(57)【要約】【課題】  固体ロケットモータの高性能化のため、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機械的物性とアブレーション特性の向上が求められていた。【解決手段】  加硫可能なエラストマーと、フィラーと、添加物からなるインシュレーション材において、フィラーとして、繊維が細かく開裂され極細繊維が集合した状態となったフィブリル化された繊維芳香族ポリアミド系パルプ状繊維を使用することにより、機械的物性とアブレーション特性を向上させたインシュレーション材を得ることができた。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加硫可能なエラストマーと、フィラーと、添加物からなるインシュレーション材であって、フィラーとして少なくとも芳香族ポリアミド系パルプ状繊維を含むことを特徴とするインシュレーション材。
【請求項２】
請求項1に記載されたインシュレーション材であって、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のいずれか一つまたはこれらの混合物であることを特徴とするインシュレーション材。
【請求項３】
請求項1または2に記載されたインシュレーション材において、前記加硫可能なエラストマーの配合比が30〜75重量%、フィラーの配合比が10〜45重量%、添加物の配合比が1〜30重量%であって、当該フィラーの配合比10〜45重量%の内芳香族ポリアミド系パルプ状繊維が5重量%以上を占めることを特徴とするインシュレーション材。
【請求項４】
請求項1または2に記載されたインシュレーション材において、前記加硫可能なエラストマーの配合比が45〜70重量%、フィラーの配合比が15〜34重量%、添加物の配合比が1〜25重量%であって、当該フィラーの配合比15〜34重量%の内芳香族ポリアミド系パルプ状繊維が7重量%以上を占めることを特徴とするインシュレーション材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インシュレーション材に係り、更に詳細には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に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
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、人工衛星打ち上げ用ロケット、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。
【０００３】
固体ロケットモータは、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または単にインシュレーションと呼んでいる。
【０００４】
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って、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。
【０００５】
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。
【０００６】
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、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、熱分解を起こ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いう。
【０００７】
従来、固体ロケットモータのインシュレーション材には、耐熱性、アブレーション特性を高め、補強効果を得るためにフィラーを混入させるのが一般的であり、このフィラーとしては、無機質繊維であってブレーキライニングやパッキンシート、あるいは耐火被覆や吸音・断熱用建材として使用されてきたアスベスト(石綿; クリソタイル  Mg3Si2(OH)4O5)繊維が使用されていた。  
アスベスト繊維を使用したインシュレーション材は、アスベスト繊維をチョップ状に切断し、ゴムと混練してシート状に圧延した素材をモーターケースの内面に貼り付け、加圧、加温して加硫成形されていた。
【０００８】
このアスベスト繊維は発ガン性を有していることから人体に対する有害性が指摘されているが、約600℃以上になると結晶水が飛散してしまい、Mg3Si2粉となるため、ロケットモータの燃焼ガスによって大気汚染を引き起こすという問題は生じない。しかし、チョップ状アスベスト繊維とゴムを混練する際に、アスベスト繊維が大気中に飛散し大きな環境問題となり、フィラーとしてアスベスト繊維を使用することが困難になってきた。
【０００９】
そこで、アスベスト繊維の代替品として、有機質繊維であってアブレーション特性に優れた芳香族ポリアミド繊維(アラミド繊維と略称されているもの)をフィラーとして使用したインシュレーション材が開発されている。(特開平3-21596)
【特許文献１】特開平3-21596号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
有機質繊維であるアラミド繊維は、ゴムとの結合力が弱いために、インシュレーション材としてのアブレーション特性を向上させるためにはエラストマーに対するアラミド繊維の含有量を高める必要がある。 しかし、アラミド繊維とエラストマーを混合する際に、アラミド繊維とエラストマーとの混錬性(混合性、分散性)が悪く、そのため、アラミド繊維の含有量を高めていくとインシュレーション材として必要な強度を得ることができなくなるという問題があり、この混錬性を改善するために種々の対策が必要になっていた。しかし、この混錬性を改善し、適切な強度を確保しつつアラミド繊維の含有量を高めたとしても、十分なアブレーション特性は得られておらず、更なるアブレーション特性の向上が求められていた。
【００１１】
上述したように、アラミド繊維をフィラーとして使用したインシュレーション材を固体ロケットモータに使用した場合、期待したアブレーション特性を得ることができない理由は、アラミド繊維はフィラメントが多数集まった配向性の高いマルチフィラメント状の形態をとっており、エラストマーとの結合力が弱く、エラストマーに対するアンカー効果が充分に発揮されていないことにあると考えられた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、フィラーとして芳香族ポリアミド系パルプ状繊維を使用することにより、エラストマーに対するフィラーのアンカー効果を高めることができ、その結果インシュレーション材として必要な強度を得ると共に、高いアブレーション特性を有するインシュレーション材を得ることができることを発見し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
請求項1に記載された発明では、加硫可能なエラストマーと、フィラーと、添加物からなるインシュレーション材において、フィラーとして少なくとも芳香族ポリアミド系パルプ状繊維を含む構成としている。
【００１４】
また、請求項2に記載された発明では、請求項1に記載されたインシュレーション材において、加硫可能なエラストマーとしてエチレン-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のいずれか一つまたはこれらの混合物からなる構成としている。
【００１５】
更に、請求項3に記載された発明では、請求項1または2に記載されたインシュレーション材において、前記加硫可能なエラストマーの配合比が30〜75重量%、フィラーの配合比が10〜45重量%、添加物の配合比が1〜30重量%であって、フィラーの配合比10〜45重量%の内芳香族ポリアミド系パルプ状繊維が5重量%以上を占める構成としている。
【００１６】
また、請求項4に記載された発明では、請求項1または2に記載されたインシュレーション材において、前記加硫可能なエラストマーの配合比が45〜70重量%、フィラーの配合比が15〜34重量%、添加物の配合比が1〜25重量%であって、フィラーの配合比15〜34重量%の内芳香族ポリアミド系パルプ状繊維が7重量%以上を占める構成としている。
【発明の効果】
【００１７】
上述したような構成のインシュレーション材とすることにより、従来のインシュレーション材に比べ、強度特性およびアブレーション特性を大幅に改善したインシュレーション材を得ることができ、これを固体ロケットモータのインシュレーション材として使用することにより、インシュレーションの薄肉化が可能となり、その結果固体ロケットモータの高性能化に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
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。
【００２０】
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)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。
【００２１】
フィラーとしては、従来使用されていた芳香族ポリアミド繊維(以下アラミド繊維という)に替えて、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)を使用する。
【００２２】
アラミド繊維、またはパルプ状アラミド繊維は、テレフタル酸とパラフェニレンジアミンの重合体を液晶紡糸したり、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールを液晶紡糸して作られる繊維であって、高い強度・弾性率および非常に良好な耐熱特性を合わせ持った有機合成繊維である。
【００２３】
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したものであるという特徴を有している。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
インシュレーション材のフィラーとして使用されるパルプ状アラミド繊維は、単独で使用することも、通常のアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、アスベスト、カーボンブラック、粒状シリカ等のフィラーと混合して使用することもできる。
【００２７】
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、加硫を促進するための加硫促進剤や加硫促進助剤、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、可塑剤や加工助剤、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。
【００２８】
断熱特性、焼失特性、強度・伸び、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、フィラー、及び添加物の配合比を決定する必要がある。
【００２９】
固体ロケットモータに使用されるインシュレーション材としては、加硫可能なエラストマー、フィラー、及び添加物の配合比が、それぞれ30〜75重量%、10〜45重量%、1〜30重量%であり、フィラーの配合比10〜45重量%の内パルプ状アラミド繊維が5重量%以上占めることが望ましい。
【００３０】
また、加硫可能なエラストマー、フィラー、及び添加物の配合比が、それぞれ45〜70重量%、15〜34重量%、1〜25重量%であり、フィラーの配合比15〜34重量%の内パルプ状アラミド繊維が7重量%以上占めることにより、固体ロケットモータ用インシュレーション材として更に望ましい特性を有する。
【００３１】
なお、本明細書に記載する重量%は、全てインシュレーション材全体の中に占める各成分の重量%を表すものである。
【表１】
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【００３２】
表1は、本発明の実施例と比較例を対比して示したものである。本実施例においては、加硫可能なエラストマーとして固体状のEPDM、天然ゴムと液状のNBRをブレンドして使用し、フィラーとしてはパルプ状アラミド繊維、およびガラス繊維の2成分を使用している。また、添加物としては加硫剤として硫黄、加硫促進助剤としてZnO、加工助剤としてステアリン酸、フェノール樹脂系の粘着付与剤、そしてアミン系の老化防止剤を使用している。
【００３３】
一方、表1に示した比較例では、フィラーとしてのパルプ状アラミド繊維に代えて、アラミド繊維を使用し、その他の成分およびその配合比は前述した実施例と同じものを使用している。
【００３４】
図1は、表1で示した実施例および比較例に係るインシュレーション材を加硫硬化させ成形したものに関するアブレーション特性を対比して示したものである。
【００３５】
アブレーション特性を評価する方法としては、図2に示すような小型の固体ロケットモータから発生する高圧、高温、高速の燃焼ガスにインシュレーション表面を晒すことによって行うものであり、実施例に係るインシュレーションと比較例に係るインシュレーションに対して同一の条件の固体ロケットモータを使用して、比較評価を行った。
【００３６】
アブレーション特性評価試験で使用した固体ロケットモータは推進薬外径が110mm、全燃焼時間が約4秒の内端面燃焼方式のロケットモータであり、ノズルスロートと推進薬の間に円錐状部分を設け、この円錐状部分の内壁に評価対象であるインシュレーション材が加硫接着して設置されている。
【００３７】
この固体ロケットモータの推進薬には、コンポジット系推進薬を使用しており、14重量%のHTPBバインダー、18重量%のアルミ粉末助燃剤、および68重量%の過塩素酸アンモニュウムを使用している。
【００３８】
評価対象であるインシュレーションは、表1で実施例および比較例として示した加硫硬化反応前のインシュレーション材シートを円錐状部分を構成する金属コーンの内面に複数枚貼り合わせて、加圧・加熱することによって加硫硬化させ、成形したものである。
【００３９】
図1は、表1で示した実施例および比較例のインシュレーション材のアブレーション特性を対比して示したものであり、横軸に燃焼ガスのガス流量密度をとり、縦軸にアブレーション速度をとって示している。ガス流量密度が小さい側が前述した円錐状部分の径の大きい側に対応し、ガス流量密度が大きい側が円錐状部分の径の小さい側に対応する。いずれの領域においても、本実施例に係るインシュレーションのアブレーション速度が、比較例に係るアブレーション速度よりも低く、本実施例に係るインシュレーションのアブレーション特性は大幅に向上することが確認された。
【００４０】
また、表1で示した実施例および比較例のインシュレーション材を加硫硬化させた後に、サンプルを切り出し引張強度と伸びを測定したところ、本実施例のサンプルから得られた引張強度と伸びは、比較例のそれと較べて平均でそれぞれ13%と17%向上することも確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明に係るインシュレーション材はその強度特性およびアブレーション特性において比較例で代表される従来品を大きく上回る性能を有しており、固体ロケットモータのインシュレーション材として使用することにより、インシュレーションの薄肉化が可能となり、固体ロケットモータの高性能化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図1は、表1で示した実施例および比較例のインシュレーション材のアブレーション特性を対比して示したものである。
【図２】図2は、インシュレーション材のアブレーション特性を評価するために使用する小型固体ロケットモータの概要を示したものである。
【図１】
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【図２】
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