Fremstilling og karakterisering av polymermatriser

Dette arbeidet omhandler studier av polymermatriser som kan være aktuelle som bindemidler i fast rakettdrivstoff. I alt 37 polyuretanprøver ble fremstilt, der en rekke parametere ble variert, blant annet prepolymer, herder, katalysator og temperatur. I tillegg til at ferdig herdede prøver ble karakterisert ved termoanalyse og hardhetsmålinger, ble selve herdingsreaksjonen undersøkt kinetisk, hovedsakelig ved hjelp av FTIR-spektroskopi. I de fleste tilfeller var polymerprøvene basert på prepolymeren HTPB. For herdingen med diisocyanaten IPDI ved 60 °C hadde HTPB noe lavere hastighetskonstant enn det diolen EP1900 hadde, men den var betydelig høyere enn for 1,4-butandiol. Ved bruk av herderen N100 oppnådde HTPB høyere herdingshastighet enn Terathane 2000. Av herderne var DDI den som reagerte raskest med HTPB. Deretter fulgte IPDI, mens N100 hadde den laveste hastighetskonstanten for polyuretandannelse. Tilsats av herdekatalysatoren TFB til HTPB/IPDI-blandinger ga en betydelig økning i hastighetskonstant, selv om aktiveringsenergien for herdingsreaksjonen ikke endret seg nevneverdig. Økningen kunne derfor tilskrives en høyere verdi på den pre-eksponentielle faktor i Arrhenius-ligningen. Ved å tilsette 100 ppm av katalysatoren DBTDL til HTPB/IPDIblandingene, økte også hastighetskonstanten, men langt mindre enn hva tilfellet var med TFB (0,03 eller 0,1 vekt-%). Dannelsen av kryssbindinger ble demonstrert ved reologi for en av prøvene, mens termogravimetrisk analyse av et utvalg av ferdig herdede HTPB-matriser viste at de var termisk stabile, i alle fall opp til 250–300 °C. Da starter en dekomponering i to trinn. Graden av kryssbindinger viste seg gjennom prøvenes hardhet (Shore A-verdier). Generelt var prøver basert på HTPB, som har en funksjonalitet på over to, hardere enn prøver basert på difunksjonelle prepolymerer. Tilsvarende var prøver herdet med den trifunksjonelle isocyanaten N100 hardere enn prepolymerene herdet med DDI og IPDI, som begge er difunksjonelle. Ved variasjon av forholdet mellom HTPB og IPDI ble det funnet at den høyeste Shore A-verdien inntraff når det var like mange isocyanat- som hydroksylgrupper i utgangsblandingen. Både dynamisk mekanisk analyse (DMA) og differensiell skanning-kalorimetri (DSC) ble benyttet for å finne glassovergangstemperaturen (Tg) til polymermatrisene. DSC er en raskere metode enn DMA, men viste seg i enkelte tilfeller å gi resultater som var vanskelige å tolke på grunn av at energiomsetningen i denne overgangen er lav. HTPB-prøvene hadde ca. 10 K lavere Tg enn EP1900- og Terathane-polymerene som ble undersøkt. I de tilfellene der HTPB ble kopolymerisert med dioler, ble Tg liggende på same nivå som rene HTPB-prøver. Tg sank med 14 K da mykneren DOS ble tilsatt. Disse resultatene viser hvordan prosesseringsegenskaper og karakteristika til polyuretanbasert bindemiddel kan styres ved ulike valg av utgangsstoffer, blandingsforhold og temperatur.