Effects of two different glycols in a HTPB-based binder for solid heterogeneous propellants

The effects of two different hydroxylated glycols, polyethylene glycol (PEG) and polypropylene glycol (PPG), inside a polyurethane based on hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB) called R45V and isophorone diisocyanate (IPDI) were evaluated. The molecular masses are respectively of 400, 2000 and 2800 g/mol. Compositions were made to have a crosslinking ratio equal to one, changing the relative amounts of HTPB and PEG or HTPB and PPG. Density, swelling, DMA tests and low heating rate TG/DTA tests in inert atmosphere were made. The effect of a different HTPB (R45HT) and crosslinking agent (H12MDI) were also evaluated in density, swelling and TG/DTA tests. Major differences were found only in swelling tests, showing that the combination of R45HT and H12MDI gives a higher density of crosslinking. Polyurethanes based only on PEG or PPG with IPDI were produced, but no solid results were obtained. In density tests, a maximum increase of ≈6% was found in HTPB/PEG system. In swelling tests, using as solvent toluene, HTPB/PPG systems show bigger swelling for increasing amount of PPG with respect to HTPB/PEG systems. In TG tests, both systems show an increase in the onset temperature of the first mass loss with respect to the baseline polymer and the pyrolysis ends near 500°C. In HTPB/PEG systems, all the PEG is probably lost in the first mass loss. In HTPB/PPG systems, a decrease in the onset temperature of the second mass loss and slower mass loss rate were found. In DTA tests, all systems show an exothermic behavior along all the temperature range. For DMA tests, only a HTPB/PEG could be tested, showing a modulus 80% smaller with respect to usual system. A propellant based on this binder was produced and density, DMA and burning rate tests were made. The new binder leads to an increase of 1% in density for the propellant. The modulus obtained at room temperature is of the same order of standard propellants, while a drop was observed already at 40°C. A high dissipative component of the modulus was also observed. Burning rate tests of the propellant showed that the new binder improves the combustion behavior for lower pressures while at higher pressures the effect of the different binder is negligible.

Sono stati valutati gli effetti di due diversi glicoli, polietilene glicole (PEG) e polipropilene glicole (PPG), all’interno di sistema poliuretanico composto da un polibutadiene con radicali ossidrilici terminali (HTPB) chiamato R45V e isoforone diisocianato (IPDI). Le masse molecolari sono rispettivamente di 400, 2000 e 2800 g/mol. Le composizioni sono state prodotte tenendo il rapporto di reticolazione uguale a uno, cambiando le quantità relative di HTPB e PEG o HTPB e PPG. Sono state eseguite prove di densità, swelling e DMA insieme a prove TG/DTA in atmosfera inerte a bassi ratei di riscaldamento. Sono stati valutati anche gli effetti di un diverso HTPB (R45HT) e di un diverso isocianato (H12MDI) attraverso prove di densità, swelling e TG/DTA. Le principali differenze sono state trovate solo nelle prove di swelling, mostrando che la combinazione di R45HT e H12MDI presenta una maggiore densità di crosslinks. Sono stati prodotti poliuretani composti dal solo PEG o PPG con IPDI, però senza ottenere risultati solidi. Nelle prove di densità, un aumento massimo di ≈6% è stato trovato nei sistemi HTPB/PEG. Nelle prove di swelling, usando come solvente toluene, i sistemi HTPB/PPG mostrano un maggiore rigonfiamento per quantità maggiori di PPG rispetto ai sistemi HTPB/PEG. Nelle prove TG, entrambi i sistemi mostrano un aumento della temperatura di onset della prima perdita di massa e la pirolisi finisce intorno ai 500°C. Nei sistemi HTPB/PEG, tutto il PEG presente viene probabilmente perso nella prima perdita di massa. Nei sistemi HTPB/PPG, sono stati trovati un calo della temperatura di onset nella seconda perdita di massa e un più lento rateo di perdita di massa. Nelle prove DTA, tutti i sistemi mostrano un andamento esotermico durante la pirolisi. Nelle prove DMA, è stato possibile esaminare un solo campione HTPB/PEG, mostrando un modulo più piccolo dell’80% rispetto lo standard. Un propellente con questo legante è stato prodotto e sono state eseguite prove di densità, DMA e velocità di combustione. Il diverso legante produce un aumento di densità dell’1%. Il modulo ottenuto a temperatura ambiente è comparabile con quelli standard anche se si può osservarne un calo già a 40°C. Un’alta componente dissipativa del modulo è stata osservata. Le prove di velocità di combustione del propellente mostrano una più facile combustione a basse pressioni mentre ad alte pressioni l’effetto del diverso legante è trascurabile.