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"Treibsatz mit einer Isolierung und Verfahren zu seiner Herstellung"
Die Erfindung betrifft einen Treibsatz mit einer Isolierung aus elastifiziertem
Kunststoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Treibsätze müssen bekanntlich so dicht an der Brennkammerwand anliegend
in der Brennkammer sitzen, daß zwischen der Brennkammerwand und der Mantelfläche
des Treibsatzes kein Spart vorhanden ist, der zu einem @ Abbrand des Treibsatzes
von der Mantelfläche her führen Irann, Dieser satte Sitz läßt sich bei blanken Treibsätzen
nur sehr schwer erreichen.
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Treibsätze sind außerdem mechanisch ziemlich empfindlich und beötigen
daher bei Lagerung und Transport in der Regel einen Schutz gegen Schädigung durch
mechanische Beanspruchung.
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Schließlich ist es, insbesondere bei sogenannten "Dauerbrennern",
auch erwänscht, einen Schutz der Brennkammerwände gegen thermische und/oder andere,
insbesondere korrosive Beanspruchung(en) durch damit direkt in Berührung kommende
Verbrennungsgase vorzusehen.
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Es wurde schon seit geraumer Zeit versucht, die vorstehenden Problem
durch Umhüllen der Treibsätze mit einer Isolierung, d.h. einer fest an der Treibsatzoberfläche
haftenden, den Treibsatz - mit Ausnahme der Stirnseite - allseitige umgebenden Hülse
aus einer Kunststoffmasse zu lösen.
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Dabei erwies es sich jedoch als außerordentlich schwierig und bei
Treibsätzen aus Composite-Treibstoffen sogar als unmöglich, Isolierungen zu entwickeln,
die allen zu stellen, den Anforderungen genügen. So traten insbesondere folgende
Schwierigkeiten auf: a) Spaltbildung zwischen dem Treibsatz und der Isolierung,
vermutlich wogen zu großer Unterschiede in den Wärmedehnungseigenschaften und ungenügender
Haftung des Isoliermateriales an der Treibsatzoberfläche,
b) Rißbildung
in der Isolierung und/oder dem Treibsatz, insbesondere beim Temperaturwechseltest
zur Prüfung der geforderten Lagerungsbeständigkeit im Temperaturbereich von -40
bis +60°C, c) Einwanderung diffusionsfähiger Bestandteile aus dem Treibsatz, z.B.
Nitroglycerin, in die Isolierung und/oder aus der Isolierung, z.B. Elastifizierungsmittel
und/oder Weichmacher, in den Treibsatz, was u.a. insbesondere zu veränderten Abbrandeigenschaften
im Grenzbereich zwischen Treibsatz und Isolierung, z.B. bei mit Nitroglycerin angereichertem
Isolierungsmaterial, führt, d) vorzeitige Zerstörung der Isolierung durch Hitzeeinwirkung
und/oder zu starkes Verbrennen während des Abbrandes des Treibsatzes und e) Ablösung
erheblicher Mengen fester und/oder flüssiger Teilchen aus Isolierungsmaterial oder
dessen Abbauprodukten beim Abbrennen des Treibsatzes, die von den Treibgasen mitgerissen
werden und erhebliche Betriebsstörungen verursachen können.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugmnde, Treibsätze aus Composite-Treibstoffen
mit einer Isolierung zu schaffen, dercn Haftung am Treibsatz dessen Festigkeit mindestens
gleichkommt, die die Lagerungsfähigkeit in einem Temperaturbereich von -40 bis +60°C
nicht beeinträchtigt
oder sogar verbessert, beim Abbrand eine ausreichende
Standfestigkeit aufweist und die Brennkammer zuverlässig gegen thermische und korrosive
Überbeanspruchung schützt, sowie eine Einwanderung von Nitroglycerin und/oder anderen
Stoffen aus dem Treibsatz in die Isolierung und umgekehrt möglichst weitgehend ausschließt.
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Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe überraschenderweise durch
Treibsätze der eingangs bezeichneten Art lösen läßt, die dadurch gekennzeichnet
sind, daß a) der Treibsatz aus einem Composite-Treibstoff und b) die Isolierung
aus einer Kunstsoffmasse auf Epoxy-und/oder Polyesterharzbasis mit einer Bruchdehnung
von mindestens 40 % besteht, sowie c) zwischen dem Treibsatz und der Isolierung
eine dünne Haft- und Diffusionshemmzwischenschicht aus einem Polyurethan (Zwischenschicht)
angeordnet ist, deren Starke höchstens etwa 500 µm beträgt.
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Die Lcltre der Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis,
daß es durch Überziehen der mit einer Isolierung zu versehenden Treibsatzflächen
mit einer dünnen Polyurethanzwischenschicht und Verwendung einer Kunstsoffmasse
auf Wpoxy- und/oder Polyesterharzbasis, deren Bruchdehnung mindestens t10 % beträgt,
als Isolierungsmaterial sogar bei
Treibsätzen aus Composite-Treibstoffen
möglich ist, zuverlässig Treibsätze mit einer Isolierung zu erhalten, die allen
gestellten Anforderungen entsprechen, obwohl es selbst unter den als Material für
Isolierungen noch am besten geeigneten Kunststoffmassen kaum Produkte gibt, die
sowohl über ein ausreichend hohes Haftvermögen auf Composite-Traibstoffen als auch
über die mechanischen und Wärmedehmungseigenschaften verfügen, die erforderlich
sind, damit Treibsätze mit daraus bestehenden Isolierungen allen hinsichtlich der
Lagerungsbeständigkeit bzw. -fähigkeit in einem Temperaturbereich von -40 bis +60°C
zu stellenden Anforderungen genügen, und obwohl auch die wenigen Kunstsoffmassen
mit entsprechenden mechanischen Eigenschaftem und ausreichendem Haftvermögen, wie
festgestellt wurde, ebenfalls nich-t zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe geeignet sind, weil sie, mit Ausnalirne bestimmter PolyurethaneS Isolierungen
ergeben, in die aus Composite-Treibstoffen, vor allem bei relativ hohen Lagertemperaturen,
rasch erhebliche Mengen diffundierbarer Stoffe, insbesondere Nitroglycerin, einwandern
und umgekehrt, und Isolierungen auf Polyurethanbasis beim Abbrennen der Treibsätze
nicht genügend standfest sind.
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Hinzu kommt, daß, wie festgestellt wurd, Kunststoffmassen, die ohne
eine Zwischenschicht der die erfindungsgemäßen Treibsätze kennzeichnenden Art bezüglich
Haftvermögen, meehcnnischen Eigenschaften und Diffusionsfestigkeit wenigstens bedingt
brauchbare Isolierungen für Treibsätze aus
Composite-Treibstoffen
ergeben könnten, in der Regel wegen zu hoher Viskosität nicht oder nur schlecht
gießbar sind und/oder unter so starker Wärmeentwicklung aushärten, daß die Gefahr
einer Überschreitung der Selbstentzündungstemperatur der Treibsätze besteht Die
Vorteile der Erfindung kommen bei sogennanten Dauerbrennern, also insbesondere bei
als Stirnbrennern ausgebildeten Treibsätzen, in besonderem Maße zum Tragen, weil
Risse und Spalte in und/oder zwischen den Treibsätzen und/ oder Isolierungen, die
sich bei den Treibsätzen der 'brfindung auch bei Längerer Lagerung bei stark wechselnden
Temperaturen nicht bilden, und mangelhafte thermische und/oder chemische Standfestigkeit
sowie geringe Schutzwirkung der Isolierung beim Abbrand langbrennender Treibsätze
sich besonders nachteilig auswirken.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellen daher als Dauerbrenner
ausgebildete Treibsätze mit einer Gesamtbrennzeit von 10 bis 1000, insbesondere
100 bis 400 Sekunden, dar.
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Wie festgestellt wurde, hängen die Qualitätseigenschaften erfindungsgemäßer
Treibsätze teilweise von der Dicke der Zwischenschicht ab. So nimmt beispielsweise
die Sperr-bzw. Diffusionshemmwirkung der Zwischenschicht mit wachsender Dicke zu,
wobei ab einer Dicke von etwa 1 und insbesondere etwa 5 µm eine zumindest bei selbst
verhältnismäßig
diffusionsfesten Isolierungen in der Regel ausreichende
Sperrwirkung gewährleistet und selbst bei Treibs:tzen, an die diesbezüglich besonders
helle Anforderungen gestellt werden, die durch eine Verstärkung der Zwischenschicht
über eine Dicke von etwa 50 und insbesondere et:a 100 vm hinaus zu erzielende Steigerung
der Sperrwirkung nicht erforderlich ist. Weiter ist bei der Wahl der Dicke der Zwischenschicht
zu beachten, daß die erfindungsgemäß als Zwischenschichtmaterial verwendeten Polyurethane
den thermischen Belastungen beim Abbrand des Treibsatzes nicht standhalten und daher
in Form feiner fester und/oder flüssiger Teilchen von den Treibgasen mitgerissen
werden, so daß, obwohl die durch verursachte Verunreinigung der Treibgase bis zu
Zwischenschichtdicken von etwa 500 oder darunter in der Regel unbedenklich ist,
unnötig starke Zwischenschichten vermieden werden sollten.
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Schließlich wurde auch noch gefunden, daß die Zugfestigkeit der Verbindung
zwischen Isolierung und Treibsatz mit nach sender Stärke der Zwischenschicht zunächst
allmählich zu-, nach dem überschreiten eines bestimmten Höchstwertes bei etwa 10
bis 50 µm jedoch relativ rasch wieder abnimmt.
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Bei bevorzugten erfindungsgemaßen Treibsätzen liegt die Stärke der
Zwischenschicht daher in einem Bereich von etwa 1 bis 100 und insbesondere etwa
5 bis 50 µm.
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Die Bruchdehnung der Kunststoffmasse, aus der die Isolierung eines
erfindungsgemäßen Treibsatzes besteht, beeinflußt die Lagerungsfähigkeit wesentlich.
Außerdem besteht in der Regel ein Zusammenhang zwischen der Bruchdehnung und der
Haftung zwischen Treibsatz und Isolierung. Es wurde gefunden, daß erfindungsgemäße
Treibsätze mit Isolierungen aus Kunststoffmassen mit Bruchdehnungen im Bereich von
etwa 40 bis 400 und insbesondere etwa 50 bis 200 % besonders vorteilhafte Eigenschaften
aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Treibsätze
mit Isolierungen aus füllstoffhaltigen Kunststoffmassen, insbesondere Kunststoffmassen
mit einem Füllstoffgehalt von etwa 10 bis 80 und vorzugsweise 30 bis 50 % bevorzugt.
Diese erfindungsgemäßen Treibsätze zeichnen sich vor allem dadurch aus, daß ihre
mechanischen Eigenschaften den Gegebenheiten des jeweiligen Anwendungszwecks durch
entsprechende Auswahl der Füllstoffart und -menge angepaßt werden können und die
Rußneigung durch den Füllstoffzusatz, insbesondere bei der Verwendung von Metallboraten
als Füllstoffe, erheblich vermindert ist.
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Weiterhin wird bei den Treibsätzen der Erfindung das Material der
Isolierung zweckmäßig so gew.ihlt, daß der Unterschied zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten
des Treibstoffs und der Isolierung möglichst gering ist, wobei der Unterschied vorzugsweise
höchstens 0,2 mrn/0C.in und
insbesondere höchstens 0,1 mm/°C.m
betragen soll, da die Gefahr von Schäden durch längere Lagerung bei wechselnden
Temperaturen und die Anforderungen bezüglich der Elastizität der Isolierung um so
eringor ist, je kleiner der Wärmedehnungskoeffizientenunterschied ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Treibsätze der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man a) auf die mit einer Isolierung zu
bedeckenden Flächen eines Treibsatzes aus Composite-Treibstoff eine flüssige, zu
einer dünnen, festen Polyurethanschicht trocken-und/oder aushärtbare, gegebenenfalls
mit einem Lösungsmittel verdünnte Polyurethanvorproduktmasse aufbringt und bei einer
Temperatur von höchstens etwa 700C zu einer höchstens etwa 500 vm starken Zwischenschicht
trocknet und/oder aushärtet und b) auf die Zwischenschicht eine Schicht aus einer
bei Temperaturen unter etwa 70°C zu einer Isolierung mit einer Bruchdehnung von
mindestens 40 % aushärtbaren Kunststoffmasse auf Epoxy- und/oder Polyesterharzbasis
aufbringt und aushärtet.
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Als Polyurethanvorproduktmasse wird vorzugsweise eine Lösung eines
Isocyanat- und Urethangruppen enthaltenden polyurethanvorpolymers in einem inerten,
verdampfbaren Lösungsmittel, insbesondere Äthylacetat, verwendet, wobei die
Dicke
der Zwischenschicht mit Hilfe der Lösungsmittelkonzentration eingestellt wird.
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Die Kunststoffmasse wird auf die mit der Zwischenschicht versehenen
Treibsätze zweckmäßig durch Gießen in einer mehrmals verwendbaren, vorzugsweise
zur Verminderung der Viskozität der Kunststoffmasse bis zu etwa 50°C vorgewärmten
Form aufgebracht. Zum Ausgießen der Isolierung sollte die Viskozität der Kunststoffmasse
möglichst nicht er 300 Peise liege.
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Vorzugsweise werden Füllstoff(e) und insbesondere ein Gemisch aus
Zinksulfid und Bariumsulfat oder Metallborate verwendet.
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Halterungsorgane, wie Schraubgewindebuchsen, zum Haltern der Treibsätze
in der Brennkammer werden vorzugsweise an den mit der Zwischenschicht versehenen
Treibsätzen, z.B.
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durch Klebens befestigt und in die Isolierung eingegossen.
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Es empfiehlt sich, durch Rüttler oder Vibratoren für möglichst blasenfreie
Isolierungen zu sorgen. Aus diesem Grund soll auch beim Vermischen der Kunststoffmassenkomponenten
darauf geachtet werden, daß möglichst wenig oder besser keine Luft in die Masse
eingearbeitet wird.
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Die Aushärtung der Isolierungen wird bei einer zwischen Raumtemperatur
und etwa 700C liegenden Temperatur durchgcführt,
wobei zu berücksichtigen
ist, daß bei steigenden Temperaturen zwar die Härtung rascher erfolgt, aber auch
die Gefahr einer Selbstentzündung wächst.