Evaluation of MACH I(R) propulsion grade TM HTPB-45M polymer for solid propellants

The core of this work is to evaluate a Hydroxyl Terminated Polybutadiene Polymer recently manufactured on a commercial scale by Mach I, Inc.. This product was originally produced by ARCO Chemical who ceased to produce it while a market demand from the Aerospace Industry was still in place. Mach I, Inc. decided to step in and that is why a requirement to conduct a study with the objective to ensure that the finished product meets the required standards and it is equivalent to the product initially manufactured by ARCO Chemical Company in 1972. The structure of the study has been developed in order to analyze the product viscosity, its reactivity, and its metal stabilization as compared to the original product ones. The activity has been conducted by: 1. Going through an analysis of the state of the art of solid rocket motors with a particular focus on the propellant grain standard composition; 2. Defining and performing a series of experimental activity with the objective to create the viscosity profile of the product as a function of temperature; 3. Evaluating the reactivity of the product by creating procedures aimed at measuring the functionality of the HTPB and by verifying the product behavior during the manufacturing of HTPB gumstocks. 4. Analyzing the aging phenomenon and the changes that occur in the solid propellant particularly as a function of gel time and viscosity by developing ad hoc procedures to simulate accelerated aging. The results obtained are the following: • Viscosity is not affected by the addition of an antioxidant and presents a lot-to-lot variation that is more relevant at low temperatures and it tends to disappear at higher temperatures; • It has been proved, through the functionality tests, that lot-to-lot variation exists and the functionality range barely overlaps. Results on the same HTPB-45M are reproducible with a fairy good accuracy; • The metal stabilization by using PRO-TECH to HTPB-45M-Nanocoat-based compounds does not occur in a 3 months accelerated aging study that simulates 6 years of natural aging even though, the addition of a further antioxidant, improves this action. The MACH I® Propulsion Grade™ Polymer has finally proved to closely replicate the original Poly bd® resin by ARCO Chemical Company as per the initial objective of the work and this has been determined by taking existing procedures and tailoring and adapting them.

Il fulcro di questo lavoro è la caratterizzazione di un HTPB (Hydroxyl Terminated Polybutadiene) recentemente prodotto su scala commerciale dalla Mach I,Inc. Questo polimero è stato originariamente prodotto dalla ARCO Chemical che, tuttavia, ne cessò la produzione nonostante la richiesta da parte dell’industria aerospaziale esistesse. La Mach I,Inc., ha deciso di subentrare e, pertanto, ha avuto l’esigenza di condurre uno studio con l’obiettivo di assicurare che gli standard di performance del prodotto fossero equivalenti a quelli del prodotto della ARCO Chemical nel 1972. Lo studio è stato strutturato per condurre analisi sulla viscosità, sulla reattività e sulla stabilizzazione metallica comparando il prodotto con quello originale, le attività svolte sono state: 1. Un’analisi dello stato dell’arte dei motori a propulsione solida con particolare attenzione alla composizione standard del grano; 2. La definizione e l’attuazione di una serie di attività sperimentali volte a costruire il profilo di viscosità in funzione della temperatura; 3. La valutazione della reattività tramite la creazione di procedure apposite mirate alla misurazione della funzionalità dell’HTPB e attraverso il comportamento del prodotto durante la produzione di gomme; 4. L’analisi del fenomeno dell’invecchiamento e dei cambiamenti che intervengono nel propellente a seguito di questo fenomeno tramite lo studio della viscosità e del tempo di gel mediante lo sviluppo di procedure ad hoc. I seguenti risultati sono stati ottenuti: • La viscosità non è influenzata dall’aggiunta di antiossidanti e presenta dei cambiamenti da lotto a lotto che sono più rilevanti a basse temperature mentre tendono a scomparire a temperature più elevate; • E’ stato provato, attraverso i test di funzionalità, che ci sono differenze da lotto a lotto e che l’intervallo in cui varia la funzionalità si sovrappone a malapena. I risultati sono riproducibili sullo stesso prodotto con adeguata accuratezza; • La stabilizzazione metallica prodotta dal PRO-TECH, in composti a base di HTPB-45M e Nanocat, non interviene nell’invecchiamento accelerato per la durata di 3 mesi che simula un invecchiamento naturale di 6 anni anche se, l’aggiunta di ulteriore antiossidante, la migliora. E’ stato provato che il polimero MACH I® Propulsion Grade™ è una accurata replica del prodotto originale Poly bd® della ARCO Chemical Company così come inizialmente ipotizzato. Questo risultato è stato raggiunto riadattando e modificando procedure esistenti.