(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体プロペラントを装填したロケットモーターのケースを絶縁する方法であって、
絶縁体を、架橋可能な液体ポリマーと炭素繊維を含む組成物から製造すること、ここで該組成物は、組成物中の乾燥成分を基準として５重量％以下の揮発性溶媒を含む条件下で混合することによって炭素繊維が該組成物中に分散できるようにするのに十分な濃度で架橋可能な液体ポリマーを含み、及び
該組成物を硬化して絶縁体を形成し、そしてロケットモーターのケースを該絶縁体で絶縁すること
を含む前記の方法。
【請求項２】
固体プロペラントを装填したロケットモーターのケースを絶縁する方法であって、
絶縁体を、架橋可能なＥＰＤＭターポリマーと炭素繊維を含む組成物から製造すること、ここで該組成物は、組成物中の乾燥成分を基準として５重量％以下の揮発性溶媒を含む条件下で混合することによって炭素繊維が該組成物中に分散できるようにするのに十分な濃度で架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーを含み、及び
該組成物を硬化して絶縁体を形成し、そしてロケットモーターのケースを該絶縁体で絶縁すること
を含む前記の方法。
【請求項３】
絶縁することが、絶縁体をケースの内面に施すこと、及び該内面と固体プロペラントとの間に絶縁体を挿入することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
組成物中の架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの１００重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭポリマーから成る、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
組成物中の架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの少なくとも９５重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーから成る、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
組成物中の架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの少なくとも９０重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーから成る、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
絶縁体の製造が、組成物を垂直羽根ミキサーまたはシグマ羽根ミキサー中で混合することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
組成物中の架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの少なくとも５０重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーから成り、そしてさらに、該絶縁体の製造が、組成物をシグマ羽根ミキサー内で混合することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
絶縁体を製造することが、組成物を揮発性溶媒の非存在下に組成物を混合することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
固体プロペラントを装填したロケットモーターのケースを絶縁する方法であって、
チャンバーを備えた少なくとも１種のハウジングモジュール、ハウジングモジュールからチェンバー内に半径方向に伸びている複数のニーダーピン、及び縦軸の周りに回転可能でありかつ往復運動で縦軸に沿って可動であるスクリューを含むニーダーを与えること、ここで該スクリューはスクリューの縦軸に沿って伸びる不連続スクリューねじを集合的に定めるように配置された複数のスクリューフライトを含む周囲表面を有する、及び
少なくとも１種の架橋可能なポリマーと炭素繊維とを含む組成物から絶縁体を製造すること、ここで該絶縁体を製造することが該組成物をニーダー内に導入すること、及びスクリューをその縦軸に沿って回転すると共にスクリューに縦の往復運動を重ね合わせるを含み、並びに
組成物を硬化して絶縁体を形成すること、及びロケットモーターのケースを絶縁体で絶縁すること
を含む、前記の方法。
【請求項１１】
固体プロペラントを装填したロケットモーターのケースを絶縁する方法であって、
チャンバーを備えた少なくとも１種のハウジングモジュール、ハウジングモジュールからチェンバーへと半径方向に伸びている複数のニーダーピン、及び縦軸の周りに回転可能でありかつ往復運動で縦軸に沿って可動であるスクリューを含むニーダーを与えること、ここで該スクリューはスクリューの縦軸に沿って伸びる不連続スクリューねじを集合的に定めるように配置された複数のスクリューフライトを含む周囲表面を有する、及び
少なくとも１種の架橋可能なＥＰＤＭターポリマーと炭素繊維とを含む組成物から絶縁体を製造すること、ここで該絶縁体を製造することが該組成物をニーダー内に導入すること、及びスクリューをその縦軸に沿って回転すると共にスクリューに縦の往復運動を重ね合わせるを含み、並びに
組成物を硬化して絶縁体を形成すること、及びロケットモーターのケースを絶縁体で絶縁すること
を含む、前記の方法。
【請求項１２】
絶縁体の製造が、組成物中の乾燥成分を基準として５重量％以下の揮発性溶媒を含む条件下で、ニーダー内で組成物を混合することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ケースの絶縁が、ケースの内表面に絶縁体を施し、そして絶縁体を内表面と固体プロペラントとの間に絶縁体を挿入することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの１００重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭポリマーから成る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの少なくとも９０重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーから成る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
架橋可能なＥＰＤＭターポリマーの少なくとも５０重量％が架橋可能な液体ＥＰＤＭターポリマーから成る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
組成物が液体ＥＰＤＭを含まない、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
絶縁体の製造が、組成物をニーダー内で揮発性溶媒の非存在下で混合することを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
１９９９年１２月２３日にアメリカ合衆国商標特許庁に出願した米国仮出願６０／１７１６１９号（その全開示は参照によってここに組み込まれる）の優先権が請求される。
【０００２】
発明の起源
アメリカ合衆国政府は本発明における支払済のライセンス、及び空軍ロケット実験室(Air Force Rocket Laboratory)にF04611-97-C-0053の期間によって与えられる合理的な期間、他にライセンスを与えることを特許権者に要求する限定された環境における権利を有する。
【０００３】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、ロケットモーター用のエラストマーを基本とした絶縁体を製造する方法、特に、脆弱な炭素繊維がＥＰＤＭと混合されかつＥＰＤＭ中に好ましくは均質に分散されており、繊維の組込み中にＥＰＤＭの溶解のために揮発性の溶媒の使用を必要としない方法に関する。本発明の絶縁体は特に、固体プロペラント粒の燃焼中に経験される高温からケースを保護するためのロケットモーターケースと固体プロペラント粒との間を含む、ノズルまたはケース内の代替のために有用である。
【０００４】
２．関連出願の説明
固体ロケットモーターは典型的に、固体プロペラント粒を収容する外側ケースまたはシェルを含む。ロケットモーターケースは通常は、固いが耐久性のある材料、例えば鋼またはフィラメント巻き複合材料から製造される。プロペラントはケース内に収容され、そして燃焼をうけるように設計された組成物から配合され、そしてそれによってロケットモーター推進力を達成するために必要な推力をつくり出す。
【０００５】
操作中、熱絶縁層（絶縁体）は、ロケットモーターケースを、燃焼しているプロペラントによって発せられた熱及び粒子の流れから保護する。
典型的には、絶縁体がケースの内表面に結合されており、そして一般的に、プロペラント粒が燃焼するときに生じた高温ガスに耐えることができる組成物から製造されている。ライナー層（ライナー）は、プロペラント粒を絶縁層に、及びケースのいずれかの非絶縁部分に結合するために、並びに界面の燃焼を禁止するために機能する。ライナー組成物は一般的に本技術における当業者に周知である。例示のライナー組成物及びそれをケースに施す方法は、米国特許第５７６７２２１号に開示されており、その完全な開示は本明細書と矛盾のない程度に参照によってここに組み込まれる。
【０００６】
固体ロケットプロペラントの燃焼は、ロケットモーターのケース内で極端な条件を生じる。例えば、ロケットモーターケース内部の温度は典型的に２７６０℃（５０００°Ｆ）に達し、内部圧は１５００ｐｓｉを超えうる。これらの因子は結合してロケットモーターケース内に高度の乱流をつくり出す。さらに、粒子は典型的にプロペラントの燃焼中に生成したガス中に飛沫同伴される。乱流環境下で、これらの同伴された粒子はロケットモーターの絶縁体を浸食し得る。もしロケットモーター操作中に絶縁層及びライナーに穴が開くと、ケースは溶融または劣化に感受性となり、ロケットモーターの破損を生じうる。このように、絶縁組成物がプロペラントの燃焼中に経験される極端な条件に耐え、そして燃焼するプロペラントからケースを保護することが重要である。絶縁組成物は、ロケットモーターケーシングへの用途に使用されるまで、完全に硬化されずに、十分に柔軟なままであるような受容できる貯蔵寿命を有することも重要である。与えられたロットの絶縁体が使用前に多くの月数貯蔵されて待たなければならないかもしれないので、この要求は重要である。典型的に、絶縁体は未硬化（またはせいぜい部分的に硬化された）状態で、使用のために準備されるまで大きなロールで貯蔵され得る。多数の硬化剤が周知であり、そして慣用されるが、満足な貯蔵寿命を許容するために全体のＥＰＤＭ配合物と適合性でなければならない。このことは次に硬化剤の活性のバランスをとることを要求する。
【０００７】
過去において、ロケットモーターケースを保護する絶縁材料を製造する試みは充填されているかまたは未充填のゴム及びプラスチック、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、高温メラミン−ホルムアルデヒドコーティング、セラミックス、ポリエステル樹脂等に焦点が合わされてきた。しかし、これらのプラスチックは燃焼中に経験される急速な温度及び圧力変動の結果として亀裂及び／又はブリスターを起こす。
【０００８】
エラストマー組成物はまた、多数のロケットモーター中にロケットモーター絶縁材料として使用されてきている。エラストマー組成物は、その機械的、熱的、及び磨耗性が特にロケットモーター用途に適しているので選択されてきている。しかし、エラストマーの磨耗性はしばしばロケットモーター操作に不適切である。例えば、絶縁体は、熱硬化性または熱可塑性のいずれでも、比較的高い浸食率を特徴とする。そのような高い浸食率を避ける重要性は、浸食による破損の危険の厳しさ及び大きさによって示されている。ほとんどの絶縁体は、ロケットモーターがスペースシャトルの発射のためのブースターとして使用されるか、攻撃用航空機の翼の下に戦術で運ばれるかのいずれでも、破滅的な損失が人間の生命の損失を引き起し得るという意味で、「有人飛行の安全性が保障される」必要がある。人工衛星の発射における失敗の金銭的経費は十分に公表されており、何億ドルにもなり得る。
【０００９】
エラストマー組成物の磨耗性を改善するため、有機系の繊維または炭素繊維のような充填剤でエラストマー組成物を強化することが提案されている。例えば、主たるターポリマーとして固体ＮＯＲＤＥＬ  １０４０を含む例示の炭素繊維で充填されたロケットモーター絶縁体は、ＳＴＷ４−２８６８熱絶縁体として本産業において通常知られており、そして以下の組成を有する。
【００１０】
【数１】
0004656792.tif 000002
【００１１】
有機系の繊維はＥＰＤＭ内に、それほどの困難性なしに、分散できるが、エラストマー組成物中の炭素繊維の均質な分散物は難しい処理の問題を示す。この混合工程は、炭素繊維の脆弱さによって複雑化される。高い剪断下の炭素繊維の固体エラストマー内への混合は、炭素繊維を物理的に、より小さい粒子または破砕物へと劣化させ、それによって、そうでなければ炭素繊維が絶縁体に寄与する有利な物性を無効にする。
【００１２】
簡便には、炭素繊維の脆弱性の問題は、エラストマーを溶液内へと適切な有機溶媒で溶解して、より低い粘度のエラストマーまたはエラストマー混合物にすることによって対処されてきた。適切な溶媒は、例えば炭化水素（例えばヘキサン、ヘプタン、及び／又はシクロヘキサン）を含む。次に、脆弱なグラファイト化された炭素繊維は溶液と、炭素繊維への有意な破壊または損傷を与えることなくシグマ羽根ミキサー内で混合できる。次に材料はシートとして出され、そして溶媒を周囲雰囲気で、又はオーブン内で蒸発させる。
【００１３】
この処理技術において溶媒の使用は、いくつかの欠点を提示する。例えば、溶媒処理技術（例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー）ゴム内に炭素繊維を分散するために慣用的に使用されるもの）は比較的高価である。材料コストは、溶媒の使用によって、処理コストが増すので、増すが、これは溶媒を取扱いそして処理するために、追加の労働者及び装置が必要であるからである。さらに、かなりの経費及び労働者の安全性は、危険な揮発性の有機溶媒の廃棄に関係する。
【００１４】
従って、炭素繊維で充填されたＥＰＤＭがそのようなロケットモーター絶縁体のための優秀な候補であることが長い間認識されてきたが、本技術には、均質にその中に分散している炭素繊維を有するが有意な破壊または損傷にさらされることなくＥＰＤＭ絶縁体を製造する、コストが低く危険性な溶媒を含まない合成法の必要性が存続している。
【００１５】
発明の概要
従って、本発明の目的は、ＥＰＤＭロケットモーター絶縁体を製造する方法を提供することによって上に概要を示した、本技術において長く求められた必要性を満足することであり、ここで該方法において、炭素繊維はＥＰＤＭポリマーマトリックス内に分散かつ固定されているが、ＥＰＤＭポリマーマトリックス内に炭素繊維を均質に又は他の状態で分配または分散する程度の剪断の必要性に遭遇したときに、過度に破砕または破片化、すなわちより小さい破片に破壊されていない。
【００１６】
上述及び他の目的は、絶縁体が過剰な損傷なくゴムマトリックス内に脆弱な炭素繊維を分配するために、分配的／減じられた剪断混合によって製造される、溶媒を含まない方法によって達成される。
【００１７】
この実質的に溶媒を含まない方法の一つの態様にしたがい、エラストマー組成物は、炭素繊維及びＥＰＤＭターポリマーを含み、ＥＰＤＭの少なくとも５０重量％が液体ＥＰＤＭターポリマーとして混合装置内に成分として導入されるが、該液体ＥＰＤＭターポリマーはＥＰＤＭ中内に炭素繊維の分散を実質的に繊維の断片化無しに許容するために十分に低い分子量及び高いジエン含量を有する。ここで言及するときは、液体ＥＰＤＭは室温で流れることができるＥＰＤＭターポリマーを意味する。この態様のための適切な混合装置はシグマ羽根及び垂直羽根のミキサーを含む。炭素繊維に回転及び軸混合運動を組み合わせることができるある種のニーダー、例えば第２の態様と関連して以下に議論するもの、が使用できる。
【００１８】
本発明の他の態様に従い、エラストマー組成物は、所望により実質的に溶媒の無い条件下でほとんどまたは全く液体ＥＰＤＭはターポリマーを使用せず、不連続のフクリューねじをスクリュー軸の周りに有するスクリューを回転でき、一方、スクリューに軸上で往復運動するストロークを重ね合わせることができるニーダーを使用することによって、製造される。このニーダーはＥＰＤＭターポリマー中で炭素繊維の低い剪断分配混合を付与する。この態様において使用されるニーダーは特に、ほとんどまたは全く液体ＥＰＤＭ成分も揮発性成分も配合物に含まれていない場合に適している。
【００１９】
ここで言及するとき、炭素繊維は、少なくとも実質的にグラファイト化または炭素化に付されており、そして好ましくは約９８重量％以上の炭素含量を有する繊維である。
【００２０】
本発明の他の目的、面及び利点は、本発明の原理を説明する詳細な説明と添付の請求の範囲を読んだときに、添付の地面と関連して読んだときに、本技術の当業者にさらに明らかとなる。
【００２１】
図面の簡単な説明
添付図面は、本発明の原理を説明するために役立つ。
図１は、絶縁体を備えたロケットモーターアセンブリーの略断面図である。
【００２２】
図２は、本発明と共に使用するのに適したニーダー装置の略断面図である。
図３は、図２のラインIII-IIIの断線に沿ってとった断面図である。
図４は、図２の混練装置の不連続スクリューバレルの軸部分の略図であり、軸セグメント部分は例示の目的のための平面上に突き出している。
【００２３】
図５は、ニーダー装置の混練ピンが、示した軸部分上に重ね合わされている図４の略図である。
図６は、図５の概念図であり、不連続なスクリューバレルに相対する（特にバレルのスクリューフライトに相対する）混練ピンの選択された一つの相対的な運動の路を示す。
【００２４】
図７は、以降説明する試験実施例において使用されるチャーモーターの略横断面である。
発明の詳細な説明
本発明の絶縁組成物１０は、硬化状態にあるとき、図１に示すように、ロケットモーターケース１２の内表面上に配置されるために特に適している。典型的には、ライナー１４が絶縁体１０とプロペラント１６との間に挿入されている。絶縁体１０及びライナー１４は、プロペラントが燃焼反応を受けそしてノズルアセンリー２０を通って排出されるときに、プロペラント１６によってつくり出された極端な条件からケース１２を保護するのに役立つ。ロケットモーター１２に絶縁体１０、ライナー１４を及びプロペラント１６を装填するための方法は本技術における当業者に既知であり、そして本発明の絶縁組成物を組み込むために過度の試験無く、容易に適用できる。
【００２５】
有意な繊維の断片化なく、固体ＥＰＤＭ成分中の炭素繊維の適切な分配を達成するために、混合装置内で溶媒を使用する慣用の技術とは異なり、溶媒の無い条件下で、または少なくとも実質的に溶媒を含まない条件下でＥＰＤＭマトリックス内の炭素繊維の分配を達成することが本発明の目的である。該方法が十分に少量の揮発性溶媒を使用して実施される実質的に溶媒を使用しない手段は、絶縁体の製造中に揮発性の溶媒が除去されないとしても、揮発性の溶媒は、適用できる環境または安全規則を、製造中、ロケットモーターの貯蔵中、またはロケットモーターの操作中に溶媒の揮発によって犯すのに十分な量は存在しない。一般に、「実質的に溶媒を含まない」という用語は、好ましくは絶縁体の乾燥成分を基準として約５重量％以下の揮発性溶媒を意味する。好ましくは、該方法は完全に揮発性溶媒無しで実施される。
【００２６】
本発明の第１の態様に従い、この及び他の目的は、混合装置内に導入されるＥＰＤＭ成分の有意な部分として液体ＥＰＤＭを使用することによって達成される。繊維の過剰な断片化を伴うことなく、繊維の適切な分配を確実にするために、液体ＥＰＤＭ成分の量は、使用する混合装置に依存する。一般に、絶縁体産業に既知の慣用のミキサー、例えばシグマ羽根ミキサーがＥＰＤＭマトリックス内に炭素繊維を分散するために使用される場合、絶縁組成物は好ましくは、ＥＰＤＭの全重量（すなわち固体及び液体ＥＰＤＭ成分の両方）を基準として、少なくとも約５０重量％、そしてさらに好ましくは少なくとも約９０重量％の液体ＥＰＤＭを成分として含む。垂直羽根ミキサーが、ＥＰＤＭマトリックス内に炭素繊維を分散させるために使用される場合には、絶縁組成物は好ましくは、ＥＰＤＭの全重量（すなわち固体及び液体ＥＰＤＭ成分の両方）を基準として、わずかにより多くの液体ＥＰＤＭ（例えば少なくとも約９０重量％、さらに好ましくは少なくとも約９５重量％の液体ＥＰＤＭ）を成分として含む。図２〜６に示されるもののようなニーダーが使用される場合には、より少ない液体ＥＰＤＭ（または以下の第２態様に詳しく説明するように全く液体ＥＰＤＭ無し）が過剰の断片化無く繊維の均質な分散を得るために要求される。すなわちニーダーに導入されるときに全てのＥＰＤＭが固体状態であることができる。
【００２７】
一般に、ＥＰＤＭ、すなわち固体及び液体成分の両方が、ロケットモーター絶縁体の全重量の約３５重量％〜９０重量％、さらに好ましくは約４５〜約７５重量％を構成する。ＥＰＤＭターポリマーは、ジエン成分としての、１，４−ヘキサジエン、ジシクロペンタジエン、及び／又はアルキリデンノルボルネン（例えばエチリデンノルボルネン(ＥＮＢ)）から形成できる。適切な商業的に入手できる液体ＥＰＤＭターポリマーはTRILENE 67A及びTRILENE 77（Uniroyal Chemicalから入手できる）である。しかし、液体ＥＰＤＭの一部または全部が他の液体ポリマー成分、例えば液体ポリウレタンによって置換できることが注意されるが、置換された液体ポリマー成分が、過剰な断片化無く炭素繊維に関して同じ分布機能を得る場合に限る。本発明において使用するための１，４−ヘキサジエン成分を有する適切な固体ＥＰＤＭターポリマーは、DuPontによって製造されるNORDEL 1040、NORDEL 2522、及びNORDEL 2722Eを含む。本発明において使用するためのＥＮＢジエン成分を有する適切な固体ＥＰＤＭターポリマーは、上述のように、オランダのＤＳＭからそれぞれ入手できるKELTAN 4506、KELTAN 1446A、KELTAN 2308、DuPont Dow Elastomerから継続して入手できるNORDEL IP 4520及びNORDEL IP 4640を含むがこれらに限定されない。
【００２８】
硬化パッケージは、ポリマーまたはポリマー前駆体（例えばプレポリマー）を架橋及び／又は鎖延長するための硫黄硬化剤及び／又はペルオキシド硬化剤を含むことができる。適切な不溶性硫黄硬化剤は、Akro ChemからのAKROSPERSE IS-70及びCharles H. Haynes, Inc,から入手できるCRYSTEX OT-20を含む。他の形態の元素硫黄も使用し得る。適切なペルオキシド硬化剤は、ジクミルペルオキシド、2,5-ジメチル-2,5-ビス-(t-ブチルペルオキシ)ヘキサン、2,5-ジメチル-2,5-ビス-(ベンゾイルペルオキシ)ヘキサン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)-3-ヘキサン、n-ブチル-4,4-ビス-(t-ブチルペルオキシ)バレエート、4,4'-メチル-ビス-(シクロヘキシルアミン)カルボメート、1,1-ビス-(tブチルペルオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘサン、α,α'-ビス-(tブチルペルオキシ)-ジイソプロピルベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ビス-(tブチルペルオキシ)ヘキシン-3、及びt-ブチルペルペルベンゾエートを含む。商業的に入手できるペルオキシドは商標名Di-Cup 40KEで入手でき、これはクレー担体上の約４０重量％のジクミルペルオキシドを含む。（クレー担体はBurgess Pigment Companyから入手できる。）他の適切な硬化剤（硫黄及びペルオキシド硬化剤を除く）はブロモメチルアルキル化フェノール樹脂であり、ニューヨーク州スケネクタディのSchenectady Int'l, Inc.からSP-1056入手できる。
【００２９】
典型的な配合物において、硬化剤は、約０．５ｐｈｒ〜約８ｐｈｒ、さらに好ましくは約２ｐｈｒ〜約５ｐｈｒを構成する。ここで言及するとき、本技術において一般に受容されているように、「ｐｈｒ」とはポリマー１００重量部あたりの重量部数をいう。
【００３０】
硬化パッケージはは好ましくは、少なくとも１種のホスフェート硬化促進剤を含む。硫黄硬化剤の場合には、促進剤は例示として、RHENOCURE AP-5、RHENOCURE AP-7、RHENOCURE AP-3、RHENOCURE ZADT/G及びRHENOCURE ZADT/G（Rhein Chemieから入手できる）、及びAccelerator VS（Akro Chemから入手できる）であることができる。ホスフェート硬化促進剤と組み合わせて使用し得る追加の硬化促進剤は、butyl zimate、ベンゾチアジルジスルフィド（ALTAXとして商業的に知られている）、ジチオカルバメート含有ブレンド（例えば、AkroChemからのAKROFORM DELTA P.M.）、及びスルフィド、例えばジペントメチレンチウラム・ヘキサスルフィド（例えばR.T. VanderbiltからのSULFAD）を含む。Accelerator VSの使用は、それが発する悪臭の問題により最初にはいくつかの配合物中で受容できなかったが、そのような配合物は、もし約１．０ｐｈｒのマグネシウム酸化物がそれに添加されるのであれば、実質的に臭い無しに製造できることが発見された。
【００３１】
硬化パッケージのための適切な硬化活性剤は、金属酸化物、例えば酸化亜鉛（例えば、ニュージャージ州トレントンのRhein Chemie CorpからのTZFD-88p）、マグネシウム酸化物（例えばMorton Chemical Co.からのElastomag 170）、及びステアリン酸（パルミチン酸を含む）（オハイオ州アクロンのHarwick Standard Distribution Corp.から入手できる）を含む。
【００３２】
炭素繊維は、少なくとも部分的な、好ましくは９８重量％以上の炭素含量へのグラファイト化又は炭素化にかけられる。炭素繊維は、混合装置内での分布に適した長さを有するべきである。一般に、炭素繊維は好ましくは好ましくは、不連続で、長さが約１／１６インチ以上であり約６インチ以下であるが、これらの範囲は本発明の範囲に関して網羅的ではない。炭素繊維はいくつかの会社によって商業的に供給されており、これはテネシー州のノックスヴィルのAkzo NobelからのFORTAFIL繊維（例えばFORTAFIL 140及びFORTAFIL 144）、サウスキャロライナ州チャールストンのAmocoから入手できる炭素繊維、及びミズーリ州セントルイスのZoltecによって供給されるPANEX 33（１／４"×８"または１／４"×１５"）を含む。一般に炭素繊維は、絶縁体の全重量を基準として、約２重量％から約５０重量％、さらに好ましくは約１０重量％〜約３０重量％の量で存在する。炭素繊維の量は一般に、他の成分、例えばチャー形成剤、特にホスフェート難燃剤の存在に依存して変化する。これは絶縁体に望まれる物理的性質を付与することによって炭素繊維を補う。
【００３３】
炭素繊維は、単独で、又は絶縁体の磨耗及び機械的性質に影響する他の材料と組み合わせて使用できる。例えば、適切な材料は、ポリベンズオキサゾール繊維、ポリベンズイミダゾール繊維、アラミド繊維、鉄酸化物、粉砕ガラス、シリカ、セラミッククレー等を含む。適切なシリカ粒子は、ルイジアナ州レークチャールズのPPG Industries, Inc.からHiSil 233として、Cabot Corporationから、CAB-O-SIL(R) TS-610、CAB-O-SIL(R) TG-308F、CAB-O-SIL(R) TG-720、CAB-O-SIL(R) TS-500、CAB-O-SIL(R) TS-530及びCAB-O-SIL(R) TG-810Gとして、DegussaからAEROSIL R972、AEROSIL R974、AEROSIL R812、AEROSIL R812S、AEROSIL R711、AEROSIL R504、AEROSIL R8200、AEROSIL R805、AEROSIL R816、AEROSIL R711、及びAEROSIL R104、並びにTulco Inc.からTULLANOX 500として入手できる疎水化シリカ粒子を含む。
【００３４】
要求されるかまたは望まれるときに添加し得る適切な添加剤は、以下のものの一種以上を種々の組み合わせて含む。抗酸化剤、難燃剤、粘着付与剤、可塑剤、加工助剤、カーボンブラック、顔料、及び結合剤。硬化されたエラストマーの寿命を改善するための代表的な抗酸化剤は、例えば、アセトンと反応させたジフェニルアミン（Uniroyal ChemicalからのBLE(R)25 Liquidとして入手できる）、モノ−、ジ−、及びトリ−スチレン化フェノール（B.F.Goodrich Chemical Co.からのAGERITE SPARとして入手できる）を含む。他の適切な抗酸化剤は、重合1,2-ジヒドロ-2,2,4-トリメチルキノリン（AGERITE RESIN D）及び混合オクチル化ジフェニルアミン（AGERITE STATLITES）を含み、それぞれR.T. Vanderbilt Co.から入手できる。
【００３５】
難燃剤又はチャー形成剤として機能する充填剤は、必要であれば、ほとんどの他の添加剤よりも少ない量であることができ、良好な機械的性質を有する絶縁体を配合することを容易にする。無機及び有機の難燃剤が本発明において有用であると期待される。有機の難燃剤の例は、塩素化炭化水素（DECHLORANE(R)として入手できる）（アンチモン酸化物と組み合わせて、また所望によりジイソデシルホスフェート（ＤＩＤＰ）と共に）、または水素化アルミナ（例えばHydral 710三水素化アルミニウム）、メラミンシアヌレート、ホスフェート及びホスフェート誘導体（Monsanto Chemicalによって製造されるPHOSCHEK P/30(R)(アンモニウムポリホスフェート)として入手できる）（これらは単独またはペンタエルトリトールであるニューヨーク州ナイアガラ滝のOccidental Chemical CorporationからのDECHLORANE PLUS 25と組み合わせて使用できる）、及びシリコーン樹脂、例えばDow Corningから入手できるDC4-7051を含む。無機難燃剤の例はほう酸亜鉛、例えばU.S. BoraxからのFIREBRAKE(R)ZBである。
【００３６】
適切な粘着付与剤の例は、WINGTACK 95及びAKROCHEM P-133である。他の成分、例えば顔料及び押出機加工助剤（例えばARMEEN 18-D）（本技術において周知であり、そして／又はロケットモーター熱絶縁用途及び押出機技術における用途に適している）は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。適切な改質エラストマーは塩化スルホン化ポリエチレン、例えばDupont Dow Elastomersから入手できるHYPALON-20である。炭化水素油のような非揮発性の可塑剤も使用できる。
【００３７】
本発明の絶縁体のケース内へのキャスティング、及び本発明の絶縁体の硬化は、本技術において既知の技術に従って実施し得る。明細書中及び請求の範囲中で言及するとき、本発明の組成物は、とりわけ、ロケットモーターケース内へキャスティングしそして硬化することによって施用、または硬化され、所望によって適切な形及びサイズに切断され、続いてロケットモーターケース内に適用される。
【００３８】
図２〜６を特に参照すると、本発明の好ましい態様に従うニーダーは、Georg Fischer Plant Engineeringのプラントエンジニアリンググループである、Buss Compounding Systemsから入手できるBuss Kneader(R)である。代表的なBuss Kneader(R)商標のニーダーはモデルMDK/E-46である。このニーダーは商業的に入手でき、そして過去において種々の以下の他の産業において使用されていると現在考えられている。建設、電気及び電子部品パーツ、自動車部品、化学製品、家庭電化用品、食品、包装、及び消費者用品。他の類似のニーダーはB&P Process Equioment & Systemsから入手できる。
【００３９】
このBuss Kneader(R)商標のニーダーは、チャンバー２２ハウジングを定めるモジュール（又はバレル）２０を有する。それぞれのチャンバーを有する複数の追加のモジュール（示さず）が一緒に統合されて広げられたチャンバーを提供することができる。ハウジングモジュール２０は、加熱のためのジャケット又は内部流体通路を備えることができる。ケースをメンテナンス及び操作できるように、ハウジングモジュール２０は分離バレル配置であることができ、バレル２０をその長さに沿って開け、それによってチャンバー２２へのアクセスを容易にすることができる。
【００４０】
例示の態様において、単一の回転可能なスクリュー２４は、チャンバー２２内に受容される。一般に、スクリュー２４は、直径約３０ｍｍ〜約２００ｍｍであり、そして約８：１〜約２０：１の長さ対直径（Ｌ：Ｄ）比を有するが、本発明はそれほど限定されず、望まれる数のモジュール２０を統合する柔軟性を与えられる。
【００４１】
図２〜６に示すように、スクリュー２４の周囲は複数のスクリューフライト３０を有する。スクリューフライト３０はそれぞれ例示した態様において斜方形の形状を有するが、本発明はそれによって範囲を限定されない。図４に最もよく示されるように、スクリューフライト３０はそれぞれに相対して配置されて複数のスクリューフライトカラム３２を与える。これらのスクリューフライトカラム３２のそれぞれについて、それぞれのスクリューフライト３０はスクリュー２４の縦軸に沿って整列されているが、互いに軸距離によって間隔が開けられている。好ましい態様において、スクリュー２４は３つのスクリューフライトカラム３２ａ、３２ｂ及び３２ｃを有する。スクリューフライトカラム３２ａのスクリューフライト３０の周囲中心Ｃは、スクリューフライトカラム３２ｂ及び３２ｃのスクリューフライト３０の周囲中心から周囲のまわりに１２０°の間隔で位置する。隣接するカラム３２ａ、３２ｂ及び３２ｃのそれぞれの間で定められるものはギャップ３４ａ、３４ｂ及び３４ｃである。慣用の単一スクリュー押出機のスクリューは、その長さに沿って伸びる連続の渦巻きまたは螺旋のスクリュー面を有するが、例示の態様のスクリュー２４は不連続のスクリュー面を有し、これらのスクリューの渦巻きまたは螺旋の通路はギャップ３４によって決められる。
【００４２】
ハウジングモジュール２０は混練ピン（または混練歯とも呼ばれる）４０を有し、これは例示の態様において、菱形の断面を有する。混練ピン４０のそれぞれは、ハウジングモジュール２０のそれぞれの半径方向に沿って、その内周から伸びる。図４に示すように、混練ピン４０は集合的に、３つの混練ピンカラム４２ａ、４２ｂ及び４２ｃを定め、それぞれはスクリュー２４の周囲の周りにそれぞれから１２０°間隔が開けられギャップ３４内に受容できるように寸法ぎめされている。混練歯は中空であり得、そして混練歯を通って直接メルトに流体成分の注入を許容する供給手段に連結されていることができる。
【００４３】
操作中に、スクリュー２４はその縦軸の周りに回転され、一方軸ストロークがスクリュー２４上に重ねられて、軸方向にスクリュー２４を後ろ及び前に振動する。ギアボックス（示さず）（George Fischer Plant EngineeringからのBuss Kneader(R)商標のニーダーと共に入手できる）が好ましくは、スクリュー２４のそれぞれの回転がスクリュー２４の完全な前方及び後方へのストロークを伴うことを確実にする。同時に、ハウジングモジュール２０及び混練ピン４０は、回転／振動スクリュー２４に対して静止のままである。
【００４４】
スクリュー２４の回転／振動運動により混練ピンがそれぞれの混練フライト３０の面を横切り、それによって剪断を発生し、この剪断は混練面３０をきれいにし、そして分散及び分配混合を起こす。混練フライトと混練ピンとの間のこの相対運動が以下に図６を参照して詳しく説明される。図６は選択ピン４０ａ及び４０ｃ、及びスクリュー２４に相対する運動のそれぞれの通路を示す。図６に示すように、混練ピン４０は、混練フライト３０の面を横切って、そしてギャップ３４を横切って動き、それによって混練フライト３０の面をきれいにし、そして分散及び分配混合を起こす。
【００４５】
上述のように、46mmの単一のスクリュー、及び１１：１のプロセスＬ／Ｄ比を有するBuss Kneader(R)モデルMDK/E-46商標のニーダーが使用できる。このモデルのニーダーは、Reliance 40HP 1750 rpm DCモーター及びFlex Pak 3000コントローラーと組み合わせて使用できる。
【００４６】
垂直の供給部は、ハウジングモジュール２０の長さに沿って異なる軸位置に与えられる。好ましくは、入り口フィーダーはジャケット付き垂直スクリューフィーダーである。一般に、ポリマー材料及び炭素繊維がほとんどの上流供給部内に導入され、難燃剤及び他の成分はさらに下流で添加され（ハウジングモジュール２０の軸方向に沿って）、そして硬化パッケージは最も下流供給部分で導入される。この方法において、絶縁組成物は連続的に製造され得る。チャンバーの温度は一般に、操作中、約６６℃（１５０°Ｆ）〜９３℃（２００°Ｆ）の範囲に設定される。
【００４７】
この第２の態様のニーダーを使用する利点は、ニーダーから排出される絶縁組成物が、ＥＰＤＭ材料の押し出しのための押出機内に直接導入され得る。この第２の態様のニーダーと共に使用するために適切な押出機は排出押出機ＧＳ７０である。この態様における押し出す能力は、慣用の技術を超える改善を提供する。ここで絶縁組成物はシートへとカレンダー処理され、そして切断される。
【００４８】
実施例
以下の実施例は、本発明に従ってなされた態様を例示する。さらに説明されるものは、比較の目的のために比較実施例である。発明の態様は網羅的でも限定的でなく、単に本発明に従ってつくられる多くのタイプの態様の代表例である。
【００４９】
【表１】
0004656792.tif 000003
【００５０】
0004656792.tif 000004
【００５１】
実施例１及び６
TRILENE67を除く全ての固体成分をV-shellブレンダー内で周囲温度において数時間にわたりブレンドした。TRILENE67は、６０℃（１４０°Ｆ）に設定され１０rpmで操作されるシグマ羽根を備えたBrabenderミキサー内に別に導入した。TRILENE67をBrabenderミキサー内でTRILENE67を６０℃に温めるために十分な時間混合した。次に、V-shellブレンダーからのブレンドした材料をBrabenderミキサー内に導入し、TRILENE67内に繊維が均一に分散するまでTRILENE67と混合した。次に配合物をbrabenderキミサーからミルに取り出し、冷却前にシートに成形した。各シートは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）の厚さであった。
【００５２】
実施例２〜５
TRILENE67を除く全ての全ての固体成分及び炭素繊維をV-shellブレンダー内で周囲温度において数時間にわたりブレンドした。TRILENE67は、７７℃（１７０°Ｆ）に設定され５０rpmで操作されるシグマ羽根を備えたBrabenderミキサー内に別に導入した。TRILENE67をBrabenderミキサー内でTRILENE67を７７℃に温めるために十分な時間混合した。次に、V-shellブレンダーからのブレンドした材料をBrabenderミキサー内に導入し、TRILENE67と混合した。次にBrabenderミキサーの速度を２０rpmに下げ、そして繊維をBrabenderミキサーに導入してTRILENE67内に繊維が均一に分散するまで混合した。次に配合物をbrabenderミキサーからミルに取り出し、冷却前にシートに成形した。各シートは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）の厚さであった。
【００５３】
比較実施例Ａ及びＢ
比較実施例Ａを、炭素繊維を除く全ての成分を実験室用ミキサー内で混合することによって調製した。炭素繊維はこの混合物内に、ツインスクリュー押出機（反対回転スクリューが入っている）内で、ツインスクリュー押出機の単一ポート内で混合したポリマー材料及び炭素繊維を添加することによって、組み込まれた。比較実施例Ｂは、炭化水素溶媒で溶媒処理することによってつくられた。
【００５４】
【表２】
0004656792.tif 000005
【００５５】
表２から、その独占的なＥＰＤＭ成分としての液体ＥＰＤＭ（すなわち固体ＥＰＤＭを含まない）は、比較実施例Ａ（ＥＰＤＭ成分の全重量を基準として半分未満の液体ＥＰＤＭを含む）及び比較実施例Ｂ（液体ＥＰＤＭを含まない）に匹敵するか、または場合により改善された摩耗性を示すことがわかる。
【００５６】
実施例７〜９は、Buss Kneader(R)内で絶縁体を混練することによって本発明の第２の態様に従って調製された。実施例７〜９の絶縁組成物の成分を表３中で説明する。実施例７〜９の摩耗性、本発明の実施例４のものとの比較を表４に説明する。
【００５７】
【表３】
0004656792.tif 000006
【００５８】
【表４】
0004656792.tif 000007
【００５９】
表４に示すように、Buss Kneader(R)内で液体ＥＰＤＭを使用せずに調製した絶縁体は、シグマミキサー内で液体ＥＰＤＭを使用して調製された実施例４に匹敵する浸食抵抗を示した。
【００６０】
試験をチャー・モーター（char motor）（例えば図７に示すもの）内で実施した。チャー・モーターは固体ロケットモーターケース絶縁材料の摩耗性を評価するために建造された。チャー・モーターは燃焼ガスを提供するプロペラントビーカー７０、試験材料を保持する評価チャンバー、及び必要な圧力をつくり出す圧縮ノズルを含む。評価チャンバーは３つの区画に分割される。最初の一つは、「低粘度」円筒領域７２（約８インチの長さ及び８インチの直径で、プロペラントビーカーとほぼ同じ直径）である。短い円錐型の移行チャンバー７４はガス流れを約２インチの直径に制限し、そしてプロペラントガスを２２インチの長さの円錐形試験チャンバー内に排気する。この試験チャンバーは「中−速度」領域７６及び「高−速度」領域７８内に分割される。
【００６１】
評価されるべき絶縁材料の試料を成形し、硬化し、そしてエポキシ樹脂で試験チャンバーの各々内に結合した。組み立て前に、硬化した長さを測定し、そして各評価試料の厚さを選択した間隔（公称１インチの距離）で測定した。各試料は重さも量った。次に試料を低−速度区画、中−速度区画及び高−速度区画内に組み立てた。燃焼後、モーターを解体し、各試料を再度測定した。摩耗度を、一定の地点における燃焼前の厚さから、未処理絶縁体の燃焼後の厚さ（すなわちチャーが除かれた後）を差し引きし、そして結果をモーターの燃焼時間で割ることによって決定した。これらの試験について、１区画より多いものの材料が測定され全ての区画の平均が上に報告されている。
【００６２】
チャー・モーターが、RSRM TP-H1148（ポリブタジエンアクリル酸アクリロニトリル(PBAN系)）プロペラントで燃焼された。表１及び２に説明した実施例１〜３及び比較実施例Ａについて、モーターを１２．１０秒間、８８０ｐｓｉの平均圧力において燃焼させた。表１及び２において説明した実施例４〜６については、モーターを１１．５６秒間、８２５ｐｓｉの平均圧力において燃焼させた。比較実施例Ｂは１１．８９秒間、８８５ｐｓｉの平均圧力において燃焼させた。表３及び４に説明した実施例７〜９及び４については、モーターを１２．４６秒間、９１６．０７ｐｓｉの平均圧力において燃焼させた。
【００６３】
以上の本発明の詳細な説明は、本発明の原理及びその実際的な用途を説明し、それによって本技術の当業者が企図される特別の用途に適しているものとして種々の態様及び種々の修正について本発明を理解できるようにする目的のために与えられたものである。この説明は、網羅的、又は開示された正確な態様に本発明を限定することは意図されない。修正及び均等は本技術における当業者には明らかであり、添付の請求の範囲の精神及び範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、絶縁体を備えたロケットモーターアセンブリーの略断面図である。
【図２】  図２は、本発明と共に使用するのに適したニーダー装置の略断面図である。
【図３】  図３は、図２のラインIII-IIIの断線に沿ってとった断面図である。
【図４】  図４は、図２の混練装置の不連続スクリューバレルの軸部分の略図であり、軸セグメント部分は例示の目的のための平面上に突き出している。
【図５】  図５は、ニーダー装置の混練ピンが、示した軸部分上に重ね合わされている図４の略図である。
【図６】  図６は、図５の概念図であり、不連続なスクリューバレルに相対する（特にバレルのスクリューフライトに相対する）混練ピンの選択された一つの相対的な運動の路を示す。
【図７】  図７は、以降説明する試験実施例において使用されるチャーモーターの略横断面である。
【図１】
0004656792.tif 000008
【図２】
0004656792.tif 000009
【図３】
0004656792.tif 000010
【図４】
0004656792.tif 000011
【図５】
0004656792.tif 000012
【図６】
0004656792.tif 000013
【図７】
0004656792.tif 000014