Radiation Effects on Candidate Self-Healing Polymers for Space Applications

In the upcoming years, space exploration will require missions of increasing duration, reaching destinations previously unthinkable for humans. The colonization of the Moon and the exploration of Mars are just two of the next challenges, the latter requiring a space travel that can last more than nine months. Limiting their durability and feasibility is the rapid deterioration of structures due to the extreme conditions of the space environment, which includes the presence of micrometeorites and orbital debris, atomic oxygen, vacuum, radiation and extreme temperature changes. Facing this, a strong interest has developed in recent decades in the application of self-healing materials. They would be able to extend the lifetime of components and to improve safety for astronauts, as well as significantly reduce the maintenance required during travel. The purpose of this thesis is to evaluate the effect of γ-radiation, present in the space environment, on the self-healing performance of two types of polymers: a supramolecular polymer, Arkema's Reverlink® HR, and four different poly(urea-urethanes). Space irradiation was simulated in the ESA-ESTEC laboratory in the Netherlands on two sets of samples, for a radiation dose of 100 and 500 krad. The irradiated samples were subsequently characterized by means of ATR-FTIR spectroscopy, DSC and TGA analysis, and the results compared with those obtained for blank samples in order to assess possible chemical-physical variations. To simulate the damage caused by micrometeorites, polymers were subjected to puncture tests and the self-healing performance was analyzed by measuring the flow rate changes following the hole created. By comparing the results obtained for irradiated and blank samples, the effect of radiation on their self-healing response was assessed. Furthermore, with the aid of a viscoelastic model based on the Zener model and on test results, an interpretation of the effects of radiation from the molecular point of view was proposed for the two types of polymers studied. Considerations concerning their suitability for space applications as inflatable and deployable structures are finally developed on the basis of the results obtained.

Negli anni a venire l’esplorazione spaziale richiederà missioni sempre più durature nel tempo, raggiungendo mete in passato impensabili per l’essere umano. La colonizzazione della Luna e l’esplorazione di Marte sono solo due dei prossimi obiettivi, quest’ultimo che richiede un viaggio spaziale che può durare più di nove mesi. A limitarne la durata e la fattibilità, è il rapido deterioramento delle strutture a causa delle condizioni estreme dell’ambiente spaziale, che comprende la presenza di micrometeoriti e detriti orbitali, ossigeno atomico, vuoto, radiazioni e sbalzi termici estremi. A fronte di ciò, si è sviluppato negli ultimi decenni un forte interesse per l’applicazione di materiali autoriparanti. Essi sarebbero capaci di prolungare la vita dei componenti e migliorare la sicurezza per gli astronauti, oltre al ridurre notevolmente la manutenzione necessaria durante il viaggio. Lo scopo di questa tesi è quelli di valutare l’effetto delle radiazioni γ presenti nell’ambiente spaziale sulla performance di autoriparazione per due tipi di polimeri: un polimero supramolecolare, il Reverlink® HR prodotto da Arkema, e quattro diversi poli(urea-uretani). L’irradiazione spaziale è stata simulata nel laboratorio dell’ESA-ESTEC in Olanda su due set di campioni, per una dose di radiazione pari a 100 e 500 krad. I campioni irradiati sono stati successivamente caratterizzati tramite spettroscopia ATR-FTIR, analisi DSC e TGA, e i risultati comparati con quelli ottenuti per i campioni bianchi, in modo da valutare possibili variazioni chimico-fisiche. Per simulare i danni causati da micrometeoriti i polimeri sono stati sottoposti a test di foratura e la performance di autoriparazione è stata analizzata misurando la variazione della portata a seguito del buco creato. Tramite la comparazione dei risultati ottenuti per i campioni irradiati e bianchi, è stato valutato l’effetto della radiazione sulla loro risposta autoriparativa. Inoltre, tramite l’ausilio di un modello viscoelastico basato sul modello di Zener e sui risultati dei test svolti, è stata proposta un’interpretazione degli effetti della radiazione dal punto di vista molecolare per i due tipi di polimeri studiati. Considerazioni in merito alla loro idoneità per applicazioni in campo spaziale come strutture gonfiabili e dispiegabili sono infine sviluppate a fronte dei risultati ottenuti.