CN107915906A - 一种低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，按照重量份包括以下组份：三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂15～20份、气相二氧化硅10～15份、有机硅树脂10～15份、芳纶纤维2～4份、DOS 5～15份和过氧化二异丙苯3～5份。本发明能够达到降低密度、增加耐烧蚀性能的目的，满足固体火箭发动机燃烧室内绝热材料的低密度和耐烧蚀性能的需要。

Description

一种低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料
技术领域
本发明涉及一种固体火箭发动机内绝热层材料，尤其是一种三元乙丙橡胶绝热材料。
背景技术
固体火箭发动机的内绝热层是位于壳体内表面与推进剂之间的绝热材料，主要作用是通过自身的不断分解、烧蚀带走大部分热量以减缓燃气的高温向壳体的传播速度，避免壳体达到危及其结构完整性的温度，保证发动机的正常工作。
尽管三元乙丙橡胶的极性低，粘接性能差，但是由于其密度低于900kg/m3，在所有橡胶中是最低的，而且热分解温度高，热分解吸热大，耐热氧老化性能好，充填系数大，与多种推进剂及壳体复合材料均有良好的相容性，所以仍然不失为理想的壳体内绝热材料。为了提高三元乙丙橡胶的耐烧蚀性能主要采用选择合适的阻燃体系、添加耐烧蚀树脂和芳纶纤维等耐烧蚀组分等手段；为了降低绝热层材料密度主要采用添加空心微珠如空心酚醛微球、空心玻璃微球等方法，但由于工艺控制难度大等因素，限制了该类材料的工程化应用。近年来由于固体冲压发动机技术的迅猛发展，硅基绝热材料研究越来越受到重视。
硅基绝热材料耐高、低温，玻璃化转变温度低，工作温度范围宽(-50℃～200℃)，具有十分优异的热氧老化、光老化性能，使用寿命长，特征信号低，尤其是弹性的硅基绝热材料高温条件下烧蚀后生成二氧化硅、碳化硅等，可形成坚固密实的类陶瓷层，提高了防热效果，是固体冲压发动机补燃室富氧燃烧环境下理想的绝热材料。
如何将三元乙丙橡胶的低密度与硅基绝热材料耐热、耐烧蚀阻燃优势结合在一起，生产出新的低密度、耐烧蚀绝热层材料，如何采用有机硅树脂代替密度较大的阻燃剂，同时采用有机硅树脂代替了部分二氧化硅组分，达到降低密度、增加耐烧蚀性能的目的，满足固体火箭发动机燃烧室内绝热材料的低密度和耐烧蚀性能的需要，技术难度较大，在公开资料中难以查找到相关具体详尽信息。通过互联网对国家知识产权局的国内专利和链接的国外专利机构的查询，没有查找到相关针对性的信息。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，达到降低密度、增加耐烧蚀性能的目的，满足固体火箭发动机燃烧室内绝热材料的低密度和耐烧蚀性能的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：按照重量份包括以下组份：三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂15～20份、气相二氧化硅10～15份、有机硅树脂10～15份、芳纶纤维2～4份、DOS 5～15份和过氧化二异丙苯3～5份。
所述的三元乙丙橡胶在使用前切割为块状，薄通至少3次后待用。
所述的芳纶纤维长度为3～5mm。
所述的三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片；芳纶纤维加入后混炼的辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且总薄通次数不超过8次。
所述的有机硅树脂包括但不限于甲基硅树脂、乙烯基硅树脂和甲基苯基硅树脂。
本发明的有益效果是：采用本发明所叙述的配方体系，制作的新绝热材料密度、耐烧蚀性能提高，相比原配方体系(见下表1)效果明显(见下表2)。
表1三元乙丙橡胶绝热材料原配方体系
序号 基体组分 配比(重量) 作用
1 三元乙丙橡胶 100 基体橡胶
2 氧化锌 5 活化剂
3 硬脂酸 0.6 增塑、活化剂
4 硼酚醛树脂 15～20 耐烧蚀填料、成碳剂
5 十溴二苯醚、三氧化二锑阻燃剂 15～25(2：1) 阻燃剂
6 芳纶纤维 2～4 耐烧蚀填料、结碳剂
7 气相二氧化硅 15～25 补强剂
8 DOS 5～15 增塑剂
9 过氧化二异丙苯 3～5 硫化剂
表2为低密度、耐烧蚀硅树脂三元乙丙橡胶绝热材料与现有的三元乙丙橡胶绝热层材料的综合性能对比，可以看出新研制的绝热层材料与现有的绝热层材料相比，密度低，耐烧蚀性能好，工艺性能与现有三元乙丙橡胶绝热层完全相同。
表2绝热材料的力学性能、密度性能、耐烧蚀性能对比
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明在配方组分中用有机硅树脂代替密度较大的阻燃剂，同时采用有机硅树脂代替了部分二氧化硅组分，达到绝热层材料低密度情况下、增加绝热层耐烧蚀性能。
本发明涉及的基体组分和配方见表3。
表3低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料基体组分和配方
序号 基体组分 配比(重量) 作用
1 三元乙丙橡胶 100 基体橡胶
2 氧化锌 5 活化剂
3 硬脂酸 0.6 增塑、活化剂
4 硼酚醛树脂 15～20 耐烧蚀填料、成碳剂
5 有机硅树脂 10～15 阻燃剂替代物
6 芳纶纤维 2～4 耐烧蚀填料、结碳剂
7 气相二氧化硅 10～15 补强剂
8 DOS 5～15 增塑剂
9 过氧化二异丙苯 3～5 硫化剂
本发明涉及的绝热材料的制造方法过程为：
(1)三元乙丙橡胶和芳纶纤维的切割：根据需要在切胶机上进行三元乙丙橡胶的切割成块状体，在切丝机上进行芳纶纤维的切割，长度为3～5mm；
(2)称量各组分：按配方称量三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂15～20份、气相二氧化硅10～15份、有机硅树脂10～15份、芳纶纤维2～4份、DOS 5～15份、过氧化二异丙苯3～5份等组分；
(3)三元乙丙橡胶的准备：把切割好的三元乙丙橡胶薄通至少3次待用；
(4)开炼机混炼：按照顺序把三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯组分加入开炼机，混炼，混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片。
为了避免混炼时间过长和薄通次数多造成纤维磨损大，影响绝热材料烧蚀性能。芳纶纤维加入后混炼时，辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且整车总薄通次数不超过8次。
本发明的有机硅树脂包括甲基硅树脂、乙烯基硅树脂、甲基苯基硅树脂等；有机硅树脂的加入使配方中的气相二氧化硅由原来的15～25份，降为现在的10～15份。由原来直接添加气相二氧化硅陶瓷粉体，改为有机硅树脂原位反应成型生成二氧化硅和碳化硅陶瓷粉体。
实施实例1
所用绝热材料基体组分和配方见表4。
表4绝热材料基体组分和配方
序号 基体组分 配比(重量) 作用
1 三元乙丙橡胶 100 基体橡胶
2 氧化锌 5 活化剂
3 硬脂酸 0.6 增塑、活化剂
4 硼酚醛树脂 15 耐烧蚀填料、成碳剂
5 有机硅树脂 10 阻燃剂替代物
6 芳纶纤维 2 耐烧蚀填料、结碳剂
7 气相二氧化硅 10 补强剂
8 DOS 5 增塑剂
9 过氧化二异丙苯 3 硫化剂
该三元乙丙橡胶绝热材料的制造方法过程
(1)三元乙丙橡胶和芳纶纤维的切割：根据需要在切胶机上进行三元乙丙橡胶的切割块状体，在切丝机上进行芳纶纤维的切割，长度为3～5mm；
(2)称量各组分：按配方称量三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂15份、气相二氧化硅10份、有机硅树脂10份、芳纶纤维2份、DOS 5份、过氧化二异丙苯3份等组分；
(3)三元乙丙橡胶的准备：把切割好的三元乙丙橡胶薄通至少3次待用；
(4)开炼机混炼：按照顺序把三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯组分加入开炼机，混炼，混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片。
为了避免混炼时间过长和薄通次数多造成纤维磨损大，影响绝热材料烧蚀性能。芳纶纤维加入后混炼时，辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且整车总薄通次数不超过8次。
表5实施的绝热材料产品I性能
项目 主要设计指标 达到的性能指标
密度(g/cm3) <1.0 0.95
线烧蚀率(mm/s) <0.10 0.06
质量烧蚀率(g/s) <0.08 0.05
拉伸强度σm(MPa) >4 6
伸长率εm(％) >350 400
实施实例2
所用绝热材料基体组分和配方见表6。
表6绝热材料基体组分和配方
序号 基体组分 配比(重量) 作用
1 三元乙丙橡胶 100 基体橡胶
2 氧化锌 5 活化剂
3 硬脂酸 0.6 增塑、活化剂
4 硼酚醛树脂 20 耐烧蚀填料、成碳剂
5 有机硅树脂 15 阻燃剂替代物
6 芳纶纤维 4 耐烧蚀填料、结碳剂
7 气相二氧化硅 15 补强剂
8 DOS 15 增塑剂
9 过氧化二异丙苯 5 硫化剂
该三元乙丙橡胶绝热材料的制造方法过程
(1)三元乙丙橡胶和芳纶纤维的切割：根据需要在切胶机上进行三元乙丙橡胶的切割成块状体，在切丝机上进行芳纶纤维的切割，长度为3～5mm；
(2)称量各组分：按配方称量三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂20份、气相二氧化硅15份、有机硅树脂15份、芳纶纤维4份、DOS 15份、过氧化二异丙苯5份等组分；
(3)三元乙丙橡胶的准备：把切割好的三元乙丙橡胶薄通至少3次待用；
(4)开炼机混炼：按照顺序把三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯组分加入开炼机，混炼，混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片。
为了避免混炼时间过长和薄通次数多造成纤维磨损大，影响绝热材料烧蚀性能。芳纶纤维加入后混炼时，辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且整车总薄通次数不超过8次。
表7实施的绝热材料产品II性能
项目 主要设计指标 达到的性能指标
密度(g/cm3) <1.0 0.97
线烧蚀率(mm/s) <0.10 0.05
质量烧蚀率(g/s) <0.08 0.06
拉伸强度σm(MPa) >4 5.8
伸长率εm(％) >350 405
实施实例3
所用绝热材料基体组分和配方见表8。
表8绝热材料基体组分和配方
序号 基体组分 配比(重量) 作用
1 三元乙丙橡胶 100 基体橡胶
2 氧化锌 5 活化剂
3 硬脂酸 0.6 增塑、活化剂
4 硼酚醛树脂 18 耐烧蚀填料、成碳剂
5 有机硅树脂 13 阻燃剂替代物
6 芳纶纤维 3 耐烧蚀填料、结碳剂
7 气相二氧化硅 12 补强剂
8 DOS 10 增塑剂
9 过氧化二异丙苯 4 硫化剂
该三元乙丙橡胶绝热材料的制造方法过程
(1)三元乙丙橡胶和芳纶纤维的切割：根据需要在切胶机上进行三元乙丙橡胶的切割成块状体，在切丝机上进行芳纶纤维的切割，长度为3～5mm；
(2)称量各组分：按配方称量三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂18份、气相二氧化硅12份、有机硅树脂13份、芳纶纤维3份、DOS 10份、过氧化二异丙苯4份等组分；
(3)三元乙丙橡胶的准备：把切割好的三元乙丙橡胶薄通至少3次待用；
(4)开炼机混炼：按照顺序把三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯组分加入开炼机，混炼，混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片。
为了避免混炼时间过长和薄通次数多造成纤维磨损大，影响绝热材料烧蚀性能。芳纶纤维加入后混炼时，辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且整车总薄通次数不超过8次。
表9实施的绝热材料产品III性能
项目 主要设计指标 达到的性能指标
密度(g/cm3) <1.0 0.96
线烧蚀率(mm/s) <0.10 0.07
质量烧蚀率(g/s) <0.08 0.07
拉伸强度σm(MPa) >4 5.0
伸长率εm(％) >350 410

Claims (5)

1.一种低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，其特征在于按照重量份包括以下组份：三元乙丙橡胶100份、硬脂酸0.6份、氧化锌5份、硼酚醛树脂15～20份、气相二氧化硅10～15份、有机硅树脂10～15份、芳纶纤维2～4份、DOS 5～15份和过氧化二异丙苯3～5份。
2.根据权利要求1所述的低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，其特征在于：所述的三元乙丙橡胶在使用前切割为块状，薄通至少3次后待用。
3.根据权利要求1所述的低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，其特征在于：所述的芳纶纤维长度为3～5mm。
4.根据权利要求1所述的低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，其特征在于：所述的三元乙丙橡胶、硬脂酸、氧化锌、硼酚醛树脂、气相二氧化硅、有机硅树脂、芳纶纤维、过氧化二异丙苯混炼好后按所需尺寸厚度薄通出片；芳纶纤维加入后混炼的辊距为0.5mm～0.6mm，薄通次数为3次～4次，且总薄通次数不超过8次。
5.根据权利要求1所述的低密度、耐烧蚀无阻燃剂绝热层材料，其特征在于：所述的有机硅树脂包括但不限于甲基硅树脂、乙烯基硅树脂和甲基苯基硅树脂。
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