Characterisation of a new UV curable binder fo additive manufacturing of solid propellants

Additive manufacturing (AM) has emerged as a highly successful technique across various industries, however very little work has been done in the area of polymer-bound energetic materials. Current manufacturing methods of solid propellants are all based on casting, binding the grain geometries to the shape of the mandrel and therefore limiting the possible configurations. Additive manufacturing of solid propellants would enable the realization of complex grain geometries, providing more control over how the energetics perform during combustion. Since conventional binders are not suitable for additive manufacturing applications due to the slowness of their curing via polyaddition with isocyanates, a new kind of binder with a different and faster curing reaction has to be developed. This new PB/PTTM/BAPO binder cures through free radical UV photoreticulation of thiol-ene. In this work its characterization is carried out. First its curing behaviour is studied through swelling experiments and compared to UV curing theory, with considerations on thickness effects on the curing degree. Different mixing techniques are also compared. Then its evolution under 5.75 years of accelerated ageing is studied though DMA analysis, mass tracking, swelling tests and hardness measurements. At last, different curing methods are considered, experimented on and confronted to UV curing.

L'additive manufacturing (AM) è emerso come una tecnica di grande successo in diversi settori industriali, ma pochissimo lavoro è stato fatto nell'area dei materiali energetici legati ai polimeri. Gli attuali metodi di produzione dei propellenti solidi si basano tutti sulla colatura, che vincola le geometrie dei grani alla forma del mandrino e limita quindi le possibili configurazioni. L'additivie manufacturing di propellenti solidi consentirebbe di realizzare geometrie complesse dei grani, fornendo un maggiore controllo sulle prestazioni energetiche durante la combustione. Poiché i leganti convenzionali non sono adatti alle applicazioni di additive manufacturing a causa della lentezza della loro polimerizzazione tramite poliaddizione con isocianati, è stato necessario sviluppare un nuovo tipo di legante con una diversa reazione di polimerizzazione. Questo nuovo legante PB/PTTM/BAPO polimerizza attraverso la fotoreticolazione UV a radicali liberi del tiolo-ene. In questo lavoro viene effettuata la sua caratterizzazione. In primo luogo, il suo comportamento di reticolazione viene studiato attraverso esperimenti di rigonfiamento e confrontato con la teoria della reticolazione UV, con considerazioni sugli effetti dello spessore sul grado di polimerizzazione. Vengono inoltre confrontate diverse tecniche di miscelazione. Poi viene studiata la sua evoluzione durante 5.75 anni di invecchiamento accelerato attraverso analisi DMA, tracciamento della massa, test di rigonfiamento e misure di durezza. Infine, vengono presi in considerazione diversi metodi di polimerizzazione, sperimentati e confrontati con la polimerizzazione UV.