕熱體的制造過程中沒有除去揮發(fā)性溶劑，該揮發(fā)性溶劑不會以充足的量存在而使得在制造，火箭發(fā)動機貯存或火箭發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中由于溶劑的揮發(fā)來違反現(xiàn)行的環(huán)境或安全法規(guī)。通常，該術(shù)語“基本上無溶劑”優(yōu)選指不超過大約5wt％的揮發(fā)性溶劑(基于絕熱體的干燥成分)。優(yōu)選，該方法完全無揮發(fā)性溶劑地進行。
根據(jù)本發(fā)明的第一個實施方案，這一和其它目的可通過使用液體EPDM作為引入到混合裝置中的EPDM成分的主要部分來實現(xiàn)的。用于確保纖維的均勻分布，但沒有伴隨纖維的過度破碎所需要的液體EPDM成分的量將取決于所使用的混合裝置。通常，當絕熱體工業(yè)中已知的普通混合器如δ-葉片式混合器用于將碳纖維分散于EPDM基質(zhì)中時，該絕熱體組合物優(yōu)選含有至少大約50wt％，和更優(yōu)選至少大約90wt％的液體EPDM作為成分，基于EPDM的總重量(即，固體和液體EPDM成分)。當垂直葉片式混合器用于將碳纖維分散于EPDM基質(zhì)中時，該絕熱體組合物優(yōu)選含有稍微更多的液體EPDM，如至少大約90wt％，和更優(yōu)選至少大約95wt％的液體EPDM作為成分，基于EPDM的總重量(即，固體和液體EPDM成分)。當使用捏合機如在圖2-6中說明的捏合機時，需要甚至更少的液體EPDM(或甚至沒有液體EPDM，這將在下面的第二個實施方案中詳細說明)來實現(xiàn)纖維的均勻分散但沒有過分的破碎，即在引入到捏合機中時全部的EPDM處于固態(tài)。
通常，該EPDM(即固體和液體成分)占該火箭發(fā)動機絕熱體的總重量的大約35wt％到大約90wt％，和更優(yōu)選大約45wt％到大約75wt％。該EPDM三元共聚物能夠從1，4-己二烯，雙環(huán)戊二烯，和/或作為二烯組分的亞烷基降冰片烯如亞乙基降冰片烯(ENB)制備。合適的市場上可買到的液體EPDM三元共聚物是TRILENE 67A和TRILENE 77，可從Uniroyal Chemical獲得。然而需要指出的是，一部分或全部的液體EPDM能夠被另一種液態(tài)聚合物成分如液體聚氨酯類所取代，只要取代的液態(tài)聚合物成分獲得相同的碳纖維的分布功能但沒有過分的破碎就行。用于本發(fā)明中的具有1，4-己二烯組分的合適的固體EPDM三元共聚物包括由DuPont制造的NORDEL 1040，NORDEL 2522和NORDEL 2722E。用于本發(fā)明中的具有ENB二烯組分的合適的固體EPDM三元共聚物包括，不受限制的和如上所述的，KELTAN 4506，KELTAN 1446A，KELTAN 2308，其中每一種購自荷蘭的DSM公司，和NORDELIP 4520和NORDEL IP 4640，兩者屬于DuPont Dow Elastomers并從該公司購得。
固化包裝料能夠包括用于使聚合物或聚合物前體(例如預聚物)交聯(lián)和/或擴鏈的硫化劑和/或過氧化物固化劑。合適的不溶性硫化劑是AkroChem的AKROSPERSE IS-70，購自Charles H.Haynes，Inc的CRYSTEXOT-20。元素硫的其它形式也能夠使用。合適的過氧化物固化劑包括過氧化二枯基，2，5-二甲基-2，5-雙(叔丁基過氧基)己烷，2，5-二甲基-2，5-雙(苯甲?；^氧基)己烷，2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基過氧基)-3-己烷，4，4-雙(叔丁基過氧基)戊酸正丁基酯，4，4’-甲基-雙-(環(huán)己基胺)氨基甲酸鹽，1，1-雙(叔丁基過氧基)-3，3，5-三甲基環(huán)己烷，α，α’-雙(叔丁基過氧基)二異丙基苯，2，5-二甲基-2，5-雙(叔丁基過氧基)己炔-3，和過苯甲酸叔丁酯。市場上可買到的過氧化物能夠以商品名Di-Cup 40KE購得，它包括在粘土載體上的大約40％過氧化二異丙基苯。(該粘土載體可從Burgess Pigment Company獲得。)另一合適的固化劑(除硫和過氧化物固化劑外)是用溴甲基加以烷基化的酚醛樹脂，可從Schenectady Int’l，Inc.of Schenectady，N.Y以SP-1056購得。
在典型的配方中，該固化劑包括大約0.5phr到大約8phr，更優(yōu)選大約2phr到大約5phr。這里所述的和現(xiàn)有技術(shù)領域中公認的“phr”意指重量份/每100重量份聚合物。
該固化包裝料優(yōu)選也包括至少一種磷酸鹽固化促進劑。對于硫固化劑，促進劑能夠是，例如，RHENOCURE AP-5，RHENOCURE AP-7，RHENOCUREAP-3，RHENOCURE ZADT/G，和RHENOCURE S/G，它們可從Rhein Chemie和Accelerator VS獲得，可從Akro Chem獲得?？膳c磷酸鹽固化促進劑相結(jié)合使用的附加固化促進劑包括butyl zimate；二硫化苯并噻唑(商業(yè)上已知為ALTAX)；含二硫代氨基甲酸酯的摻混物(如AkroChem的AKROFORMDELTA P.M.)；和硫化物如六硫雙五亞甲基秋蘭姆(如R.T.Vanderbilt的SULFAD)。盡管Accelerator VS的使用最初在一些配制劑中無法接受，因為它產(chǎn)生的噁臭的問題，現(xiàn)在也已經(jīng)知道，此類配制劑能夠制成沒有太多的氣味，如果向其中添加大約1.0phr氧化鎂的話。
用于該固化包裝料的合適的固化活化劑包括金屬氧化物，如氧化鋅(例如，Rhein Chemie Corp.of Trenton，N.J的TZFD-88p)，氧化鎂(例如，Morton Chemical Co.的Elastomag 170)，和硬脂酸(包括棕櫚酸)，它從Harwick Standard Distribution Corp.of Akron，Ohio商購。
該碳纖維是已發(fā)生至少部分石墨化或碳化的纖維，和優(yōu)選具有大約98wt％或98wt％以上的碳含量。該碳纖維應該具有適合于在混合設備中分布的長度。通常，該碳纖維優(yōu)選是非連續(xù)的，和在長度上不低于大約1/16的英寸和在長度上不超過大約6英寸，雖然這些范圍對于本發(fā)明范圍來說不是窮舉。碳纖維可由若干公司通過商業(yè)途徑提供，其中包括Akzo Nobelof Knoxville，Tennessee的FORTAFIL纖維(例如FORTAFIL 140和FORTAFIL144)，可從Charleston，S.Carolina的Amoco獲得；和PANEX 33(1/4″×8″或1/4″×15″)，由Zoltec of St.Louis，Missouri提供。通常，該碳纖維是以大約2wt％到大約50wt％，更優(yōu)選大約10wt％到大約30wt％的量存在，基于絕熱體的總重量。碳纖維的量一般取決于其它成分的存在而變化，如焦炭形成劑，尤其磷酸鹽阻燃劑，通過賦予絕熱體以所需物理性能來增補碳纖維。
該碳纖維能夠單獨使用或與影響絕熱體的燒蝕和機械性能的其它材料結(jié)合使用。例如，合適的材料包括聚苯并噁唑纖維，聚苯并咪唑纖維，聚芳基酰胺纖維，氧化鐵，磨碎了的玻璃，硅石，陶瓷粘土，等等。合適的硅石顆粒包括可從路易斯安那州Lake Charles的PPG Industries，Inc.獲得的HiSil 233和可從Cabot Corporation作為CAB-O-SILTS-610，CAB-O-SILTG-308F，CAB-O-SILTG-720，CAB-O-SILTS-500，CAB-O-SILTS-530和CAB-O-SILTG-810G；從Degussa作為AEROSILR972，AEROSIL R974，AEROSIL R812，AEROSIL R812S，AEROSIL R711，AEROSIL R 504，AEROSIL R8200，AEROSIL R805，AEROSIL R816，AEROSILR711和AEROSIL R104；以及從Tulco Inc.作為TULLANOX 500獲得的疏水化硅石顆粒。
可根據(jù)要求和需要來添加的合適的添加劑包括一種或多種下列組分，尤其以不同的結(jié)合方式抗氧化劑，阻燃劑，增粘劑，增塑劑，加工助劑，炭黑，顏料，和粘結(jié)劑。
改進固化彈性體的壽命的代表性抗氧化劑包括，例如，與丙酮反應的二苯胺，以BLE-25液體從Uniroyal Chemical獲得；單-，二-，和三-苯乙烯化酚類的混合物，以AGERITE SPAR從B.F.Goodrich Chemical Co獲得。其它合適的抗氧化劑包括聚合的1，2-二氫-2，2，4-三甲基喹啉(AGERITE RESIN D)和混合的辛酸化二苯胺(AGERITE STATLITES)，各自從R.T.Vanderbilt Co獲得。
如果需要，用作阻燃劑或焦炭形成添加劑的填料能夠以一種比大部分其它添加劑更少的量使用，使得更容易地配制具有良好機械性能的絕熱體。無機和有機阻燃劑預計都可用于本發(fā)明中。有機阻燃劑的例子包括氯化烴，作為DECHLORANE獲得，與氧化銻(任選有鄰苯二甲酸二異癸基酯(DIDP))或水合氧化鋁(如Hydral 710鋁三水合物)相結(jié)合；蜜胺氰尿酸鹽；磷酸鹽和磷酸鹽衍生物，作為由Monsanto Chemical生產(chǎn)的PHOSCHEK P/30(聚磷酸銨)獲得，它能夠單獨使用或與季戊四醇結(jié)合使用；從紐約Niagara Falls的Occidental Chemical Corporation獲得的DECHLORANE PLUS 25；和聚硅氧烷樹脂，從Dow Corning獲得的DC4-7051。無機阻燃劑的例子是硼酸鋅，如U.S.Borax的FIREBRAKEZB。
合適的增粘劑的例子是WINGTACK 95和AKROCHEM P-133。其它成分，如本技術(shù)領域中熟知的和/或適合于用于火箭發(fā)動機熱絕熱應用和擠壓機技術(shù)中的顏料和擠壓機加工助劑(例如，ARMEEN 18-D)，旨在包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。合適的改性彈性體是氯磺化聚乙烯，可從DuPont DowElastomers獲得的HYPALON-20。非揮發(fā)性增塑劑如烴油也能夠使用。
本發(fā)明的絕熱體澆鑄成殼體和本發(fā)明的絕熱體的固化可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)來進行。這里和權(quán)利要求中所述的本發(fā)明組合物能夠尤其通過鑄塑成火箭發(fā)動機殼體然后固化，或通過固化，任選切成合適的幾何形狀和尺寸，隨后應用到火箭發(fā)動機殼體中，來得到應用。
現(xiàn)在更具體地參見圖2-6，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的捏和機是Buss Kneader，可從屬于Georg Fischer Plant Engineering的設備工程分部的Buss Compounding Systems，AG獲得。代表性的Buss Kneader牌號捏和機是MDK/E-46型。這一捏和機是從市場上可買到的，并且現(xiàn)在被認為已經(jīng)在過去用于不同的其它工業(yè)中，包括下列在內(nèi)建筑；電氣和電子組件；汽車部件；化學品；家用設備；食品，包裝，和生活消費品。另一類似的捏和機可從B & P Process Equipment & Systems商購。
Buss Kneader牌號捏和機具有確定腔室22的殼體模件(或筒體)20。具有各自腔室的多個附加模件(未顯示)能夠一起聯(lián)合來提供延長的腔室。殼體模件20能夠裝有夾套或內(nèi)部流體通路以供加熱用。為了便于維護和操作，殼體模件20能夠是劈開的筒排列以使筒20沿著它的長度方向開放，從而有利于通向該室22。
在所說明的實施方案中，單個可旋轉(zhuǎn)的螺桿24伸入到該室22中。雖然本發(fā)明不限于此，但通常該螺桿24具有大約30mm到大約200mm的直徑，和具有大約8∶1到大約20∶1的長度∶直徑(L∶D)比，條件是聯(lián)合組裝所需數(shù)目的模件20要靈活。
如圖2-6中所示，螺桿24的周邊具有多個螺紋齒30。該螺紋齒30各自具有在圖解的實例中的菱形構(gòu)型，雖然本發(fā)明就范圍而言不限于它。同樣在圖4中示出，螺紋齒30彼此排列，提供了多個螺紋齒柱32。對于這些螺紋齒柱32中的每一個，它的各螺紋齒30沿著螺桿24的縱軸排列成行，彼此以軸向距離來間隔。在優(yōu)選的實施方案中，該螺桿24具有三個螺紋齒柱32a，32b，和32c。螺紋齒柱32a的螺紋齒30的圓周中心C沿著圓周與螺紋齒柱32b和32c的螺紋齒30的圓周中心有120°的間隔來分布。在相鄰的柱32a，32b和32c的每個之間界定的是縫隙34a，34b，和34c。盡管普通的單螺桿擠出機的螺桿具有沿著其長度方向上延伸的連續(xù)螺旋形螺桿正面，但是這里圖解的實例的螺桿24具有不連續(xù)的螺桿正面，螺桿正面的螺旋形通路由間隙34來解釋。
殼體模件20具有捏和銷(還稱為捏和齒)40，在圖解的實例中它具有菱形的橫截面。每一個捏和銷20沿著殼體模件20的各自徑向從其內(nèi)部周邊延伸出來。如圖4中所示，這些捏和銷20一起構(gòu)成了三個捏和銷柱42a、42b和42c，每一個沿著螺桿24的圓周彼此以120°間隔和尺寸大小可以伸入到間隙34中。該捏和齒能夠中空的并連接到供料機構(gòu)以使流體成分注射通過該捏和齒和直接進入該熔體。
在運轉(zhuǎn)過程中，該螺桿24沿著它的縱軸旋轉(zhuǎn)，與此同時對螺桿24施加軸向沖程以便在軸向中前后振動該螺桿24。齒輪箱(未顯示)，也能夠以Buss Kneader牌號捏和機從Georg Fischer Plant Engineering商購，優(yōu)選確保螺桿24的每一轉(zhuǎn)伴隨著螺桿24的一個前后全沖程。同時，殼體模件20和捏和銷40相對于旋轉(zhuǎn)/振動螺桿24保持靜止。
螺桿24的旋轉(zhuǎn)/振動運動引起捏和銷40穿越各捏和螺紋齒30的正面，因此產(chǎn)生剪切作用，該剪切作用會清潔捏合螺紋齒30的正面并且實施分散和分配性混合。在捏和螺紋齒和捏和銷40之間的這一相對運動在下面參考圖6來更詳細地解釋，該圖示出了所選擇的銷40a和40c以及相對于螺桿24的它們各自的運動軌跡。如圖6中所示，該捏和銷40運動橫穿該捏和螺紋齒30的正面和橫穿該間隙34，因此清洗了捏和螺紋齒30的正面并引起分散和分配性混合的發(fā)生。
如上所述，能夠使用具有46mm單螺桿的Buss KneadermodelMDK/E-46牌號捏和機，工藝L/D比為11∶1。這一型號的捏和機能夠與Reliance 40HP 1750rpm DC Motor(直流電動機)和Flex Pak 3000控制器相結(jié)合使用。
沿著殼體模件20的長度方向在不同的軸向位置上提供垂直的進料。優(yōu)選，進料器是帶夾套的立式螺桿供給器。通常，該聚合物成分和碳纖維被引入到最上游的原料中，阻燃劑和其它添加劑在下游添加(沿著殼體模件20的軸向)，和在最下游的進料口引入固化包裝料(curingpackage)。如此，連續(xù)地生產(chǎn)絕熱體組合物。在運轉(zhuǎn)過程中腔室的溫度一般設定在大約66℃(150°F)到93℃(200°F)的范圍內(nèi)。
使用這第二實施方案的捏和機的優(yōu)點是，從捏和機排出的絕熱體組合物能夠直接引入到擠壓機中以擠出EPDM材料。與該第二實施方案的捏合機一起使用的合適擠出機是排料擠出機GS70。在這一實施方案中的擠出能力提供了與普通方法相比的改進，其中該絕熱體組合物壓延成片，然后裁切。
實施例下列實施例用于解釋根據(jù)本發(fā)明已完成的實施方案。還列出的是為了對比目的來制備的對比實施例。本發(fā)明的實施方案不是窮舉或排他的，僅僅是根據(jù)本發(fā)明制備的許多類型的實例的代表。
表I(全部的單位是按重量份計)
實施例1和6
將除了TRILENE 67以外的全部固體成分在環(huán)境溫度下經(jīng)過幾個小時在V-形殼的摻混器中摻混。單獨地將TRILENE 67引入到裝有在10rpm下運轉(zhuǎn)和設定到60℃(140°F)的δ-葉片的Brabender混合器中。TRILENE 67在Brabender混合器中混合足夠量的時間，以使TRILENE 67升溫到60℃。接著，將來自V形殼混合器的摻混物料加入到Brabender混合器中并與TRILENE 67混合到纖維均勻地分散在TRILENE 67中為止。配制料然后從Brabender混合器中排出進行研磨，在冷卻之前成形為片料。每一片在具有大約1.27cm(0.5英寸)厚度。
實施例2-5將除了TRILENE 67和碳纖維以外的全部固體成分在環(huán)境溫度下經(jīng)過幾個小時在V形殼的摻混器中摻混。單獨地將TRILENE 67引入到裝有在50rpm下運轉(zhuǎn)和設定到77℃(170°F)的δ-葉片的Brabender混合器中。TRILENE 67在Brabender混合器中混合足夠量的時間，以使TRILENE 67升溫到77℃。接著，將來自V形殼混合器的摻混物料加入到Brabender混合器中并與TRILENE 67混合。Brabender混合器的速度然后放慢到20rpm，將纖維引入到Brabender混合器中并混合到纖維均勻地分散在TRILENE 67中為止。配制料然后從Brabender混合器中排出進行研磨，在冷卻之前成形為片料。每一片在具有大約1.27cm(0.5英寸)厚度。
對比實施例A和B通過在實驗室用混合機中混合除碳纖維以外的全部成分來制備對比實施例A。通過在雙螺桿擠出機(裝有反轉(zhuǎn)螺桿)的單個口中添加該混合的聚合物材料和該碳纖維，將碳纖維引入到雙螺桿擠出機內(nèi)的這一混合物中。通過用烴熔劑進行溶劑加工來制備對比實施例B。
表II
從表II中可以看出，含有l(wèi)iquid EPDM作為它們的唯一的EPDM成分(即沒有固體EPDM)的本發(fā)明實施例顯示了與對比實施例A(含有低于一半的液體EPDM，基于EPDM成分的總重量)和對比實施例B(不含液體EPDM)相當?shù)暮驮谝恍┣闆r下改進的燒蝕性能。
通過在Buss Kneader中捏和該絕熱體，根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案來制備實施例7到9。實施例7-9的絕熱體組合物的成分在下面列于表III中。實施例7-9的燒蝕性能，這些性能與本發(fā)明實施例4的性能的比較，列于下面的表IV中。
表III(全部的單位是按重量份計)
表IV
如表IV所示，沒有任何液體EPDM的在Buss Kneader中制備的絕熱體顯示出與實施例4可比的耐蝕性，該實施例4是在δ-混合器中用液體EPDM制備的。
在焦炭發(fā)動機中進行試驗，如在圖7中說明的一種。構(gòu)造焦炭發(fā)動機來評價固體火箭發(fā)動機殼體絕熱材料的燒蝕性能。焦炭發(fā)動機包括用于提供燃燒氣體的推進劑噴口70，容納試驗材料的評價腔室，和產(chǎn)生所需壓力的收縮嘴。評價腔室被分成三個部分。第一個部分是大約八英寸長和八英寸直徑(與推進劑噴口大致相同的直徑)的“低速度”圓柱區(qū)域72。短的錐形過渡腔室74將氣流收縮成大約2英寸的直徑并將推進劑氣體排入22英寸長的圓錐形試驗腔室中。該試驗腔室被分成“中速”區(qū)域76和“高速”區(qū)域78。
待評價的絕熱材料的樣品經(jīng)過模塑加工，固化，和用環(huán)氧樹脂粘結(jié)到每一個試驗腔室中。在組裝之前，測定固化的長度，并以選擇的間隔，即標稱的一英寸距離，測量每個評價材料的厚度。每個樣品還稱重量。樣品然后組裝到低速部分，中速部分，和高速部分中。在點火之后，拆卸發(fā)動機，再次測量每個樣品。在給定的點上從點火前的厚度減去原始絕熱體(即在焦炭已除去之后)的絕熱體的點火后厚度，將結(jié)果除以發(fā)動機的燃燒時間，來測定燒蝕速率。對于這些試驗，測量材料的一個以上的部分，全部各部分的測量平均值在上面報道。
焦炭發(fā)動機用RSRM TP-H1148(聚丁二烯丙烯酸丙烯腈(PBAN型))推進劑點火進行燃燒。對于在表I和II中列出的實施例1-3和比較實施例A，在880psi的平均壓力下發(fā)動機點火燃燒12.10秒鐘。對于在表I和II中列出的實施例4-6，發(fā)動機在825psi的平均壓力下點火燃燒11.56秒鐘。對比實施例B在885psi的平均壓力下點火燃燒11.89秒鐘。對于表III和IV中列出的實施例7-9和4，該發(fā)動機在916.07psi的平均壓力下點火燃燒12.46秒鐘。
本發(fā)明的前面詳細說明被提供來解釋本發(fā)明的原理和它的實際應用，從而使所屬技術(shù)領域中的其它技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各個實施方案，和適合于所考慮的具體應用的各種改變。這一描述不是窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限定于所公開的精確的實施方案。修改和等同物對于本技術(shù)領域中的技術(shù)人員是顯而易見的并且包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.使裝有固體推進劑的火箭發(fā)動機的殼體絕熱的方法，該方法包括提供捏和機，它包括具有腔室的至少一個殼體模件，從殼體模件徑向延伸到腔室中的多個捏和機銷，和沿縱軸可旋轉(zhuǎn)的并沿著縱軸以往復運動方式運動的螺桿，該螺桿具有包括多個螺紋齒的圓周表面，該多個螺紋齒一起構(gòu)成了沿螺桿的縱軸延伸的不連續(xù)螺紋；從包括至少一種可交聯(lián)的聚合物和碳纖維的組合物制備絕熱體，絕熱體的制備包括將組合物加入到捏和機中，并沿縱軸旋轉(zhuǎn)該螺桿，同時對螺桿施加縱向往復運動；和固化該組合物形成絕熱體和因此用絕熱體來使火箭發(fā)動機殼體絕熱。
2.使裝有固體推進劑的火箭發(fā)動機的殼體絕熱的方法，該方法包括提供捏和機，它包括具有腔室的至少一個殼體模件，從殼體模件徑向延伸到腔室中的多個捏和機銷，和沿縱軸可旋轉(zhuǎn)的并沿著縱軸以往復運動方式運動的螺桿，該螺桿具有包括多個螺紋齒的圓周表面，該多個螺紋齒一起構(gòu)成了沿螺桿的縱軸延伸的不連續(xù)螺紋；從包括至少一種可交聯(lián)的EPDM三元共聚物和碳纖維的組合物制備絕熱體，絕熱體的制備包括將組合物加入到捏和機中，并沿縱軸旋轉(zhuǎn)該螺桿，同時對螺桿施加縱向往復運動；和固化該組合物形成絕熱體和因此用絕熱體來使火箭發(fā)動機殼體絕熱。
3.權(quán)利要求2的方法，其中絕熱體的制備包括其中組合物包含，以組合物的干成分計，不高于5wt％揮發(fā)性溶劑的條件下在捏和機中混合該組合物。
4.權(quán)利要求2的方法，其中殼體的絕熱包括將絕熱體應用于殼體的內(nèi)表面上和將絕熱體插入內(nèi)表面和固體推進劑之間。
5.權(quán)利要求2的方法，其中100wt％的可交聯(lián)的EPDM三元共聚物由可交聯(lián)的液體EPDM三元共聚物組成。
6.權(quán)利要求2的方法，其中至少90wt％的可交聯(lián)的EPDM三元共聚物由可交聯(lián)的液體EPDM三元共聚物組成。
7.權(quán)利要求2的方法，其中至少50wt％的可交聯(lián)的EPDM三元共聚物由可交聯(lián)的液體EPDM三元共聚物組成。
8.權(quán)利要求2的方法，其中該組合物不含液體EPDM。
9.權(quán)利要求2的方法，其中該組合物包括干燥成分，和其中該絕熱體的制備包括在組合物包括不超過5wt％的揮發(fā)性溶劑的條件下混合該組合物，基于組合物中的干燥成分。
10.權(quán)利要求2的方法，其中該絕熱體的制備包括在沒有任何揮發(fā)性溶劑存在下在捏和機中混合該組合物。
全文摘要
本方法可以制造出EPDM火箭發(fā)動機絕熱體，其中碳纖維分散和固定在EPDM聚合物基質(zhì)中，但是不會過分地斷裂或破碎，即破裂成小的碎片，當遇到為了均勻地或其它方式地分布或分散碳纖維于EPDM聚合物基質(zhì)中所需要的剪切程度時。該方法基本上無溶劑，和經(jīng)過分布/減少剪切的混合方法將脆性碳纖維沒有過度損害地分布到橡膠基質(zhì)中來進行。根據(jù)一個實施方案，至少大約50％的被引入混合裝置中的彈性體組合物是具有足夠低分子量和高二烯烴含量的液體EPDM三元共聚物，以使碳纖維分散在EPDM中但沒有纖維的顯著破碎。根據(jù)另一實施方案，在捏和機中進行混合，該捏和機能夠沿著螺桿軸轉(zhuǎn)動具有不連續(xù)螺紋的螺桿，同時對螺桿施加軸向往復沖程。該捏和機可使碳纖維低剪切地分布性混合在EPDM三元共聚物中。
文檔編號F02K9/97GK1553050SQ20041006335
公開日2004年12月8日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者D·G·古洛特, D G 古洛特 申請人:阿利安特技術(shù)系統(tǒng)公司