包覆材料橡胶.pdf

7 0 橡 胶 参 考 资 料 2 0 1 3正 包 覆材料橡胶 1 包覆材 料及其作用 火箭 发 动机 是火 箭 和导 弹 的心 脏 包 覆 材 料 是固体火箭发动机必不可少 的重要材料 在固体 燃 料火箭 发 动机 的装 药 过 程 中 需 要 一种 专 用 的 不 燃或 缓燃 物质 对其 燃烧 面给 予一 定 的 限制 有 效地控制燃气生成 的过程 从而满足一定的推动 方案 这种专用 的材料就称包覆材料 火箭发动 机罩用包覆材料是贴在发动机的内表面 用来隔离 推进剂与火箭发动机罩的高聚物复合材料 包覆材料在 固体发动机中的作用主要有两个 方面 一是 由于推进剂在燃烧时 使周围环境温度 升高 并产生高温高速气流 包覆材料这时起 到 限制 燃烧 的作 用 在火 箭发 动机 的工 作过 程 中按 照原设计要求 实现预定的推力方案 如果没有包 覆材料或者 包覆层被 破坏 破裂 欠 料 就 会影 响发 动机的工作性能 使发动机燃烧室 内压力过高 导 致发动机爆炸 二是起着绝热和缓冲的作用 尤其 是对壳体贴壁式装药的火箭发动机更显得重要 它 使装药与火箭发动机壳体两者紧紧粘结在一起 包覆 材料在火箭 发动机上 十分 重要 对 其性 能 有 如下要求 1 要具有较好的机械强度和较大的拉断伸 长率 并适 用于 较宽 的温 度范 围 以适应 各种 应力 应变 关 系 2 与推 进剂药柱 发 动机 的粘接 性 良好 以防 发生脱粘 裂缝 或在高压气流冲击下包覆层脱落 3 不 易燃 烧或 缓慢 燃烧 导 热 系数要 小 起 到 隔热 阻燃 的作用 4 与药柱相容性好 不发生化学反应 在贮 存过程中不变质 5 能在室温或较低温度下快速硫化 2 包覆材料所用橡胶及其他原料 2 1 双基 推进 剂 用的包 覆材 料 双基推进剂为硝化纤维素和硝化甘油 最初 用 以硝基纤 维 素 为 主体 的包 覆 材 料 或 醋 酸 纤 维 素 乙基纤维素为主体 的包覆材料 后来用异氰 酸酯和树脂制成包覆材料 即在双基推进剂表面 涂上 一层 二异 氰酸 甲苯 再涂 一层 选用 的树 脂 使 之 固化 这样 就能 用各 种不 同 的树脂 制成 一种 对 任何推进剂药柱都具有很 高粘接强度 的包覆层 树脂 包 覆 材 料 的填 料 为 氧化 铁 氧化 钛 氧 化 锑 加入量为 2 2 8 用丁二烯 与苯 乙烯共 聚物作 包覆材料与含有硝化纤维素的推进剂的粘接强度 优 良 其粘合界面用十一碳烯醇进行处理 这种 包覆材料不但起包覆限燃和绝热缓 冲的作用 而 且 在一 定程 度上 能承 受条 件更 为刻 苛 的耐烧 蚀作 用 2 2复合 推进 剂用 包覆 材料 固体火 箭发 动 机 用 的 复 合 推进 剂 发 展 很 快 相应 的 包 覆 材 料 也 不 断 出现 包 覆 材 料 的 基 体 主料 一 般 为推进 剂所 用 的粘合 剂 系统 加 上适 量的阻燃填料 而成 阻燃填料多为金属氧化物 如 C r 2 O3 Z n O Ti O Al 2 O 3 S i o 2等 2 2 1 聚硫橡 胶 包覆材 料 液体聚硫橡胶可用做复合推进剂 的粘合剂 也是 作包 覆 材 料 的 主料 在较 宽 的温 度 范 围 内 使推进剂 火箭发动机具有 良好 的性能 液体 聚 硫 橡胶 L p 一3 3 价格 低 易施 工 使 发 动 机 安 全 简便 点火快 一直被应用到多级火箭发动机 中 使 用包 覆材 料 的配方 如表 1 表 1 聚硫橡胶包覆材料配方 质量份 2 2 2 顺 丁橡胶 包 覆材 料 随聚丁二烯作为推进剂的粘合剂 聚丁二烯 第 4 3卷 第 5期 包覆材料橡胶 7 1 同时被用为包覆材料 的基体 端 羟基 聚丁 二 烯 包 覆 材 料 端 羟 基 聚 丁 二 烯 由阴离子 与 自由基 聚合制成 分子量 为 2 0 0 0 2 0 0 0 0之 间 其包 覆 材料 配方 如表 2 表 2端羟 基聚丁二烯包覆材料 质量份 原材料 1 2 3 端羟基聚丁二烯 M一2 0 0 0 2 0 0 0 0 胶体二氧化硅 c a r D S i L 二官能环氧树脂 硫化促进剂 石棉绒 M AP0 醋酸纤维素 炭黑 ERLAO 5 1 0 C H2 一 C H c H2 一O c 6 H5 N 铁 一o c t o a t e 烷基硬脂酸甘油三酸酯 9 4 0 7 2 8 9 5 8 3 0 2 0 一 一 4 0 1 6 0 2 0 7 一 一 1 0 0 2 0 2 4 2 0 一 一 1 5 一 一 8 一 C H2 一cH 2 一C H 2 o 端羟基聚丁二烯包覆材料 端羟基聚丁二烯 由丁二 烯 阴离 子 聚合物 的锂 盐 和 1 2 一环 氧 丙烯 聚合而成 分子量在 2 0 0 0 2 0 O 0 0之 间 用 其作 包 覆材 料 的配 方如 表 3 表 3 端 羟基聚丁二烯包覆 材料配方 质量份 2 2 3 其他橡胶包覆材料 相继曾在发动机使用的粘合剂材料 中有环氧 树 脂 丙烯 酸酯 聚酯 聚氯 乙烯 塑溶 胶 和聚 氨酯 也用这些材料作包覆材料 在不断改进和新技术 开发的形势下 在使用 的包覆材料 中大部分被陶 汰 了 有的仍在使用 如聚氨酯 聚氯 乙烯塑溶胶 2 3 E P DM 包 覆材 料 E P D M 包 覆 材 料 符 合 火 箭 发 动 机 对 包 覆 材 料的基本要求 热分解温度较高 1 8 0 热分解 时残 留物多 具有优 良的绝缘性和物理机械性能 重量轻 密度低 烧蚀速度慢 胶料的平整性和贴 合性好 与火箭 发动机罩 的粘 接强度大 因此 E P DM 是制做包覆 材料的最佳橡胶 为 了提高 芳香 聚酰 氨纤 维 的加 入 量 必 须 并 用 一定 量 的天 然橡胶 NR 或丁腈橡胶 NB R 通过并用可 以 改善基体橡胶的混炼工艺性能 这里需要强调 的 是橡胶并用 比必须控制在 E P DM 与 R的 比例为 7 0 3 0 5 o 5 o R NR 或 NB R 或 NR NB R 如果 R加入量 少 了 使增 强纤维 加入量受 到 限 制 耐烧蚀性能很难改善 相反如 E P D M 配合量 少了 R加入量多 了 不仅会 出现耐烧蚀性能下 降 还会增大包覆材料 的密度 这是不符合要求 的 包覆材料所用 的增强纤维应有如下特征 耐 热性能好 在高速气流下具有一定的强度 与橡胶 的相容性 良好 重量轻 烧蚀速度慢 芳香聚酰氨 纤维是符合这种特征要求的 因此 选取为包覆材 料的增强纤维 这种纤维又称芳纶 在与橡胶混 炼时 由于形 态 各 异 故 须 事先 将 其 与 NR 或 NB R混 炼 成母胶 然后 再 与 E P D M 共 混 此外 在选用其他配合剂时 如炭黑 硅纤 维 和碳纤维等时 应当注意 虽然它们在一定程度上 都能提高包覆材料的性能 但应视其对混炼工 艺 性 耐烧蚀性 以及密度 的影响 而有选择的使用 E P DM 制做包覆材料配方如表 4 表 4 E P D M 包覆材料配方 质量份 J 根据 配 方 还 要 加 入 一 定 量 的促 进 剂 和 硫 化 剂 按照工艺进行炼胶 将混炼后的胶料用开放式 炼 胶机压 出胶 片 再通 过压 延 机 压 片 最后 将 此 包覆材料施工硫化 3 包覆材 料的加 工与施工 在固体火箭发动机 中 包覆层的质量不仅 与 包覆材料的组成有关 而且与材料 的加工技术 和 7 2 橡 胶 参 考 资 料 2 0 1 3钲 施 工方 法有 密切 的关 系 随着 新技 术 新 工 艺 新 材 料 新 设备 的出现 双基 推进 剂与 复合 推进 剂所 用的包覆材料加工技术和施工设备基本上是类似 的 部分是通用的 3 1包覆 材料 的加 工 橡胶包覆材料 的加工 首先将原料 和橡胶混 合 采用开放式炼胶机进行混炼 出片 硫化一般 用 普 通平板 硫 化机进 行硫 化 然后 进行 表面 处理 贴片 液体包覆材料 的加工配制顺序如下 先将胶 体二 氧化 硅 C a b O S i L 与 液体 橡 胶 在三 辊研 磨机上进行混合精加工 然后将硫化剂和促进剂 加入 上述 胶 中 并 用 一 种 充气 螺旋 浆 类 型 的搅 拌 器进行混合 搅拌 1 5 mi n 混合好的胶料用真空泵 抽真 空 除去 所有 的气 泡后 便可 用 于所需 要 的样 棚 E 3 2包覆材 料 的施工 3 2 1 双基 推进 剂用 的包 覆材 料 的施工 方法 A 缠绕法 将包覆条紧密 均匀地缠绕在涂 有粘合剂的推进剂药柱侧面上 每缠绕一遍涂一 层 粘合 剂 缠 到 规定 的厚度 后 外 表 面再 用粘 合剂 处 理一 下 B 浸铸 法 将液体包覆剂灌 注于专用模具 中 然后将推进剂药柱浸入模具 中 并固定 抽真 空 使 包覆 剂 自然 固化 C 辊 压 法 将 具 有 一 定 尺 寸 的包 覆 片加 热 后 用金属辊滚压到旋转 的推进剂药柱侧面上 D 套管法 将具有较大伸长率 的包 覆材料 预先制成管状 使用 时加热 使其膨胀 然后套到 涂有粘合剂的推进剂药柱侧面上 E 加压 粘 贴 法 把 具 有 一 定 规 格 的 端 面 包 覆 圈加 热后 用专 用工 具 的压力 将包 覆 圈压 到涂 有粘合剂的推进剂药柱端面上 并固定粘合 F 挤 压 连 续 包 覆 法 用 螺 旋 挤 压 机 与 专 用 设备 连续进行侧面包覆 将包覆粒片加热后 加 入 挤压 机 中 再 经压 出 口型 适 时送 给要 包覆 的药 柱 药柱在包覆层挤 出力 的作用 下 一边 向前移 动 一 边被 包覆 层所 包覆 G 机械喷涂法 用压缩空气将包覆 材料浆 喷射到推进剂药柱侧面 药柱 在专用装置上 以一 定的速度转动 而喷枪沿药柱轴线方 向 与药柱保 持一定的距离平行移动 这种方法效率高 包覆 层厚 度 均匀 但 有 气泡 和结 块等 缺 陷 3 2 2 复合推进剂用包覆层的施工方法 A 刮涂法 这是一种老方法 包覆材料像油 膏一样 用毛刷或油漆刀等工具 将材料刮涂到推 进剂药柱表面上 涂覆层达到预定要求的厚度后 将包覆层竖立进行硫化 先室温停放 2 4 4 8 h 然 后适度加热 使其 迅速硫化 在 4 9 硫化一夜 即 可 B 旋转离 心法 将配成浆状 的包 覆材料 随 同处理 喷砂或脱脂 过的发 动机 壳体在 7 0 下 烘一定时间后 将发动机壳体装在可旋转的装置 上 把保温待用的包覆材料浆倒入发动机壳体内 用 刮刀 将料 浆朝 发动 机 轴 方 向 推 平 并 开 动 使 壳 体定速旋转 在离心力作用下 包覆材料均匀地分 布在发动机壳体 内壁 由发动机外壁热传导进行 固化 开车 0 5 h内 进行刮料消除气泡 保证表 面平整 控制厚度基本均匀 待包覆材料浆达到 半 固化 时 不流 动 不 粘 手 即可 停 止 加 热 再 继 续旋转 0 5 h 便可进行装药 半 固化的包覆层 随 推进 剂 固化而 达 到完全 固化 C 旋转喷涂法 内表面 已喷砂或脱 脂处理 好的火箭发动机壳体 装在加热保温室内的专用 设备上旋转 将包覆材料加入适量稀释剂 醋酸乙 酯 或苯 乙烯 配成 料浆 其 粘度 必须 细心 调整 使 其既能顺利通过喷枪管路 又能在壳体内壁 上保 持住所需厚度 用压缩空气产生的压力差 把料 浆喷涂到旋转的发动机内壁上 喷枪可沿发动机 轴方向均匀伸缩运动 在喷涂过程 中稀释的溶剂 随 即挥 发 包 覆 材 料 逐 渐 固化 喷涂 后 继 续 固化 一 定 时间 再停 止 转 动 这 半 固化 的包 覆 涂 层 的 完全硫 化 是在 推进 剂浇 注后 随装药 的固化一 起 完成 的 D 贴 片 成 型 法 在 复 合 改 性 双 基 推 进 剂 中 用丁苯橡胶 S B R 作 发动机包 覆层 制作程 序为配合 炼胶 硫化 用开放式 炼胶机进 行混 炼 混 炼 后 的 胶 料 置 于 金 属 板 上 冷 却 室 温 停 放 2 O 3 0 h 然后 进 行 返炼 压制 成 4 5 0 x 4 5 0 mm 胶片 模压硫化后 用软质环氧树脂 环氧 树脂 8 2 8 7 0份 D E R 3 0份 工术 一 B 一6 0 2 5 O 份 作粘合剂 贴到经喷砂处理过的发动机 内表 面上 2 5 下静 置 2 4 h 再经 5 0 1 0 h的后硫 化 下 转第 6 6页 6 6 橡 胶 参 考 资 料 2 0 1 3年 表 9 E P D M 胶料 配方 配合材料 质量 份 EPDM 4 0 5 0 氧化锌 硬脂酸 防老剂 4 0 1 0 高耐磨炭黑 DC P 过氧化二异丙苯 I TT C 助硫 化剂 促进 剂 TMTD 石蜡 油 硫 酸钡 胶粘 剂 RS 胶料性能及测定时使用的标准如表 1 0所示 表 1 0胶料 的性能及测定标 准 胶囊成型工艺 根据胶囊壁厚要求 将混炼胶 返炼 后 用 开 炼 机 出 片 胶 片 厚 度 控 制 在 0 7 O 9 ram之间 将两层胶片按尺寸要求合好后贴在 铝板 上 放入硫 化罐 中硫化 硫 化条件为 间接蒸 气 0 4 MP a X 5 0 mi n 出罐后停放 2 4 h后 按胶囊 长度要求裁剪 打磨胶 片四边 打磨 宽度为 2 c m 胶囊 前后 两段 半 成 品与 中间段半 成 品 的连接 处需 要打磨 所有打磨面清理干净后 涂刷两遍胶液 拼对 粘 接头 在封 口前 将 外表 面 已涂抹 滑石 粉 的 内胶囊装入成型产品中 封 口停放 1 2 h后 装人外 模中加压硫化 采用直接蒸气和间接蒸气并用的 硫化方法 这样就解决 了硫化程度不足 同时也缩 短了硫化时间 胶囊硫化工艺参数如表 l l 表 l l 胶囊硫化工艺参数 胶囊产 品 气 密性 1 0 MP a 3 0 mi n 无 渗 漏 无 破裂 外观 光 滑平整 上 接第 7 2页 3 2 3 E P DM 包覆层的施工 也有新 的突破 包覆材料 已不局限于低分子聚合 采用 E P D M 既作包覆层又作绝热层 发动 物 而开始应用高分子弹性体 如丁苯橡胶 三元 机封头部分 的