Macro-and micro-crystalline paraffin waxes reinforced by thermoplastic polymers : influence of blending on rheological, mechanical and ballistic behaviors

Hybrid rocket engines feature interesting characteristics in terms of operating flexibility, safety and reduced environmental impact. However the intrinsic slow regression rate of classical polymeric fuels hinders their implementation in launch systems. A strategy to overcome this limitation is the employment of paraffin waxes. These fuels feature fast regression rates (3-4 times those of conventional formulations) but poor mechanical properties, being brittle and fragile materials. This work investigates the reinforcement of macro- and micro-crystalline paraffin waxes by a thermoplastic styrene-based polymer. The properties of blended formulations featuring different concentrations of reinforcing polymer were investigated through pre-burning and burning analyses. Pre-burning analyses included melt fuels viscosity evaluation due to the relevance of melt fuel rheology on the combustion process. Mechanical properties were evaluated with tensile and compression tests (performed by ISO 527 and ISO 604, respectively). The regression rates were evaluated by means of ballistic tests on a lab-scale hybrid rocket engine. The higher the melt fuel viscosity, the slower the regression rate and the higher the elongation at break of the samples. While macro-crystalline paraffin shows elongation at break <1%, the use of 20 wt.% of reinforcing polymer yielded elongation at break = 140% and conferred a ductile behaviour to the wax. Burning tests revealed that the addition of 20 wt.% of reinforcing polymer to the micro-crystalline wax reduces the solid fuel regression rate of 61% with respect to the case of pure paraffin.

I motori a propellenti ibridi presentano caratteristiche interessanti in termini di flessibilità operativa, sicurezza e ridotto impatto ambientale. Tuttavia l’intrinseco basso rateo di regressione dei classici combustibili a base polimerica ne ostacola l’utilizzo in sistemi di lancio. Un metodo per superare questa limitazione è l’utilizzo di cere paraffiniche. Questi combustibili presentano veloci ratei di regressione (3-4 volte quelli delle formulazioni convenzionali) ma scarse proprietà meccaniche, essendo materiali fragili. Questo lavoro di tesi studia il rinforzo di cere paraffiniche macro- e micro-cristalline per mezzo di un polimero termoplastico a base di stirene. Le proprietà di miscele contenenti diverse concentrazioni di polimero di rinforzo sono state investigate attraverso analisi di pre-combustione e balistiche. Le analisi di pre-combustione hanno incluso la valutazione della viscosità del combustibile fuso a causa della rilevanza della reologia dello stesso sul processo di combustione. Le proprietà meccaniche sono state valutate con test a trazione e compressione (eseguiti rispettivamente secondo gli ISO 527 ed ISO 604). I ratei di regressione sono stati valutati tramite test balistici su un motore a propellente ibrido in scala da laboratorio. Maggiore è la viscosità del combustibile fuso, minore è il rateo di regressione e maggiore è l’allungamento a rottura dei campioni. Mentre la paraffina macro-cristallina presenta elongazioni a rottura < 1%, l’utilizzo del 20% in massa di polimero di rinforzo ha portato ad elongazioni a rottura = 140% ed ha conferito un comportamento duttile alla paraffina. Prove di combustione hanno rivelato che l’aggiunta del 20% in massa di polimero di rinforzo alla paraffina micro-cristallina riduce il rateo di regressione del combustibile solido del 61% rispetto alla paraffina pura.