CN1175013C - 使固体推进剂火箭发动机的壳体绝热的方法 - Google Patents

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Abstract

本方法可以制造出EPDM火箭发动机绝热体，其中碳纤维分散和固定在EPDM聚合物基质中，但是不会过分地断裂或破碎，即破裂成小的碎片，当遇到为了均匀地或其它方式地分布或分散碳纤维于EPDM聚合物基质中所需要的剪切程度时。该方法基本上无溶剂，和经过分布/减少剪切的混合方法将脆性碳纤维没有过度损害地分布到橡胶基质中来进行。根据一个实施方案，至少大约50%的被引入混合装置中的弹性体组合物是具有足够低分子量和高二烯烃含量的液体EPDM三元共聚物，以使碳纤维分散在EPDM中但没有纤维的显著破碎。根据另一实施方案，在捏和机中进行混合，该捏和机能够沿着螺杆轴转动具有不连续螺纹的螺杆，同时对螺杆施加轴向往复冲程。该捏和机可使碳纤维低剪切地分布性混合在EPDM三元共聚物中。

Description

使固体推进剂火箭发动机的壳体绝热的方法
                     相关申请
本申请要求1999年12月23日在美国专利商标局提出的U.S.临时申请60/171,619的优先权，它的全部公开内容被引入这里作参考。
                     本发明的起源
美国政府已经拥有本发明的专利许可和有限的权限来要求专利所有人依据由F04611-97-C-0053的各项条款所提供的合理法律条款，将其它(权利)许可给空军火箭实验室(the Air Force Rocket Laboratory)。
                     本发明的背景
1.本发明的领域
本发明涉及制造供火箭发动机用的弹性体型绝热体的方法，和尤其涉及一种方法，其中脆的碳纤维与EPDM混合和优选均匀地分散于EPDM中，在纤维的引入过程中不需要使用挥发性溶剂来溶解EPDM。本发明的绝热体尤其可用于放置在喷嘴或壳体中，包括在固体推进剂药粒和火箭发动机壳体之间，以保护壳体免受在固体推进剂药粒的燃烧过程中经历的高温。
2.相关技术的叙述
固体燃料火箭发动机典型地包括容纳固体推进剂药粒的外壳体或外壳。该火箭发动机壳体常常是从坚硬的、耐久的材料如钢或长纤维缠绕的复合材料制造的。该推进剂被装在壳体内并且是从一种组合物配制的，该组合物经设计后可以燃烧，因此产生了为实现火箭发动机推进所必需的推力。
在操作期间，绝热层(绝热体)保护该火箭发动机壳体不致于遭遇加热和燃烧推进剂所产生的颗粒流。
典型地，该绝热体粘结于壳体的内表面上和一般从能够承受当推进剂药粒燃烧时所产生的高温气体的一种组合物制造。衬层(衬里)用于将推进剂药粒粘结于壳体的绝热层和任何非绝热部分，以及抑制界面燃烧。衬里组合物一般是现有技术领域中那些技术人员已知的。举例的衬里组合物和将该组合物应用于壳体上的方法已公开于美国专利No.5,767,221，它的完全公开内容在与本说明书相容的程度上被引入这里供参考。
固体推进剂的燃烧在火箭发动机壳体内产生了极端条件。例如，在火箭发动机壳体内的温度典型地达到2760℃(5,000°F)，和内压力可以超过1,500psi。这些因素相结合在火箭发动机壳体内创造了高度的紊流。另外，颗粒典型地夹含在推进剂燃烧过程中产生的气体中。在紊流环境下，这些夹含的颗粒能够腐蚀该火箭发动机绝热体。如果在火箭发动机运转过程中该绝热层和衬里被穿透，则壳体容易发生熔化或降解，这将导致火箭发动机的破坏。因此，关键的是绝热组合物承受在推进剂燃烧过程中经历的极端条件和保护壳体不受燃烧的推进剂的影响。也关键的是绝热组合物具有可接受的贮存期限特性，以使得它保持充分柔顺，不会完全固化，直至用于火箭发动机壳体中时为止。这一要求是重要的，因为大量绝热材料的生产需要在使用之前在贮存状态中等待数月。典型地，该绝热材料在未固化状态或至多部分固化状态下以大卷装来贮存，直至使用时为止。许多的固化剂是众所周知的和惯常使用的，但是仍然必须与总体EPDM配方相适应，以获得满意的贮存期限。这进而要求固化剂活性的平衡。
过去，在生产绝热材料时为了保护火箭发动机壳体的各种尝试都集中于填料填充和未填充的橡胶和塑料，如酚醛树脂，环氧树脂，耐高温蜜胺-甲醛涂料，陶瓷，聚酯树脂等。然而，由于在燃烧过程中遇到的急促的温度与压力波动的结果，这些塑料将开裂和/或产生气泡。
弹性体组合物也已经在大量的火箭发动机中用作火箭发动机绝热材料。已经选择了弹性体组合物，因为它们的机械，热，和烧蚀性能特别适合于火箭发动机应用。然而，弹性体的烧蚀性能对于火箭发动机运转来说常常是不够的。例如，绝热体，不论是热固性的还是热塑性性，体现特征于较高的磨蚀速率，除非用合适填料来增强。避免这一高磨蚀速率的关键性可通过由于磨耗原因引起的破坏风险的严重性和程度来说明。大部分绝热体在导致剥夺人生命的灾难性破坏的意义上必然是“适于载人的(man-rated)”--不论该火箭发动机用作航天飞机的发射的运载工具或在作战时在强击机的机翼下携带。卫星发射中失败的货币支出是公知的并且是数以亿计的美元。
为了改进弹性体组合物的烧蚀性能，曾经有人建议用填料(如有机纤维或碳纤维)增强弹性体组合物。例如，由作为主要三元共聚物的固体NORDEL 1040组成的举例性质的碳纤维填充的火箭发动机绝热体通常在工业中已知为STW4-2868绝热体并具有下列组成：
                     表1
                STW4-2868绝热体配方
                  (碳纤维；重量份)
成分 功能 重量份
NORDEL 1040 主要EPDM三元共聚物基质 80
Neoprene FB 次要聚合物基质 20
氧化锌 活化剂 5
硫 固化剂 1
HAF炭黑 颜料 1
MBT 促进剂 1
AGERITE Resin D 抗氧化剂 2
AGERITE HPS 抗氧化剂 1
Tellurac 促进剂 0.50
Sulfads 促进剂 0.75
VCM碳纤维 填料 41
总的重量份 153.25
虽然有机纤维能够没有太多困难地分散于EPDM中，但是，碳纤维在弹性体组合物中的均匀分散将遇到难以加工的问题。混合过程因为碳纤维的脆性而变复杂。在高剪切下碳纤维混入固体弹性体中将使碳纤维在物理上退化为较小的颗粒或碎片，因此否定了碳纤维另外促进绝热的这一理想的物理属性。
通常，碳纤维脆性的问题已经通过用合适有机溶剂将弹性体溶解成溶液以降低弹性体或弹性体混合物的粘度而得到解决。合适的溶剂包括，例如，烃类如己烷，庚烷，和/或环己烷。脆弱的石墨化炭纤维因此能够与该溶液在例如δ-叶片式混合器中进行混合，不会对碳纤维造成显著的破坏或损害。该材料然后被制成片和让溶剂在环境大气中或在烘箱中蒸发。
溶剂在这一加工技术中的使用体现了若干缺点。例如，溶剂加工技术，如通常用于分散碳纤维在EPDM(乙烯-丙烯-二烯单体)橡胶中的那些，是相对昂贵的。因为溶剂的使用而增加了材料成本，同时还增加加工成本，因为需要附加的工人和设备来处置和处理该溶剂。此外，相当大的成本和工人安全问题与危险的挥发性有机溶剂的废弃处理有关。
因此，虽然长期以来已认识到碳纤维填充的EPDM是此类火箭发动机绝热体的优异备选物，但是在本技术领域中仍然需要用于生产具有均匀地分散在其中的碳纤维，但不会受到显著破坏或损害的EPDM绝热体的一种低成本和无危险的无溶剂合成途径。
                    本发明的概述
所以，本发明的目的是通过提供制造EPDM火箭发动机绝热体的方法来满足以上列出的在现有技术中的长期需要，在该绝热体中碳纤维分散和固定在EPDM聚合物基质中，但是，当遇到为了将碳纤维均匀地或其它状态分布或分散在EPDM聚合物基质中所需要的剪切程度时，它不会过分地破裂或破碎，即破碎成小的碎片。
上述及其它目的可通过基本上无溶剂的过程来实现，其中绝热体经过分布/低剪切的混合(distributive/reduced shear mixing)方法将脆性碳纤维没有过度损害地分布到橡胶基质中来制造。
根据这一基本上无溶剂的方法的一个实施方案，该弹性体组合物包括碳纤维和EPDM三元共聚物，它的至少50wt％是作为一种成分被引入到混合装置中，因为具有足够低的分子量和高二烯含量的液体EPDM三元共聚物可使碳纤维分散在EPDM中但没有纤维的显著破碎。这里所述的液体EPDM是指在室温下可流动的EPDM三元共聚物。这一实施方案的合适的混合装置包括δ-叶片式和垂直叶片式搅拌器。能够将旋转和轴向混合运动施加于碳纤维的某些捏和机，如下面与第二实施方案相关所讨论的，也能够使用。
根据本发明的另一实施方案，通过使用一种捏合机，任选在基本上无溶剂的条件下有很少或根本没有液体EPDM三元共聚物的情况下，制备弹性体组合物，该捏合机能够沿着螺杆轴来转动具有不连续的螺纹的螺杆，同时对螺杆施加轴向往复冲程。这一捏和机使碳纤维在EPDM三元共聚物中进行低剪切分配性混合。在这一实施方案中使用的捏和机是尤其合适的，其中很少或根本没有液体EPDM成分和没有挥发性溶剂包括在配方中。
这里所述的碳纤维是发生了至少充分的石墨化或碳化，和优选具有约98wt％或98wt％以上碳含量的纤维。
在阅读详细说明和附加的权利要求(当与附图相结合来阅读时解释了本发明的原理)之后本发明的其它目的、方面和优点对于本技术领域中那些技术人员来说是显而易见的。
                    附图的简述
该附图用于说明本发明的原理。在附图中：
图1是提供了绝热体的火箭发动机组的示意性的剖视图；
图2是适合本发明使用的捏合装置的示意性的剖视图；
图3是沿着图2中剖面线III-III截取的剖视图；
图4是图2的捏合装置的不连续螺杆机筒的轴向段的示意性视图；
图5是图4的示意性视图，捏合装置的捏和销叠加到所说明的轴向段上；
图6是图5的示意性视图，显示了在捏和销当中所选择的那些销相对于不连续螺杆机筒(尤其相对于机筒的螺纹齿)的相对运动的路径；和
图7是在下面的试验实施例中使用的焦炭(char)发动机的示意性剖视图。
                    本发明的详细说明
本发明的绝热组合物10，当处于固化状态时，尤其适合于配置在火箭发动机壳体12的内表面上，如图1所示。典型地，在绝热体10和推进剂16之间设置衬里14。该绝热体10和衬里14用于保护壳体12以免处于当推进剂16发生燃烧反应并燃尽通过涡轮导向器(nozzle assembly)20时由推进剂16所产生的极端条件下。为火箭发动机壳体12装载绝热体10、衬里14和推进剂16的方法是本技术领域中那些技术人员已知的，并且无需过多的实验，能够根据本技术领域中的基本常识容易地采用它来引入本发明的绝热体组合物。
与在混合装置中利用溶剂将碳纤维均匀分布在固体EPDM成分中但没有显著的纤维破碎的传统方法不同，本发明的目的是在无溶剂条件下或在至少基本上无溶剂的条件下实现碳纤维在EPDM基质中的分布。这里所述的“基本上无溶剂”是指该方法是以足够少量的挥发性溶剂来进行的，即使在绝热体的制造过程中没有除去挥发性溶剂，该挥发性溶剂不会以充足的量存在而使得在制造，火箭发动机贮存或火箭发动机运转过程中由于溶剂的挥发来违反现行的环境或安全法规。通常，该术语“基本上无溶剂”优选指不超过大约5wt％的挥发性溶剂(基于绝热体的干燥成分)。优选，该方法完全无挥发性溶剂地进行。
根据本发明的第一个实施方案，这一和其它目的可通过使用液体EPDM作为引入到混合装置中的EPDM成分的主要部分来实现的。用于确保纤维的均匀分布，但没有伴随纤维的过度破碎所需要的液体EPDM成分的量将取决于所使用的混合装置。通常，当绝热体工业中已知的普通混合器如δ-叶片式混合器用于将碳纤维分散于EPDM基质中时，该绝热体组合物优选含有至少大约50wt％，和更优选至少大约90wt％的液体EPDM作为成分，基于EPDM的总重量(即，固体和液体EPDM成分)。当垂直叶片式混合器用于将碳纤维分散于EPDM基质中时，该绝热体组合物优选含有稍微更多的液体EPDM，如至少大约90wt％，和更优选至少大约95wt％的液体EPDM作为成分，基于EPDM的总重量(即，固体和液体EPDM成分)。当使用捏合机如在图2-6中说明的捏合机时，需要甚至更少的液体EPDM(或甚至没有液体EPDM，这将在下面的第二个实施方案中详细说明)来实现纤维的均匀分散但没有过分的破碎，即在引入到捏合机中时全部的EPDM处于固态。
通常，该EPDM(即固体和液体成分)占该火箭发动机绝热体的总重量的大约35wt％到大约90wt％，和更优选大约45wt％到大约75wt％。该EPDM三元共聚物能够从1，4-己二烯，双环戊二烯，和/或作为二烯组分的亚烷基降冰片烯如亚乙基降冰片烯(ENB)制备。合适的市场上可买到的液体EPDM三元共聚物是TRILENE 67A和TRILENE 77，可从Uniroyal Chemical获得。然而需要指出的是，一部分或全部的液体EPDM能够被另一种液态聚合物成分如液体聚氨酯类所取代，只要取代的液态聚合物成分获得相同的碳纤维的分布功能但没有过分的破碎就行。用于本发明中的具有1，4-己二烯组分的合适的固体EPDM三元共聚物包括由DuPont制造的NORDEL 1040，NORDEL 2522和NORDEL 2722E。用于本发明中的具有ENB二烯组分的合适的固体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，其中每一种购自荷兰的DSM公司，和NORDELIP 4520和NORDEL IP 4640，两者属于DuPont Dow Elastomers并从该公司购得。
固化包装料能够包括用于使聚合物或聚合物前体(例如预聚物)交联和/或扩链的硫化剂和/或过氧化物固化剂。合适的不溶性硫化剂是AkroChem的AKROSPERSE IS-70，购自Charles H.Haynes，Inc的CRYSTEXOT-20。元素硫的其它形式也能够使用。合适的过氧化物固化剂包括过氧化二枯基，2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷，2，5-二甲基-2，5-双(苯甲酰基过氧基)己烷，2，5-二甲基-2，5-二(叔丁基过氧基)-3-己烷，4，4-双(叔丁基过氧基)戊酸正丁基酯，4，4’-甲基-双-(环己基胺)氨基甲酸盐，1，1-双(叔丁基过氧基)-3，3，5-三甲基环己烷，α，α’-双(叔丁基过氧基)二异丙基苯，2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己炔-3，和过苯甲酸叔丁酯。市场上可买到的过氧化物能够以商品名Di-Cup 40KE购得，它包括在粘土载体上的大约40％过氧化二异丙基苯。(该粘土载体可从Burgess Pigment Company获得。)另一合适的固化剂(除硫和过氧化物固化剂外)是用溴甲基加以烷基化的酚醛树脂，可从Schenectady Int’l，Inc.of Schenectady，N.Y以SP-1056购得。
在典型的配方中，该固化剂包括大约0.5phr到大约8phr，更优选大约2phr到大约5phr。这里所述的和现有技术领域中公认的“phr”意指重量份/每100重量份聚合物。
该固化包装料优选也包括至少一种磷酸盐固化促进剂。对于硫固化剂，促进剂能够是，例如，RHENOCURE AP-5，RHENOCURE AP-7，RHENOCUREAP-3，RHENOCURE ZADT/G，和RHENOCURE S/G，它们可从Rhein Chemie和Accelerator VS获得，可从Akro Chem获得。可与磷酸盐固化促进剂相结合使用的附加固化促进剂包括butyl zimate；二硫化苯并噻唑(商业上已知为ALTAX)；含二硫代氨基甲酸酯的掺混物(如AkroChem的AKROFORMDELTA P.M.)；和硫化物如六硫双五亚甲基秋兰姆(如R.T.Vanderbilt的SULFAD)。尽管Accelerator VS的使用最初在一些配制剂中无法接受，因为它产生的噁臭的问题，现在也已经知道，此类配制剂能够制成没有太多的气味，如果向其中添加大约1.0phr氧化镁的话。
用于该固化包装料的合适的固化活化剂包括金属氧化物，如氧化锌(例如，Rhein Chemie Corp.of Trenton，N.J的TZFD-88p)，氧化镁(例如，Morton Chemical Co.的Elastomag 170)，和硬脂酸(包括棕榈酸)，它从Harwick Standard Distribution Corp.of Akron，Ohio商购。
该碳纤维是已发生至少部分石墨化或碳化的纤维，和优选具有大约98wt％或98wt％以上的碳含量。该碳纤维应该具有适合于在混合设备中分布的长度。通常，该碳纤维优选是非连续的，和在长度上不低于大约1/16的英寸和在长度上不超过大约6英寸，虽然这些范围对于本发明范围来说不是穷举。碳纤维可由若干公司通过商业途径提供，其中包括Akzo Nobelof Knoxville，Tennessee的FORTAFIL纤维(例如FORTAFIL 140和FORTAFIL144)，可从Charleston，S.Carolina的Amoco获得；和PANEX 33(1/4″×8″或1/4″×15″)，由Zoltec of St.Louis，Missouri提供。通常，该碳纤维是以大约2wt％到大约50wt％，更优选大约10wt％到大约30wt％的量存在，基于绝热体的总重量。碳纤维的量一般取决于其它成分的存在而变化，如焦炭形成剂，尤其磷酸盐阻燃剂，通过赋予绝热体以所需物理性能来增补碳纤维。
该碳纤维能够单独使用或与影响绝热体的烧蚀和机械性能的其它材料结合使用。例如，合适的材料包括聚苯并噁唑纤维，聚苯并咪唑纤维，聚芳基酰胺纤维，氧化铁，磨碎了的玻璃，硅石，陶瓷粘土，等等。合适的硅石颗粒包括可从路易斯安那州Lake Charles的PPG Industries，Inc.获得的HiSil 233和可从Cabot Corporation作为CAB-O-SILTS-610，CAB-O-SILTG-308F，CAB-O-SILTG-720，CAB-O-SILTS-500，CAB-O-SILTS-530和CAB-O-SILTG-810G；从Degussa作为AEROSILR972，AEROSIL R974，AEROSIL R812，AEROSIL R812S，AEROSIL R711，AEROSIL R504，AEROSIL R8200，AEROSIL R805，AEROSIL R816，AEROSILR711和AEROSIL R104；以及从Tulco Inc.作为TULLANOX 500获得的疏水化硅石颗粒。
可根据要求和需要来添加的合适的添加剂包括一种或多种下列组分，尤其以不同的结合方式：抗氧化剂，阻燃剂，增粘剂，增塑剂，加工助剂，炭黑，颜料，和粘结剂。
改进固化弹性体的寿命的代表性抗氧化剂包括，例如，与丙酮反应的二苯胺，以BLE-25液体从Uniroyal Chemical获得；单-，二-，和三-苯乙烯化酚类的混合物，以AGERITE SPAR从B.F.Goodrich Chemical Co获得。其它合适的抗氧化剂包括聚合的1，2-二氢-2，2，4-三甲基喹啉(AGERITE RESIN D)和混合的辛酸化二苯胺(AGERITE STATLITES)，各自从R.T.Vanderbilt Co获得。
如果需要，用作阻燃剂或焦炭形成添加剂的填料能够以一种比大部分其它添加剂更少的量使用，使得更容易地配制具有良好机械性能的绝热体。无机和有机阻燃剂预计都可用于本发明中。有机阻燃剂的例子包括：氯化烃，作为DECHLORANE获得，与氧化锑(任选有邻苯二甲酸二异癸基酯(DIDP))或水合氧化铝(如Hydral 710铝三水合物)相结合；蜜胺氰尿酸盐；磷酸盐和磷酸盐衍生物，作为由Monsanto Chemical生产的PHOSCHEK P/30(聚磷酸铵)获得，它能够单独使用或与季戊四醇结合使用；从纽约Niagara Falls的Occidental Chemical Corporation获得的DECHLORANE PLUS 25；和聚硅氧烷树脂，从Dow Corning获得的DC4-7051。无机阻燃剂的例子是硼酸锌，如U.S.Borax的FIREBRAKEZB。
合适的增粘剂的例子是WINGTACK 95和AKROCHEM P-133。其它成分，如本技术领域中熟知的和/或适合于用于火箭发动机热绝热应用和挤压机技术中的颜料和挤压机加工助剂(例如，ARMEEN 18-D)，旨在包括在本发明的范围内。合适的改性弹性体是氯磺化聚乙烯，可从DuPont DowElastomers获得的HYPALON-20。非挥发性增塑剂如烃油也能够使用。
本发明的绝热体浇铸成壳体和本发明的绝热体的固化可根据现有技术中已知的技术来进行。这里和权利要求中所述的本发明组合物能够尤其通过铸塑成火箭发动机壳体然后固化，或通过固化，任选切成合适的几何形状和尺寸，随后应用到火箭发动机壳体中，来得到应用。
现在更具体地参见图2-6，根据本发明的优选实施方案的捏和机是Buss Kneader，可从属于Georg Fischer Plant Engineering的设备工程分部的Buss Compounding Systems，AG获得。代表性的Buss Kneader牌号捏和机是MDK/E-46型。这一捏和机是从市场上可买到的，并且现在被认为已经在过去用于不同的其它工业中，包括下列在内：建筑；电气和电子组件；汽车部件；化学品；家用设备；食品，包装，和生活消费品。另一类似的捏和机可从B & P Process Equipment & Systems商购。
Buss Kneader牌号捏和机具有确定腔室22的壳体模件(或筒体)20。具有各自腔室的多个附加模件(未显示)能够一起联合来提供延长的腔室。壳体模件20能够装有夹套或内部流体通路以供加热用。为了便于维护和操作，壳体模件20能够是劈开的筒排列以使筒20沿着它的长度方向开放，从而有利于通向该室22。
在所说明的实施方案中，单个可旋转的螺杆24伸入到该室22中。虽然本发明不限于此，但通常该螺杆24具有大约30mm到大约200mm的直径，和具有大约8∶1到大约20∶1的长度∶直径(L∶D)比，条件是联合组装所需数目的模件20要灵活。
如图2-6中所示，螺杆24的周边具有多个螺纹齿30。该螺纹齿30各自具有在图解的实例中的菱形构型，虽然本发明就范围而言不限于它。同样在图4中示出，螺纹齿30彼此排列，提供了多个螺纹齿柱32。对于这些螺纹齿柱32中的每一个，它的各螺纹齿30沿着螺杆24的纵轴排列成行，彼此以轴向距离来间隔。在优选的实施方案中，该螺杆24具有三个螺纹齿柱32a，32b，和32c。螺纹齿柱32a的螺纹齿30的圆周中心C沿着圆周与螺纹齿柱32b和32c的螺纹齿30的圆周中心有120°的间隔来分布。在相邻的柱32a，32b和32c的每个之间界定的是缝隙34a，34b，和34c。尽管普通的单螺杆挤出机的螺杆具有沿着其长度方向上延伸的连续螺旋形螺杆正面，但是这里图解的实例的螺杆24具有不连续的螺杆正面，螺杆正面的螺旋形通路由间隙34来解释。
壳体模件20具有捏和销(还称为捏和齿)40，在图解的实例中它具有菱形的横截面。每一个捏和销20沿着壳体模件20的各自径向从其内部周边延伸出来。如图4中所示，这些捏和销20一起构成了三个捏和销柱42a、42b和42c，每一个沿着螺杆24的圆周彼此以120°间隔和尺寸大小可以伸入到间隙34中。该捏和齿能够中空的并连接到供料机构以使流体成分注射通过该捏和齿和直接进入该熔体。
在运转过程中，该螺杆24沿着它的纵轴旋转，与此同时对螺杆24施加轴向冲程以便在轴向中前后振动该螺杆24。齿轮箱(未显示)，也能够以Buss Kneader牌号捏和机从Georg Fischer Plant Engineering商购，优选确保螺杆24的每一转伴随着螺杆24的一个前后全冲程。同时，壳体模件20和捏和销40相对于旋转/振动螺杆24保持静止。
螺杆24的旋转/振动运动引起捏和销40穿越各捏和螺纹齿30的正面，因此产生剪切作用，该剪切作用会清洁捏合螺纹齿30的正面并且实施分散和分配性混合。在捏和螺纹齿和捏和销40之间的这一相对运动在下面参考图6来更详细地解释，该图示出了所选择的销40a和40c以及相对于螺杆24的它们各自的运动轨迹。如图6中所示，该捏和销40运动横穿该捏和螺纹齿30的正面和横穿该间隙34，因此清洗了捏和螺纹齿30的正面并引起分散和分配性混合的发生。
如上所述，能够使用具有46mm单螺杆的Buss KneadermodelMDK/E-46牌号捏和机，工艺L/D比为11∶1。这一型号的捏和机能够与Reliance 40HP 1750rpm DC Motor(直流电动机)和Flex Pak 3000控制器相结合使用。
沿着壳体模件20的长度方向在不同的轴向位置上提供垂直的进料。优选，进料器是带夹套的立式螺杆供给器。通常，该聚合物成分和碳纤维被引入到最上游的原料中，阻燃剂和其它添加剂在下游添加(沿着壳体模件20的轴向)，和在最下游的进料口引入固化包装料(curingpackage)。如此，连续地生产绝热体组合物。在运转过程中腔室的温度一般设定在大约66℃(150°F)到93℃(200°F)的范围内。
使用这第二实施方案的捏和机的优点是，从捏和机排出的绝热体组合物能够直接引入到挤压机中以挤出EPDM材料。与该第二实施方案的捏合机一起使用的合适挤出机是排料挤出机GS70。在这一实施方案中的挤出能力提供了与普通方法相比的改进，其中该绝热体组合物压延成片，然后裁切。
                        实施例
下列实施例用于解释根据本发明已完成的实施方案。还列出的是为了对比目的来制备的对比实施例。本发明的实施方案不是穷举或排他的，仅仅是根据本发明制备的许多类型的实例的代表。
                                                  表I(全部的单位是按重量份计)
                           实施例         对比例
成分     1     2   3     4     5     6     A     B
Trilene 67[液体EPDM]     100     100   100     100     100     100     40
DSM Keltan[固体EPDM]     50
NORDEL 1040[固体EPDM]     80
Neoprene FB[增塑剂]     20
Hypalon 20[聚合物]     10
Panex 33×8[1/4″纤维]     26
Fortafil 144[碳纤维]     38.5   45     40.5     30     25.7     26.85
VCM[碳纤维]     41
Akrochem P-133[增塑剂/-增粘剂]     5
Agerite Stalite S[抗氧化剂]     2     2   2     2     2     2     2     1
Agerite Resin D[抗氧化剂]     2
HiSil 233[阻燃性填料/-焦炭形成剂]     5     5   5     5     5     5     3
FireBrake ZB[阻燃性填料/-焦炭形成剂]     19.5
Hydral 710 Aluminum三水合物[填料]     19.5
炭黑[填料]     1
DC4-7051[阻燃剂/焦炭形成剂]     5     8.5     5     5     5
氧化铁[填料/颜料]     1.13
氧化锑(4％DIDP)[阻燃剂/填料]     18
Dechlorane Plus 25[阻燃性填料/焦炭形成剂]     45
季戊四醇PE 200[阻燃性填料/焦炭形成剂]     8.5
Phos-Check P/40[阻燃性填料/焦炭形成剂]     30
蜜胺氰脲酸盐[阻燃性填料/-焦炭形成剂]     25     25     25
氧化锌[活化剂]     5     5
Kadox 920C氧化锌[活化剂]     5     4     4     4     4     5
Altax[促进剂]     1.1     1.5     1.5     1.5     1.5     1.2
促进剂VS     2.7
Akroform Delta P.M.[促进剂]     0.3     0.3     0.3     0.3     0.25
Sulfads[促进剂]     0.82     0.82     0.82     0.82     0.82     0.75
Butyl zimate[促进剂]     0.5
Rhenocure AP-5[促进剂]     3.5
Crystex OT-20[固化剂]     1.05     1.22     1.22     1.22     1.22     1.22
SP-1056[固化剂]     1.1
Captax[促进剂]     1
Tellurac[促进剂]     0.5
硫[固化剂]     1
总重量份     172.8     192.3     223.9     202.3     149.8     171.2     178.95     153.25
实施例1和6：
将除了TRILENE 67以外的全部固体成分在环境温度下经过几个小时在V-形壳的掺混器中掺混。单独地将TRILENE 67引入到装有在10rpm下运转和设定到60℃(140°F)的δ-叶片的Brabender混合器中。TRILENE 67在Brabender混合器中混合足够量的时间，以使TRILENE 67升温到60℃。接着，将来自V形壳混合器的掺混物料加入到Brabender混合器中并与TRILENE 67混合到纤维均匀地分散在TRILENE 67中为止。配制料然后从Brabender混合器中排出进行研磨，在冷却之前成形为片料。每一片在具有大约1.27cm(0.5英寸)厚度。
实施例2-5
将除了TRILENE 67和碳纤维以外的全部固体成分在环境温度下经过几个小时在V形壳的掺混器中掺混。单独地将TRILENE 67引入到装有在50rpm下运转和设定到77℃(170°F)的δ-叶片的Brabender混合器中。TRILENE 67在Brabender混合器中混合足够量的时间，以使TRILENE 67升温到77℃。接着，将来自V形壳混合器的掺混物料加入到Brabender混合器中并与TRILENE 67混合。Brabender混合器的速度然后放慢到20rpm，将纤维引入到Brabender混合器中并混合到纤维均匀地分散在TRILENE 67中为止。配制料然后从Brabender混合器中排出进行研磨，在冷却之前成形为片料。每一片在具有大约1.27cm(0.5英寸)厚度。
对比实施例A和B
通过在实验室用混合机中混合除碳纤维以外的全部成分来制备对比实施例A。通过在双螺杆挤出机(装有反转螺杆)的单个口中添加该混合的聚合物材料和该碳纤维，将碳纤维引入到双螺杆挤出机内的这一混合物中。通过用烃熔剂进行溶剂加工来制备对比实施例B。
                                                     表II
                             实施例        对比例
成分 1   2   3   4   5   6   A   B
下段的平均烧蚀速率(mm/s) 3.29   3.98   4.89   3.96   4.05   3.31   3.37   3.45
中间段的平均烧蚀速率(mm/s) 12.34   9.36   12.63   9.97   12.97   11.80   16.96   12.76
上段的平均烧蚀速率(mm/s) 23.44   14.12   12.72   12.79   20.45   17.94   35.23   18.13
从表II中可以看出，含有liquid EPDM作为它们的唯一的EPDM成分(即没有固体EPDM)的本发明实施例显示了与对比实施例A(含有低于一半的液体EPDM，基于EPDM成分的总重量)和对比实施例B(不含液体EPDM)相当的和在一些情况下改进的烧蚀性能。
通过在Buss Kneader中捏和该绝热体，根据本发明的第二实施方案来制备实施例7到9。实施例7-9的绝热体组合物的成分在下面列于表III中。实施例7-9的烧蚀性能，这些性能与本发明实施例4的性能的比较，列于下面的表IV中。
                              表III
                    (全部的单位是按重量份计)
                  实施例
 成分     7     8     9
 DSM Keltan 1446A[固体EPDM]     100     100     100
 Fortafil 243[碳纤维]     40.52     44.45     55.55
 固化/填料     14.86     14.88     14.88
 阻燃剂     47.02     62.72     51.62
 总重量     202.40     222.05     222.05
                                          表IV
                        实施例
    7     8     9     4
下段的平均烧蚀速率(mm/s)     3.68     2.85     3.44     3.35
中间段的平均烧蚀速率(mm/s)     9.41     8.97     9.79     9.40
上段的平均烧蚀速率(mm/s)     15.42     14.75     13.61     11.64
如表IV所示，没有任何液体EPDM的在Buss Kneader中制备的绝热体显示出与实施例4可比的耐蚀性，该实施例4是在δ-混合器中用液体EPDM制备的。
在焦炭发动机中进行试验，如在图7中说明的一种。构造焦炭发动机来评价固体火箭发动机壳体绝热材料的烧蚀性能。焦炭发动机包括用于提供燃烧气体的推进剂喷口70，容纳试验材料的评价腔室，和产生所需压力的收缩嘴。评价腔室被分成三个部分。第一个部分是大约八英寸长和八英寸直径(与推进剂喷口大致相同的直径)的“低速度”圆柱区域72。短的锥形过渡腔室74将气流收缩成大约2英寸的直径并将推进剂气体排入22英寸长的圆锥形试验腔室中。该试验腔室被分成“中速”区域76和“高速”区域78。
待评价的绝热材料的样品经过模塑加工，固化，和用环氧树脂粘结到每一个试验腔室中。在组装之前，测定固化的长度，并以选择的间隔，即标称的一英寸距离，测量每个评价材料的厚度。每个样品还称重量。样品然后组装到低速部分，中速部分，和高速部分中。在点火之后，拆卸发动机，再次测量每个样品。在给定的点上从点火前的厚度减去原始绝热体(即在焦炭已除去之后)的绝热体的点火后厚度，将结果除以发动机的燃烧时间，来测定烧蚀速率。对于这些试验，测量材料的一个以上的部分，全部各部分的测量平均值在上面报道。
焦炭发动机用RSRM TP-H1148(聚丁二烯丙烯酸丙烯腈(PBAN型))推进剂点火进行燃烧。对于在表I和II中列出的实施例1-3和比较实施例A，在880psi的平均压力下发动机点火燃烧12.10秒钟。对于在表I和II中列出的实施例4-6，发动机在825psi的平均压力下点火燃烧11.56秒钟。对比实施例B在885psi的平均压力下点火燃烧11.89秒钟。对于表III和IV中列出的实施例7-9和4，该发动机在916.07psi的平均压力下点火燃烧12.46秒钟。
本发明的前面详细说明被提供来解释本发明的原理和它的实际应用，从而使所属技术领域中的其它技术人员能够理解本发明的各个实施方案，和适合于所考虑的具体应用的各种改变。这一描述不是穷举或将本发明限定于所公开的精确的实施方案。修改和等同物对于本技术领域中的技术人员是显而易见的并且包括在所附权利要求的精神和范围内。

Claims (9)

1.使装有推进剂的火箭发动机的壳体绝热的方法，该方法包括：
从包括可交联的液态聚合物和碳纤维的组合物制备绝热体，其中可交联的液态聚合物包括可交联的EPDM三元共聚物或可交联的液态聚氨酯，该组合物包括，以可交联的聚合物的总重为基准，至少50wt％可交联的液态聚合物，以便通过在其中组合物包含，以组合物中的干成分为基准，不高于5wt％挥发性溶剂的条件下进行混合来将碳纤维分散到组合物中；和
固化该组合物形成绝热体和因此用绝热体来使火箭发动机壳体绝热。
2.使装有固体推进剂的火箭发动机的壳体绝热的方法，该方法包括：
从包括可交联的EPDM三元共聚物和碳纤维的组合物制备绝热体，其中至少50wt％可交联的EPDM三元共聚物由可交联的液态EPDM三元共聚物组成，以使得通过在其中混合物包含，以组合物的干成分为基准，不高于5wt％挥发性溶剂的条件下进行混合来将碳纤维分散到组合物中；和
固化该组合物形成绝热体和因此用绝热体来使火箭发动机壳体绝热。
3.权利要求2的方法，其中绝热包括将绝热体应用于壳体的内表面上和将绝热体插入内表面和固体推进剂之间。
4.权利要求3的方法，其中100wt％的在组合物中的可交联的EPDM三元共聚物由可交联的液体EPDM三元共聚物组成。
5.权利要求3的方法，其中至少95wt％的在组合物中的可交联的EPDM三元共聚物由可交联的液体EPDM三元共聚物组成。
6.权利要求3的方法，其中至少90wt％的在组合物中的可交联的EPDM三元共聚物由可交联的液体EPDM三元共聚物组成。
7.权利要求3的方法，其中绝热体的制备包括在垂直叶片式混合器或δ-叶片式混合器中混合该组合物。
8.权利要求3的方法，其中绝热体的制备包括在δ-叶片式混合器中混合该组合物。
9.权利要求2的方法，其中该绝热体的制备包括在没有任何挥发性溶剂存在下混合该组合物。
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