JP2006096823A - インシュレーション材料 - Google Patents

Abstract

【課題】固体ロケットモータの高性能化の観点から、モーターケースの内側に断熱材として使用されるインシュレーション材の接着性の向上。
【解決手段】加硫可能なエラストマー成分、フィラー及び添加物を混合機を用いて混合し、高温素練りを行った後加硫剤を加えて混連して得るインシュレーション材であって、添加剤として、粘着付与剤、加工助剤、老化防止剤を使い、添加物中の−OH基、−NH₂基を含む成分の含有量が０．２重量%以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、固体ロケットモータのモーターケース内面に設けられるインシュレーション材及びその製造方法に関するものである。

固体ロケットモータは、固体燃料(固体推進薬ともいう)によって推進力を発生するロケットエンジンであって、防衛用ロケット弾、ミサイル、あるいは人工衛星打ち上げ用ロケットの推進機関、観測用ロケット、あるいは姿勢制御用ロケット等として広く利用されている。

固体ロケットは、モーターケース、固体推進薬、ノズル、点火器、そして断熱材から構成され、点火器によってモーターケースの内部に充填された固体推進薬が点火されると、モーターケース内部に高温、高圧の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスがノズルから高速で流出することにより推進力が発生する。この高温、高圧、高速の燃焼ガスからモーターケースを熱的に保護する目的で使用されるのが断熱材であり、この断熱材のことを一般的にインシュレーション材と呼んでいる。

固体ロケットモータのモーターケースの内面に設けられるインシュレーション材は、固体推進薬の燃焼中に発生する高温、高圧、高速の燃焼ガスからモーターケースを熱的に保護するために使用されるものである。このインシュレーション材は固体ロケットモータの推進力の発生に寄与するものではないため、固体ロケットモータの高性能化を図るためには、極限までその軽量化を図る必要がある。また、インシュレーション材はモーターケースと固体推進薬の間に存在して、固体推進薬をモーターケース内に保持するための仲介材としての機能をも果たすものであるため、適切な強度、伸びを有していることが求められると共に、モーターケースとインシュレーション、インシュレーションと固体推進薬の間において十分な強度を有する接着層を形成できるものであることが求められている。

従って、インシュレーション材として要求される特性としては、断熱性に優れていること、焼失しにくいものであること、強度・伸びが高いこと、低密度であること、アブレーション速度が低くアブレーション特性に優れることが挙げられる。また、モーターケースへインシュレーション材を加硫接着する際の施工性の観点から、シーティング性が良好であること、貼り付け作業性が良好であることが挙げられる。更に、モーターケースと推進薬との間での接着性が良好であることも求められる。

ここで、アブレーションとは、高温、高圧、高速の燃焼ガスにインシュレーションが晒された際に、この燃焼ガスによってインシュレーション材が熱分解され、この熱分解された比較的低温の分解ガスがインシュレーション材の表面に低温の境界層を形成すること、インシュレーション材がもともと有する断熱特性との相乗効果によってモーターケース等を熱保護するメカニズムをいう。また、アブレーション速度とは、高温、高圧、高速の燃焼ガスにインシュレーション材が晒されたときに、インシュレーション材が焼損して侵食される単位時間当たりの厚さと、熱分解を起して炭化する単位時間当たりの厚さを加え合わせた単位時間当たりの厚さのことを言う。

固体ロケットモータのインシュレーション材には、種々の添加物が含まれており、かかる添加物が過剰に存在する場合、推進薬成分との反応により、推進薬とインシュレーション間の接着強度に影響を及ぼす可能性があった。従って、特性の安定化のため、推進薬とより高い接着性能を有するインシュレーション材の開発が望まれていた。
特開平３−２１５９６ 特開平２−３３４５７ 特開昭５８−１５４７４３

固体ロケットモータは、モーターケース内にインシュレーション材を介在させて飛翔体の推進源となる推進薬を充填し、該推進薬をウレタン反応により硬化させる。

従来のインシュレーション材には、ゴムシートの製造性改善のために脂肪酸、老化防止剤として（ＣＨ）_ｎ−ＮＨ_２、粘着付与剤としてＲ−ＯＨ等が使用されていた。しかしながら、インシュレーション材中にＯＨ基、ＮＨ_２基が過剰に存在すると、推進薬成分と反応性を有し、推進薬とインシュレーション材の境界面が不安定になったり、バラツキを生じやすくなる可能性がある。

すなわち、脂肪酸、老化防止剤、粘着付与剤のＯＨ基、ＮＨ_２基が過剰に存在する場合、推進薬成分と反応し、特性の安定化に影響を及ぼすという問題があった。

本発明者らは、インシュレーション材の添加物中の−ＯＨ基、−ＮＨ_２基の含有量を大幅に低減することで推進薬とインシュレーション材との相互作用を低減し、インシュレーション材のその他の性能を損なうことなく特性を安定化し、より高い接着性能を達成できることを見出した。

本発明は、加硫可能なエラストマー、フィラー及び添加物から成るインシュレーション材であって、添加物中の−OH基、−NH₂基を含む成分の含有量が０．２重量%以下であることを特徴とするインシュレーション材に関するものである。

また、−OH基、−NH₂基を含む成分の前記含有量が０．１重量%以下であることを特徴とするインシュレーション材に関するものである。

さらに、前記加硫可能なエラストマーがエチレン-プロピレンジエンモノマー、イソプロピレンゴム、天然ゴム、アクリロニトリルブタジエンゴムから選択される１種または２種以上の混合物であり、前記フィラーが少なくともアラミド繊維、パルプ状アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、カーボンブラック、アスベスト、粒状シリカから選択される１種以上を含むことを特徴とする、インシュレーション材に関するものである。

さらに、添加物として軟化剤、可塑剤、老化防止剤、加工助剤、粘着付与剤のいずれか１つまたはこれらの混合物を使用することを特徴とする、インシュレーション材に関するものである。

本発明は脂肪酸（ステアリン酸等）の−OH基、−NH₂基を含む添加物の含有量を０．２重量％以下とすることにより、推進薬のウレタン反応が阻害されず、インシュレーション材と推進薬のより高い接着強度を達成することができる。従って、従来のインシュレーション材と比較してその他の性能を損なうことなく接着強度を高めることができる。

固体ロケットモータ用のインシュレーション材は、バインダーとしての機能を果たすエラストマーと、強度等の機械的な物性とアブレーション特性を向上させるフィラーと、種々の機能を果たす添加物とから構成されるのが一般的である。本発明ではインシュレーション材は少なくとも加硫可能なエラストマー、フィラー及び添加物を含む。

加硫可能なエラストマーとしては、不飽和結合を有し、硫黄架橋を可能としたエチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体(以下EPDMという)、ポリイソプレン構造をもつ天然ゴム(以下NRという)、天然ゴムと同じポリイソプレン構造を有し、化学合成されたイソプレンゴム(以下IRという)や、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体であるアクリロニトリルブタジエンゴム(以下NBRという) 、液状ブタジエンゴム（以下ＢＲという）（１，２−ＢＲ、１，４−ＢＲ）、液状ＩＲ（１，４−ＩＲ）、液状ＮＢＲゴム、液状ＳＢＲゴム、液状ポリブテン、液状ウレタンゴム等の液状ゴムなどが使用される。これらのエラストマーは、一種類のゴムを単独で使用することも、各ゴムの持つ利点をそれぞれ利用するためにこれらのゴムをブレンドして使用することもできる。

フィラーとしては、芳香族ポリアミド繊維(以下アラミド繊維という)、芳香族ポリアミド系パルプ状繊維(以下パルプ状アラミド繊維という)、炭素繊維、ガラス繊維、カーボンブラック、アスベスト、粒状シリカなどが使用される。これらは単独で使用することも、２種以上をブレンドして使用することもできる。

ここで、パルプ状アラミド繊維とは、非常に短くかつ高度にフィブリル化された繊維のことをいい、繊維が細かく開裂され極細繊維が集合した状態となり、通常の繊維に比べ、繊維表面が活性化され表面積が飛躍的に増大するという特徴を有している。従って、このようなパルプ状アラミド繊維をインシュレーション材のフィラーとして使用することにより、フィラーとエラストマーとの結合力が高まり強度等の機械的な物性とアブレーション特性を大幅に改善することができる。このようなパルプ状アラミド繊維は、例えばKEVLARドライパルプ(東レ・デュポン社の商標名)、TWARONパルプ(TEIJIN社の商標名)等として市販されている。

断熱特性、焼失特性、密度、アブレーション特性、加工性、施工性、接着性等のインシュレーション材として要求される特性の観点から、加硫可能なエラストマー、添加物、及びフィラーの配合比を決定する必要がある。

加硫可能なエラストマーの配合比はインシュレーション材の全重量に基づいて、好ましくは３０〜７５重量%であり、より好ましくは４０〜７０重量％である。さらに、フィラーの配合比はインシュレーション材の全重量に基づいて、好ましくは１０〜４５重量%であり、より好ましくは１５〜４０重量％である。添加物の配合比はインシュレーション材の全重量に基づいて、好ましくは１〜３０重量%であり、より好ましくは２〜２０重量％である。

インシュレーション材に添加する添加物には、鎖状ゴム分子を三次元構造に形成させるための加硫用または架橋用配合剤、ゴム製品の硬度を調整し混錬性、加工性を改善するための軟化剤や可塑剤、または加工助剤、ゴムの劣化を防止するための老化防止剤、ゴムの混錬、圧延時等の加工性を改善し、適切な粘着性を得るための加工助剤や粘着付与剤があるが、これらは使用されるエラストマーやフィラーとゴムの製造方法に合った添加物の組み合わせが選択される。

ここで、本発明において使用する添加物は、−OH基、−NH₂基を含む添加物の含有量が添加物中０．２重量％以下であり、好ましくは０．１重量％以下、最も好ましくは−OH基、−NH₂基を含む添加物を使用しないことである。例えば、従来使用されていたフェノール樹脂系の粘着付与剤に代えて、炭化水素系添加物及びテルペン樹脂系を使用することができる。本発明のインシュレーション材においては、加工助剤及び老化防止剤を含まなくてもよい。

また、本発明のインシュレーション材はゴムシートを複数層に積層して圧延したものであってもよい。積層構造とすることで、単層シートに比べて大幅に気密性を高めることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されるものではない。

実施例１
加硫可能なエラストマー成分、フィラーと添加物を混合し、バーバリ型混合機を用いて高温素練りした。そして加硫剤を加えて、オープンロールを用いて混練りした。得られたゴム生成物をカレンダーロール機によりシーティングする。実施例１で用いたインシュレーション材の配合比を表１に示す。ここで、添加剤としての粘着付与剤、加工助剤、老化防止剤を以下の通りとした。すなわち、粘着付与剤として従来使用していたフェノール樹脂系に代えて、炭化水素樹脂系（またはテルペン樹脂系であってもよい）を使用し、アミン系老化防止剤や加工助剤として使用していた脂肪酸は使用していない。加工助剤、老化防止剤を使用しなくても、インシュレーション材としての加工性及び老化特性には大きな影響を与えないことが確認できた。

比較例１
実施例１と同様の方法により、インシュレーション材を製造した。配合比を表１に示す。比較例１においては、従来から使用されている添加物を用いた。すなわち、加工助剤としてステアリン酸、粘着付与剤としてフェノール樹脂系、及び老化防止剤としてアミン系老化防止剤を用いた。

（ポーカーチップ強度試験）図１に表す装置を用いて、直径５０ｍｍの金属アダプタにインシュレーション材及び推進薬を挟み込み、接着強度を測定した。結果を表２に示す。

（ピール強度試験）図２に表す装置を用いて、インシュレーション材と推進薬の剥離強度を測定した。結果を表２に示す。

表２より、比較例に比べて実施例のピール強度及びポーカーチップ強度が向上していることがわかる。

ポーカーチップ強度試験装置の概略図である。 ピール強度試験装置の概略図である。

Claims (4)

1. 加硫可能なエラストマー、フィラー及び添加物から成るインシュレーション材であって、添加物中の−OH基、−NH₂基を含む成分の含有量が０．２重量%以下であることを特徴とするインシュレーション材。
2. −OH基、−NH₂基を含む成分の前記含有量が０．１重量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載のインシュレーション材。
3. 前記加硫可能なエラストマーがエチレン-プロピレンジエンモノマー、イソプロピレンゴム、天然ゴム、アクリロニトリルブタジエンゴムから選択される１種または２種以上の混合物であり、前記フィラーが少なくともアラミド繊維、パルプ状アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、カーボンブラック、アスベスト、粒状シリカから選択される１種以上を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のインシュレーション材。
4. 添加物として軟化剤、可塑剤、老化防止剤、加工助剤、粘着付与剤のいずれか１つまたはこれらの混合物を使用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のインシュレーション材。
   
   
   
   

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