DE3632235C1 - Kunstharzmasse zur Isolierung von Feststofftreibsaetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kunstharzmasse, insbesondere auf Polyurethanbasis, mit wenigstens einem endotherm zersetzlichen, organischen Füllstoff zur Isolierung von Feststofftreibsätzen.

Damit bei Raketenfeststofftreibsätzen der Abbrand nur von den gewünschten Brennflächen her erfolgt, müssen diejenigen Flächen des Treibsatzes, die nicht am Abbrand teilnehmen sollen, mit einer gut haftenden Isolierschicht versehen werden. Weiterhin verleiht die Isolierschicht dem in der Brennkammer befindlichen Treibstoff einen gewissen Schutz vor mechanischer Beanspruchung. Bei Stirnbrennern, d. h. an der Mantelfläche und der kopfseitigen Fläche isolierten Treibsätzen dient die Isolierung vor allem auch dazu, die Brennkammer vor heißen, beim Abbrand des Treibstoffes entstehenden Gasen zu schützen.

Bei den zunehmend größer werdenden Reichweiten von z. B. gelenkten taktischen Raketen kommt es immer stärker darauf an, einen möglichst raucharmen Abbrand des Treibsatzes zu erzielen. Durch die Rauch- oder Signaturentwicklung wird nämlich einerseits die Flugbahn der Rakete erfaßbar, wodurch beispielsweise die Abschußposition ermittelt werden kann. Zum anderen ist eine möglichst geringe Rauchentwicklung für eine zuverlässige Steuerung der Rakete wichtig. So sind derartige Raketen häufig mit einem Glühstrahler am Heck ausgerüstet, d. h. einer IR-Strahlung erzeugenden pyrotechnischen Ladung, die mit einem Steuergerät vom Schützen erfaßt wird. Durch den Rauch im Abgasstrahl wird diese Erfaßbarkeit erschwert.

Treibsätze vom Stirnbrennertyp werden wegen des dadurch erzielbaren hohen Füllgrades der Raketenbrennkammer bevorzugt. Neben der Rauchentwicklung durch den Treibstoff selbst kommt es gerade bei Stirnbrennern durch die bei zunehmenden Abbrand des Treibsatzes größer werdende, mit Flammgasen beaufschlagte Fläche der Isolierschicht zu einer erheblichen Rauchentwicklung durch die Verbrennung der Isolierschicht.

Da als raucharme Festtreibstoffe in der Raketentechnik häufig doppelbasige Treibstoffe (DB-Treibstoffe) eingesetzt werden, die raucharm abbrennen, ist es sogar so, daß der Rauch beim Abbrand von Treibsätzen, die diese Treibstoffe enthalten, bei Stirnbrennern im wesentlichen aus der mitverbrennenden Isolierschicht stammt.

Zur Herstellung von raucharmen Isolierschichten sind mehrere Verfahren bekannt, die im wesentlichen die Einverleibung von Füllstoffen in Kunstharzbinder beschreiben. Neben inerten anorganischen Materialien, wie Asbest, endotherm zersetzlichen, anorganischen Materialien, wie Al(OH)₃, zersetzlichen, organischen Polymeren, wie Polyoxymethylen oder Polytetrafluorethylen, werden endotherm zersetzliche, organische Materialien eingesetzt, insbesondere Oxamid (DE-OS 18 09 360, DE-OS 35 17 892).

Als Kunstharzmasse zur Isolierung von Feststofftreibsätzen werden Polyurethanharze bevorzugt, da sie sehr raucharm abbrennen. Dabei wird zur Herstellung einer Oxamid-haltigen Polyurethanmasse das Oxamid den Polyurethankomponenten vor dem Aushärten zugemischt. Dies führt gelegentlich zu erheblichen Härtungsverzögerungen und damit Schwankungen der Topfzeit. Darüber hinaus ist festgestellt worden, daß Oxamid-haltige Isolierschichten bei Feststofftreibsätzen, die bestimmte Komponenten, wie Ferrocen-Derivate enthalten, äußerst schnell altern und verspröden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kunstharzmasse zur Isolierung von Feststofftreibsätzen anzugeben, die bei gleicher Raucharmut wie Oxamid-haltige Isoliermassen schnell und mit reproduzierbaren Topfzeiten aushärtet und zu einer Isolierschicht mit hoher mechanischer Festigkeit führt.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Verbindungen der Formeln (I) und (II) erreicht.

Nachstehend sind einige der erfindungsgemäß als Füllstoffe verwendbaren Verbindungen, die sich bei Temperaturbeaufschlagungen endotherm und ohne feste Rückstände zersetzen, aufgeführt.

Als besonders geeignet haben sich Succinimid, Allantoin, 2,5-Diketopiperazin, Crotonylidendiharnstoff (2-Oxo-4-methyl- 6-ureido-hexahydropyrimidin) und Melamin(iso)cyanurat herausgestellt.

Wie festgestellt werden konnte, sind die erheblichen Härtungsverzögerungen und Schwankungen der Topfzeit bei Oxamid darauf zu führen, daß Oxamid technischer Reinheit geringe Mengen Oxalsäure enthält, welche die Härtung des Polyurethanbinders verzögert. Auch ist festgestellt worden, daß die hohen Scherkräfte, die beim Mischen des Oxamids mit den Polyurethanbinderkomponenten auftreten, eine Zersetzung des Oxamids bewirken, wobei die Zersetzungsprodukte zu weiteren Unregelmäßigkeiten der Topfzeiten führen. Die erfindungsgemäß eingesetzten Füllstoffe sind mit diesen Nachteilen nicht behaftet. Das heißt, sie führen zu keinen Verzögerungen der Härtung der Kunststoffmasse, insbesondere des Polyurethanbinders. Auch halten sie Scherkräften, wie sie beim Mischen der Polyurethankomponenten auftreten, ohne Zersetzung stand. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäß verwendeten Füllstoffe mit Treibstoffkomponenten, wie Ferrocen, völlig kompatibel, d. h., es treten keine Versprödungen der Isolierung auf.

Ferner weisen die erfindungsgemäß verwendeten Füllstoffe den Vorteil auf, daß sie zum Teil großtechnische Produkte mit einem entsprechend niedrigen Preis darstellen im Gegensatz zu Oxamid, das nicht großtechnisch hergestellt wird.

In den Formeln (I) und (II) der erfindungsgemäß einsetzbaren Füllstoffe sind R′ und R′′ kurzkettige aliphatische Kohlenstoffreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen in der Kette. Die Kohlenstoffatome der Kohlenstoffkette können dabei durch Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome ersetzt sein. Auch kann der Rest R′ bzw. R′′ einer Atomgruppe a bis d, wenn es sich bei R′ bzw. R′′ z. B. um einen 5- oder 6gliedrigen Rest handelt, einen Ring mit der benachbarten Atomgruppe a bis d bilden. Die Atomgruppen a bis d sind untereinander vorzugsweise durch Einfachbindungen verbunden. Mehr als eine Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindung sollte im Ring (I) bzw. (II) nicht vorliegen. Die Kette der Reste R′ und R′′ trägt vorzugsweise Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome. Das Verhältnis der O- und N-Atome zu den C-Atomen in R′ und R′′ sollte dabei wenigstens 1 betragen, d. h., der Kohlenstoff sollte weitgehend aufoxidiert sein, so daß die Füllstoffe nicht als leicht verbrennliche Substanz im Kunststoffbinder wirken. Die Kohlenstoffkette der Reste R′ und R′′ kann auch Substituenten tragen. Die Füllstoffe der Formeln (I) und (II) müssen selbstverständlich chemisch stabil sein, um erfindungsgemäß einsetzbar zu sein.

Falls die Verbindungen der Formeln (I) und (II) saure oder basische Gruppen enthalten, werden sie bevorzugt als Salze eingesetzt, um die Härtung des Kunststoffbinders nicht zu beeinträchtigen. Basische Gruppen können darüber hinaus den Treibstoff beeinträchtigen, insbesondere einen doppelbasigen Treibstoff. Falls saure Gruppen vorliegen, werden als Salze Ammoniumsalze oder Melaminsalze bevorzugt. Falls alkalische Gruppen vorliegen, werden bevorzugt Oxalate und (Iso)cyanurate als Salze eingesetzt, gegebenenfalls auch Phosphate oder Borate.

Die Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungstemperaturen der Verbindungen der Formeln (I) und (II) bzw. von deren Salzen sollen mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 150°C sein.

Als Kunstharz kommt, wie erwähnt, bevorzugt Polyurethan zum Einsatz, jedoch können auch andere Kunstharze erfindungsgemäß eingesetzt werden, z. B. Epoxyde oder ungesättigte Polyester.

Die erfindungsgemäße Kunstharzmasse ist vor allem für Raketenfeststoff-Treibsätze vom Stirnbrennertyp geeignet. Sie eignet sich darüber hinaus zur Isolierung von Feststofftreibsätzen, die als Gasgeneratoren verwendet werden, also z. B. zur Erzeugung von Gas zum pneumatischen Antrieb von Einrichtungen von Raketen, wie Elektrogeneratoren, Kreiseln usw.

Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

38,20 Gewichtsteile eines niederviskosen hydroxylgruppenhaltigen Polyethers mit durchschnittlich drei Hydroxylgruppen pro Molekül (Desmophen 550 U), 0,05 Gewichtsteile Phenylquecksilberoleat und 40 Gewichtsteile Crotonylidendiharnstoff werden in dieser Reihenfolge zusammengegeben, gemischt und im Vakuum entgast. Dieser Vormischung werden dann 29,75 Gewichtsteile Hexamethylendiisocyanat-1,6 zugesetzt. Das Gemisch wird im Vakuum entgast, um eine gießbare Isoliermasse zu erhalten.

Beispiel 2

26,88 Gewichtsteile eines ersten niedrigviskosen hydroxylgruppenhaltigen Polyethers mit durchschnittlich 3 Hydroxylgruppen (Desmophen 550 U) und 8,10 Gewichtsteile eines weiteren niedrigviskosen hydroxylgruppenhaltigen Polyethers mit durchschnittlich 3 Hydroxylgruppen (Baygal K 30), 0,05 Gewichtsteile Phenylquecksilberoleat und 43,1 Gewichtsteile Allantoin werden in der genannten Reihenfolge zusammengegeben, vermischt und im Vakuum entgast. Dieser Vormischung werden dann 21,87 Gewichtsteile Hexamethylendiisocyanat- 1,6 zugesetzt. Das Gemisch wird im Vakuum entgast, um eine gießbare Isoliermasse zu erhalten.

Claims (9)

1. Kunstharzmasse zur Isolierung von Feststofftreibsätzen, insbesondere auf Polyurethanbasis, mit wenigstens einem endotherm zersetzlichen, organischen Füllstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff aus wenigstens einer Verbindung der beiden folgenden Formeln besteht: worin R H, CH₃ oder C(O)CH₃ ist und a, b, c und d folgende Atomgruppen sind: NH, C=O, CH₂, CHR′, CR′R′′,
worin R′ und R′′ kurzkettige aliphatische Kohlenstoffreste mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen sind, wobei die Kohlenstoffatome der Kohlenstoffkette durch Sauerstoff- und/oder Stickstoffatome ersetzt sein können.

2. Kunstharzmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Sauerstoff- und Stickstoffatome zu den Kohlenstoffatomen in R′ und R′′ wenigstens 1 beträgt.

3. Kunstharzmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Formel (I) oder (II) Succinimid, Allantoin, 2,5-Diketopiperazin, Crotonylidendiharnstoff (2-Oxo-4-methyl-6-ureido-hexahydropyrimidin) oder Melaminisocyanurat ist.

4. Kunstharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von sauren Verbindungen, die den Formeln (I) und (II) gehorchen, diese als Salze ein- oder zweiwertiger anorganischer oder organischer Basen vorliegen.

5. Kunstharzmasse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Salze Ammonium- oder Melaminsalze sind.

6. Kunstharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von basischen Verbindungen, die den Formeln (I) und (II) gehorchen, diese als Salze ein- oder zweiwertiger anorganischer oder organischer Säuren vorliegen.

7. Kunstharzmasse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (I) und (II) bzw. deren Salze eine Schmelz-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur von mehr als 100, vorzugsweise mehr als 150°C aufweisen.

8. Kunstharzmasse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoffanteil 10 bis 60, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-% der Kunstharzmasse ausmacht.

9. Verwendung der Kunstharzmasse nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Isolierung von Stirnbrennern oder Gasgeneratoren.