Fremstilling av TPEG, og herding og karakterisering av TPEG-baserte polymermatriser

Polyetylenglykol kopolymer (TPEG) har blitt syntetisert og herdet for å teste om den kan brukes som bindemiddel i rakettdrivstoff. Foruten ti synteser av TPEG ble én syntese av en kopolyeter bestående av Velvetol H250 (en polyeter-polyol laget av 1,3-propandiol) og polytetrahydrofuran (polyTHF) gjennomført. Synteseproduktene ble analysert med kjernemagnetisk resonans (NMR), reologiske målinger og differensiell skannekalorimetri (DSC) for å måle henholdsvis molar masse og forholdet mellom polyTHF og polyetylenglykol (PEG), viskositet og glassovergangstemperatur (Tg). I tillegg ble 15 herdeforsøk utført. Herdeforløpene ble fulgt på reometer og med Fouriertransformert infrarød spektroskopi (FTIR), og deretter analysert med Shore A-apparatur, DSC og dynamisk mekanisk analyse (DMA). Noen syntese- og herdeprøver ble undersøkt ved termogravimetrisk analyse (TGA).

Temperatur- og trykkontroll var viktig for å fremstille TPEG (fra polyTHF og PEG) med ønskede egenskaper. Ved 400 mbar var det mulig å samle opp avdampet tetrahydrofuran (THF) fra syntesen slik at dette kunne brukes som et mål på hvor langt reaksjonen hadde kommet. Reaksjonsblandingen burde holdes på 130 °C, men dette var vanskelig å følge ved oppskalering fordi temperaturen ikke kunne måles i selve reaksjonsblandingen. For syntese på liten skala måtte 6 mL THF dampes av, mens ved en oppskalering (x8) måtte 64 mL (istedenfor 48 mL) dampes av for å få en polymer med riktig PEG/polyTHF-forhold og molar masse. Flere metoder ble testet for å finne den mest effektive måten å opparbeide produktet på.

De syntetiserte TPEG-ene hadde Tg på mellom -80,6 °C og -73,7 °C, noe som er relativt nær verdien til standard TPEG (-75,7 °C). Produktet basert på Velvetol H250 hadde Tg på -82,1 °C. Viskositetene varierte mellom 35 mPa·s og 1,1 Pa·s, men det ble ikke funnet noen generell sammenheng mellom polymerenes molare masse og viskositet.

Herdingsforsøkene ble utført ved 60 °C, med dibutyltinndilaurat (DBTDL) som katalysator. Herdere var isocyanatene Desmodur N100 (N100) og isoforondiisocyanat (IPDI), den siste ble benyttet sammen med kryssbinderen trimetylolpropan (TMP). Herdede prøver hadde Tg på mellom -76 °C og -65 °C. TGA viste at ingen av dem dekomponerte under 189 °C. Prøver laget fra hydroksylterminert polybutadien (HTPB) dekomponerte i to trinn, de andre i ett.

Shore A-målinger viste at prøvene med HTPB var hardest, mens de med syntetisert TPEG var mykest. IPDI/TMP-prøvene var generelt hardere enn de med N100, dersom man ser bort ifra HTPB-prøvene. Det viser at TMP er effektiv som kryssbinder i disse systemene. En utfordring med målingene var at det var luftbobler i prøvene, enten tilkommet under røringen, eller fordi CO2 kan dannes i reaksjon mellom isocyanat og vann. Ved å sette prøvene under redusert trykk ved 60 °C før herding, ble det langt færre bobler, og dette burde gjøres også med fremtidige prøver. Reometermålinger viste at N100-prøver herdet mye raskere enn de med IPDI. Hvis N100 skal brukes, må mengde katalysator være betraktelig lavere enn i våre forsøk. Katalysatoren gjorde reaksjonskinetikken mer komplisert.

Dette arbeidet viser at polymermatriser basert på TPEG med både IPDI og N100 ser lovende ut for å kunne brukes i rakettdrivstoff.