Sustitución del amianto por aluminosilicato y grafito expandible en los compuestos de poliuretano utilizados en los motores de cohetes

Substitution of Asbestos for Aluminosiliacate and Expandable Graphite in Polyurethane Composites used in Rocket Motors

Los compuestos de poliuretano (PU) y amianto (liner) se utilizan como revestimiento interno de los motores cohete, proporcionando protección térmica y asegurando la adherencia entre el propulsante y las paredes del motor. Sin embargo, el uso del amianto se ha restringido debido a su naturaleza peligrosa. En el presente trabajo, el amianto fue sustituido por silicato de alúmina hidratado (SA) y grafito expandible (GE) en diferentes contenidos. El análisis termogravimétrico (TG) mostró que la estabilidad térmica de los revestimientos prácticamente no se vio afectada por la sustitución del relleno, aunque la energía de activación obtenida para la descomposición ha cambiado. El análisis termomecánico (TMA) mostró que los coeficientes de expansión térmica de los SA/liners eran inferiores a los del amianto/liner. Los SA/liners también presentaron los valores de tensión más elevados en los ensayos mecánicos.

INTRODUCCIÓN

Los poliuretanos elastoméricos tienen las características intrínsecas de alta resistencia al impacto y buena adherencia a superficies compatibles con la naturaleza química de la cadena de poliuretano utilizada[1]. Este material se ha utilizado, entre otras aplicaciones, como revestimiento interno de las paredes de motores de cohetes. En este caso, un compuesto de poliuretano contiene cargas como negro de humo y amianto. La función principal del revestimiento utilizado en los motores de cohetes es garantizar la adherencia entre el propulsante sólido y la estructura metálica del motor y actuar como capa ablativa durante la combustión del propulsante, cuando la temperatura oscila entre 2000 y 4000 °C[2]. A pesar de la exposición a altas temperaturas, el tiempo de exposición de la capa de revestimiento es del orden de segundos. El proceso de ablación se consigue mediante la transferencia autorregulada de masa y calor en la que intervienen un aislante de baja conductividad térmica, la pirólisis y la formación concomitante de una capa refractaria con un alto contenido de carbono en la superficie del aislante (Figura 1)[2-4]. La baja conductividad térmica combinada con los cortos tiempos de exposición a la llama, reduce la conducción de calor de las partes protegidas[5].

Por encima de la temperatura de descomposición, el aislante produce gases de pirólisis en la zona de pirólisis y esta capa se degrada, dando lugar a un material rico en carbono. La presencia de la capa rica en carbono regula la penetración del flujo desde la superficie y produce un gradiente de temperatura decreciente. Los gases de pirólisis y la expansión térmica generan tensión en la capa rica en carbono y, si no se refuerza, el material se degrada fácilmente, aumentando la tasa de erosión superficial[4]. Por este motivo, es necesario añadir refuerzos a la matriz polimérica, y en este caso, se utilizan rellenos inorgánicos para aumentar la resistencia mecánica y térmica del revestimiento. La figura 2 muestra parte de la superficie de un revestimiento estándar preparado con crisotilo.