JP2001521602A - 可燃性物質用ケースとその製造方法および使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 推進剤及び／又はガス発生燃焼ガス(gas-generant combustion gases)を支持し且つ制御可能に燃焼させるための、寸法的に安定なケースを開示する。ケースは、雰囲気温度以上であるが、それによって支持された推進薬及び／又はガス発生剤の自動点火温度以下の温度で生成された燃焼ガスに対して透過性を有する。更に、ケースは、ケースのバレル部分における爆発の際に榴散弾弾子を生ずる金属、合金などを使用することなくして、寸法的に安定である。かくして、クックオフテスト(cook-off tests)に合格可能なインセンシティブミュニションケース(Insensitive Munitions case)を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 可燃性物質用ケースとその製造方法および使用方法発明の分野 本発明は、推進剤又はガス発生剤のような可燃性物質のためのケースとしての 使用に適した製造品に関する。より詳しくは、本発明は、周囲温度よりも高い温 度であって推進剤又はガス発生剤の自然発火温度よりも低い温度で生じた推進剤 又はガス発生剤の燃焼ガスに対して透過性のある高強度のケースと、その製造方 法および使用方法に関する。発明の背景 推進剤又はガス発生剤として有用な可燃性物質が、種々の適用に提供される。 これらの適用は、推進剤の場合には、ロケットを推進するのに必要とされる推進 エネルギーを供給することを含み、ガス発生剤の場合には、十分な燃焼ガスを供 給して、例えば、衝突の場合には車両用エアバッグを展開させることを含むが、 それらに限定されるものではない。推進剤又はガス発生剤は、典型的な例では、 外側の保護ケースの中に配置される。 例えば、ロケットがその使用態勢が整う前に、推進剤又はガス発生剤が保管状 態を続けられる間、或いは、運搬される間、或いは、エアバッグがその使用態勢 が整わないままである間、可燃性物質の意図しない燃焼及び／又は可燃性物質の 爆発を可能な場合には回避し、或いは、少なくともそれらを最小にすることが、 きわめて重要である。使用態勢が整う前に、ケースの中の推進剤及び／又はガス 発生剤の組成物は、種々の刺激、例えば、火、又は、他の局部的な或いは分散し た熱源からの温度の極端な状態に晒され、変化するレベルの湿度に晒され、例え ば、ロケット及び／又はエアバッグが有用性を持つ種々の環境において、榴散弾 、銃弾などを含む襲来する飛び道具発射機に晒される。このような刺激に対する 反応で、これらの組成物の爆発特性により、推進剤及び／又はガス発生剤の意図 しない燃焼及び爆発が起こり、生命及び／又は財産に破滅的な損害を引き起こす 。 非常にしばしば、爆発の直前に、推進剤及び／又はガス発生剤組成物を配置し たケースが高度に加圧される。このような加圧により、ケースを激しく爆発させ 、もしかすると、破滅的な結果を引き起こすかもしれない。もし、ケースそれ自 身、或いは、ケースのかなりの部分が、榴散弾を生じる金属、合金などの物質の 中に囲まれているならば、或いは、榴散弾を生じる金属、合金などの物質を実質 的に囲んでいるならば、ケース内の推進剤及び／又はガス発生剤によって引き起 こされる損害の程度は指数関数的に増大する。 可燃性物質の意図しない燃焼及び爆発を回避するために、あるいは、少なくと もそれらを最小にするために、ケース内の物質が種々の予期しない刺激にさらさ れることに応じて、激しく爆発しないケースを提供することが望ましい。したが って、加圧し、次いで、爆発する傾向を最小にするケース提供する必要がある。 このようなケースは、爆発の場合には、その寸法安定性を維持しながら、榴散弾 を生じる傾向を最小にし、或いは、好ましくは、この傾向を除去するであろう。 ここで用いられる寸法安定性は、推進剤及び／又はガス発生剤の適用のいずれに ついても十分なフープおよび長手方向の装填容量を有するケースを指し、寸法安 定性については、後にその意味を明確にする。このようなケースは、例えば、貯 蔵状態にある間、又は、移動中のロケットの爆発から、或いは、エアバッグを取 り付けた車両を巻き込む火のような、介在する原因によってその使用態勢が開始 される車両用エアバッグから、潜在的な危険を最小にし、或いは、潜在的な危険 を除去する利点を与えるであろう。 このようなケースを提供するための１つのアプローチは、周囲温度よりも高い 温度であるが、収容した可燃性物質、たとえば、推進剤及び／又はガス発生剤の 自然発火温度よりも低い温度にケースが晒されたとき、燃焼ガスに対して透過性 のケースを形成することにある。爆発の際に榴散弾を生じる金属、種々の合金、 又は、他の同様な物質のような物質の使用を排除し、或いは、それを最小にする 物質でケースを形成するのが更に望ましい。したがって、ケースそれ自身の中の そのような物質を含むこと、ケースを実質的に囲むそのような物質を含むこと、 そして、ケースによって囲まれたそのような物質を含むことのいずれも排除し、 あるいは、そのようなことのいずれも最小にするのが望ましい。したがって、そ のような物質の使用を回避することにより、あるいは、そのような物質の使用を 最小限にすることにより、典型的な場合では、意図しない環境、又は、制御され ない環境のもとで起こる爆発の付近にある 財産に損害を与える可能性および程度を減じ、或いは、そのようなところにいる 人を傷つける可能性および程度を減じる。 米国特許第5,228,285号、第5,060,470号、及び第5,369,955号は、上述したよ うなケースを提供しようとする試みの例として挙げられる。しかしながら、これ らの特許のすべては、一つあるいは複数の重大な欠点をもっているケースを開示 している。例えば、第5,228,285号においては、マトリックス樹脂によって被覆 された繊維を重ねてあり孔開きでキャップ付きの金属スリーブを持ったケースが 開示されている。該ケースのバレル部分に金属スリーブ(該特許の第４欄25ない し27頁)を存在させることは、必須の縦方向負荷を与えるために必要である。こ の縦方向負荷は、用語が持つ意味として、可燃性物質の制御された燃焼中、その 主な縦方向軸線Ｌに沿って縦方向に出される力に対応してケースによって発生さ せされる抵抗を示す。以下、図７を参照のこと。重なりが、必要なフープ負荷(h oop load)を提供する。フープ負荷は、そこにある可燃性物質の制御された燃焼 によって放射方向に出された力に対応したケースによって発生させられる抵抗で ある。フープカは、図７にＦによって示す放射方向を向く矢印によって表される 。 ここで使用される用語“寸法安定性”は、推進及び／又はガス発生の応用のた めに十分に長く輪状の負荷を提供するものとして定義される。ケースによって十 分なフープ負荷及び縦方向負荷が供給されないと、そこに収容された推進剤及び ／又はガス発生物の制御した燃焼中に、例えばロケットがその標的に到達しない 、あるいはエアーバッグが適切に展開しない程度まで、解体するだろう。‘285 号のケースは、上述したように、爆発の際に極端に破壊的な榴散弾を形成するバ レル部分分に大量の金属を使用することを必要とする。かように、'285号のケー スは、上述した要求を満たしていない。 同様に、第5,060,470号は、ガス透過性ケースを提供するために、記憶金属部 材(第5,060,470号で図２において26で示す)を使用することに依存している。再 び、第5,228,285号と同様に、記憶金属自体は爆発の際に極端に破壊的な榴散弾 を形成することができる。このように、第5,060,470号のケースも上述した要件 を満たすことができない。 第5,369,955号はマトリックス材料をしみ込ませた繊維状の材料を含むケース 12(図１を参照せよ)の使用に依存している。マトリックス材料は、第１及び第２ の樹脂成分を含んでいる。第5,369,955号によれば、第１の樹脂要素は、化学線 放射の状態で、第２樹脂成分が同時に硬化することなく、第１の樹脂成分の大部 分を固定するために硬化させることができる適当な樹脂である。化学線放射によ って硬化可能な材料の使用は、煩わしい放射硬化装置を使用することを必要とし 、さらに、第１の樹脂の選択を、そのような放射に曝すことによって硬化され、 かつ第２の樹脂の硬化条件と異なった硬化条件のもとで硬化する材料に制限する 。このような第１及び第２の樹脂を使用すること及び独特の硬化要件は、上述し た求められるケースの製造に不必要で好ましくない制限や複雑さをもたらす。 更に、第5,369,955号によれば、そこで述べられたケースは、繊維の溶融温度 に近づくにつれて弱くなる繊維材料の使用に依存している。第5,369,955号の第 ３欄30ないし43行を参照のこと。このような繊維材料の例は、第5,369,955号の 第３欄、46行及び56行にそれぞれ記載されたポリオレフィン繊維(Spectra 1000) (登録商標)、あるいはポリエチレン繊維(Spectra 900)(登録商標)である。さら に、第5,369,955号に記載されているように、これらの繊維は、93℃(200°F)か ら149℃(300°F)の間の溶融温度を持ち、これらの温度は周囲温度74℃(165°Fま で)とここに述べたの自己発火温度204℃(400°F)の中間である。このような200 °Fから300°Fの間の溶融温度を持つ繊維の使用は、第１及び第２の樹脂の硬化 温度を好ましくなくかつ不利に制限する。第5,369,955号の第４欄、６ないし８ 行を参照のこと。特に、繊維を完全な状態で保持するために、第１及び第２の樹 脂は約93℃(200°F)より高温では硬化することができない。更に、このような繊 維の200°Fから300°Fの間の低い溶融温度は、それらの使用を制限する。例えば 、複式ベース推進剤は自己発火温度が単に132℃(270°F)であるに過ぎない。(第 5,369,955号の)自己発火温度及び繊維の溶融温度が非常に近いことは、それらの 使用が、160℃(320°F)よりもかなり高い自己発火温度を有する推進剤及び／又 はガス発生物に法外に制限されることになる。もし高い溶融温度の繊維を使用す ることができれば、そのような制限は完全に避けられる。 更に、Drain等の米国特許第4,892、764号は圧力容器として役立つフィラメン ト強化樹脂合成物を開示している。第4,892、764号の第１欄、62行を参照のこと 。 第4,892、764号によれば、フィラメントは、ガラス、グラファイト、ボロン、Ke vler(登録商標)、ポリアセタール及び、一般的には、木、金属、天然及び合成ポ リマー等の材料を含んいる。第4,892、764号の第17欄、35ないし38行を参照のこ と。更に、第4,892、764号によれば、フィラメント巻き上げに使用される樹脂は 、フィラメント巻き上げ工程の間たわみを避けかつ一定の厚さを維持するために 、一定の粘性と長いポット寿命を示さなければならない。該特許の第３欄及び第 ４欄に記載されているように、樹脂合成物は、第5,369,955号に述べられたいも のと同じ第１及び第２のエポキシ樹脂である。従って、第5,369,955号について 前述した化学線放射硬化樹脂の使用によってもたらせる不要な複雑さは、第4,89 2、764号にも同じく適用される。 '764特許により作られた物品の主要な設計の欠陥は、「圧力容器」を形成するこ とに向けられていることにある。用語が示唆するように、かかる容器は、ガス推 進剤及び／又はガス発生剤の燃焼中に起こるかもしれない圧力の蓄積を維持し、 かつ収容することに向けられている。実際、'764特許の物品は、推進剤の可燃性 ガス及び／又はガス発生剤の可燃性ガスを透過させないことに向けられている。 事実、室温よりも高いが、可燃性物質の自然発火温度よりも低い温度で生成され る可燃性ガスに対する透過性を有する物品についての言及は、'764特許ではなさ れていない。 かくして、300°Fよりも高い、好ましくは300°Fよりも十分に高い融点を有す る繊維を使用した、危険な爆発片を形成しがちな金属或いはその他の物質を実質 的に含まないケースであって、使用中その寸法安定性を保持しながら、室温より も高いが、ケース内に収容された推進剤或いはその他の可燃性物質の自然発火温 度よりも低い可燃性ガスを透過させることができるケースを提供することの必要 性が未だ満たされていない。発明の概要 従って、本発明の目的は、意図した使用のための寸法安定性を有し、金属の使 用を最小にし、または、金属を使用しない推進剤及び／又はガス発生剤用ケース であって、室温よりも高いが、ケース内にある推進剤及び／又はガス発生剤の自 然 発火温度よりも低い温度であって、ケースの破壊的な爆発を防止するのに十分な 温度で可燃性ガスを透過させることができ、300°Fよりも高い融点を有する繊維 を使用した推進剤及び／又はガス発生剤のためのケースを提供することである。 他の目的は、かかるケースを作る方法およびかかるケースを使用する方法を提供 することである。 これらのおよびその他の目的は、可燃性物質用ケースであって、 所定の融点を有する少なくとも１つの繊維と、所定の軟化点を有し、少なくと も部分的に硬化されたマトリックス材料の層を含み、該層は、ケースの所望の形 状に形作られ、可燃性物質を受け入れるための内部キャビティを構成し、マトリ ックス材料の所定の軟化点は、前記繊維の所定の融点よりも低い可燃性物質用ケ ースにおいて、 前記層は、ケース内に可燃性物質を支持し、保持しながら、ケースの所望の形 状を維持するのに十分な寸法安定性を有し、マトリックス材料の軟化点は、キャ ビティ内に置かれるべき可燃性物質の自然発火温度よりも低い可燃性物質用ケー スによって達成される。 かかるケースは、寸法的に安定していることがわかる。 ケースは、以下に説明する方法によって作られる。 可燃性物質用ケースを形成する方法は、 所定の融点を有する少なくとも１つの繊維に、該繊維の所定の融点よりも低い 所定の軟化点を有するマトリックス材料を関連させて被覆された繊維を形成し、 被覆された繊維を配置して繊維およびマトリックス材料の層を、該層が可燃性 物質を受け入れるための内部キャビティを構成するようにケースの所望の形状に 形成し、 層のマトリックス材料を少なくとも部分的に硬化させ、 マトリックス材料の軟化点がキャビティ内に置かれるべき可燃性物質の自然発 火温度よりも低くなるようにして、層が、ケース内に可燃性物質を支持し、保持 することができるように、層に寸法安定性を与えるのに十分な加熱時間、前記少 なくとも部分的に硬化された層をマトリックス材料の軟化点まで十分に加熱し、 加熱された層を冷やしてケースを得る、ことを含む。 本発明の寸法的に安定したケースは、室温よりも高く、ケース内に置かれた推 進剤及び／又はガス発生剤の自然発火温度よりも低い推進剤及び／又はガス発生 剤を透過させることができることがわかる。 さらに、本発明のケースは、ケースのバレル部分に金属、合金或いはその他の 類似の物質を本質的に含まない。 最後に、マトリックス材料を軟化点よりも高く加熱する工程によって、寸法的 に安定したケースが生産される。図面の簡単な説明 図１は本発明の一つの実施形態による、図２乃至８のケースを作るための工程 を示す概略図である。 図２は可燃性物質を保持するケースの一つの実施形態を示す図１のケースの断 面図である。 図３は、破線の円形矢印及び参照番号３によって指示した、図２の断片部分の 拡大図である。 図４は、中間層８及びキャビティ220が描かれた、本発明によって作られたケ ースの別の実施形態の断面図である。 図５は本発明によって作られたケースの別の実施形態の横断面図である。 図６は本発明によって作られたケースの別の実施形態の断面図である。 図７は厚さt、半径Ｒを有するケースの内面に付与されるフープ力を描いた、 ケースの断面図である。 図８は直交する方向に向けられた繊維を描いた、本発明の別の実施形態によっ て作られたケースの拡大断面図である。 図９は本発明の別の実施形態による図２乃至８のケースを作る工程を示す概略 図である。 図10は本発明の更に別の実施形態による図２乃至８のケースを作る工程を示す 概略図である。好ましい実施形態の詳細な説明 本発明によれば、寸法的に安定したケースが、図１、図９及び図10に概略的に 描かれたように作られる。これらの図に描かれた工程は一般的に、(a)16a、16b 、16c及び16dのような溶融点の繊維16又は代替の多様な繊維を用意する、(b)繊 維を被服するために、例えば、マトリックス槽21内に、溶融点より上の柔軟化点 のマトリックス材料20を用意する、(c)繊維をマトリックス材料20で被服する、( d)任意所望の形状を形成するために、例えば、シャフト72によって保持された、 例えば、マンドレル17又は形づくられた形状本体19の周りに覆われた繊維４を巻 きつける、(e)マトリックス材料を少なくとも部分的に、硬化時間の間、硬化温 度で硬化させる、(f)次に、マトリックス材料20を、そのように形成されたケー スに寸法的な安定性を与えるために、マトリックス材料20の柔軟化点温度より高 い温度に加熱する、(g)随意的にケースを冷却する(図示せず)、(h)随意的に如何 なるフラッシング(nashing)をもケースから除去する、段階を含む。ここで使用 したように、用語“柔軟化点”は、マトリックス材料が、燃焼ガスをケースの内 部から外部へ通過させるように、十分に透過性になる温度である。かかる透過性 は、ケースが燃焼ガスによる内部加圧によって破裂する可能性を排除し、又は実 質的に減じる。更に、ここで使用するように、用語“被服”は、繊維の外面を実 質的に覆うことを意味するが、繊維自身の体内へのマトリックス材料の随意的な 移動も含むと考えられる。記載したように、そのように作られたケースは、中間 の周囲温度、及び推進剤及び／又はガス発生の自己発火温度以下の温度で、ケー ス内に含まれた可燃性物質によって発生した燃焼ガスに対して透過性がある。 図１及び図10によれば、16a、16b、16c及び16dは、それら自身１本又はそれ以 上の繊維からなってもよく、そして、例えば、編組繊維又は織繊維、或いは平ら なテープの形態であっても良い多様な繊維である。技術分野で知られているよう な種々の繊維太さ及び断面形状が、本発明における使用を意図されている。本発 明のケースでは、好ましい繊維太さは、約0.25ｍｍ(0.01インチ)から約0.76ｍｍ (0.03インチ)の範囲に亘る。その上、ケース壁の厚さは、好ましくは、少なくと も約１．８ｍｍ(0.07インチ)である。図１及び図９では、繊維は、例えば、スプ ール15、15a、15b、15c及び／又は15dから好都合に供給される。しかしながら、 繊維は当業者 に良く知られた任意の好都合な源から供給されてもよい。 本発明に対する使用に適する繊維は、グラファイト、カーボン、ガラス、シリ カ、ガラス繊維、ポリアラミド(例えば、Kevlar(登録商標))又は石英のような材 料から形成された繊維を含むが、これは限定的ではない。同一又は異なる材料で 形成された一以上の繊維をマトリックス材料で被服する前に結合してもよい。 本発明によるケースを製造するために、寸法安定性を付与することができる種 々の繊維材料を使用する。寸法安定性を付与するため、これらの繊維は、十分な 強度を提供すると共に広範囲の推進剤及び／又は気体生成剤を備えたより多くの 実用性のために、300°Fよりも高い融点を持つものでなければならない。更に、 これらの繊維は、寸法安定性を付与するのに十分な角度であるフープ層と長手方 向層との間の角度θにより、少なくとも巻かれることがは必要である。好ましく は、必ずしも必要ではないが、ケースは、少なくとも１つのフープ層と少なくと も１つの長手方向層とにより形成される。より好ましくは、ケースは、少なくと も２つのフープ層と少なくとも１つの長手方向層とにより形成される。一実施形 態では、１つの層の繊維は、他の層の繊維に対して角度θを有する。例えば、図 ８の角度θは、繊維は、他の繊維に対して直交する方向に巻かれる。しがしなが ら、角度θは、図10に示すように、90°から変化するようにしてもよい。角度θ で巻くと共に300°Fより高い融点を持つ繊維(例えば、低融点ポリオレフィン繊 維を含む)を使用することにより、製造されたケースは、メタルスリーブや形状 記憶合金部材等に頼ることなく、推進及び気体生成のための十分な寸法安定性を 有し、さらに、広範囲の推進剤を有する実用性を備えている。本発明と両立性の ある300°Fより高い融点を持つ繊維は、例えば、ガラス、石英、シリカ、並びに 、約1290°F、2100°F、2700°F、及び、6300°Fよりも高い融点をそれぞれ持つ グラファイト／カーボンを含む。 幾つかの方法により、角度θで、巻き付ける、好ましくは連続的に巻き付ける ことができる。例えば、図10に示すように、繊維16a、16b、16c、16dが、マトリ ックス材料20を含むマトリックスバス21を通ってオリフィス69に供給され、さら に、オリフィス74で外に出され、ここで、組み合わされて被覆された繊維４は、 形状本体19の周りに巻き付けられる。巻き付け工程中は、シャフト72は、例えば Ｔの方向に回転する。形状本体19は、オプションとして、方向94に沿って、シャ フト82上で揺動するようにし てもよい。図10において、形状本体19の動作及びシャフト72の回転は、コントロ ーラ62により制御される。コントローラ62は、方向94に沿った形状本体19の搬送 動作及びシャフト72の回転速度と回転方向を決定する。これにより、角度θを、 周知の方法により、所望の値に容易に調整することができる。 別の実施形態では、図９に示すように、繊維16は、引張られた状態で張力デバ イス80の周りに供給され、さらに、適合ロール82によりマトリックスバス21に含 まれたマトリックス材料20内に供給される。その後、被覆された繊維４は、ロー ル84に取り付けられた張力デバイス86により張力が付与された状態で、適合する デリバリヘッド88に供給される。繊維４は、このデリバリヘッド88から、シャフ ト72に設けられ且つシャフト72と共にＴの方向に回転するマンドレル17上に供給 される。図９の実施形態によれば、巻き付け中、マンドレル17、デリバリヘッド 88、又は両者は、いかなる所望の角度θでもマンドレル17に被覆された繊維４を 巻く付けることができるように、方向94において揺動させるようになっている。 角度θは、典型的には、約５度から約90度の範囲で変化し、好ましくは約45度 から約90度の範囲で変化し、最も好ましくは約75度から約90度の範囲で変化する 。図９において、シャフト72は、２つの適合サポート79の間に取り付けられてい る。当業者において周知である被覆された繊維を所望の角度θで巻き付ける他の 方法を用いてもよい。 形状本体19は、図10の例では、巻き付け作業完了後に容易に収縮させて取り外 すことができるバルーンのような挿入本体でもよい。他の例として、形状本体19 は、図２〜図10に示すように、被覆された繊維４を巻くことにより形成されるケ ースにより包囲されることを意図された推進剤のような固体の可燃性物質でもよ い。固体の推進剤又は気体生成剤のような形状本体19は、１以上の絶縁層(図示 せず)を含むものでもよく、及び／又は、その上に一以上のライナ層(図示せず) を含むものでもよい。しかしながら、典型的には、巻かれて被覆された繊維の層 は、そのようにして形成されたケース内に含まれる推進剤又は気体生成剤に直接 隣接するように配置される。ここで使用される「直接隣接」なる用語は、ケースの 層と推進剤との間に金属製構造物が介在しないことを意味している。しかしなが ら、非金属の介在層(例えば、絶縁層として機能する図４、図５,図６の層８)は 、推進剤及び／又は気体生成剤と ケース層100の間に介在してもよい。 推進剤又はガス発生剤は、自然発火温度を有する固体又は液体の可燃性物質で ある。この自然発火温度は、推進剤及び／又はガス発生剤が自然に発火して燃焼 する温度又はそれ以上の温度である。例えば、複式推進剤(double base propell ants)は約320°Fの自然発火温度を有する。過塩素酸アンモニウム(AP)は約420° Fの自然発火温度を有する。過塩素酸カリウムは約500°Fの自然発火温度を有す る。自然発火温度での又はそれ以上の温度での火炎面の発火及び燃焼は、その可 燃性物質の制御可能な燃焼であると思われる。他方、自然発火温度よりも低い温 度での燃焼及び爆発は、予期しない刺激に対する反応での制御不能な燃焼である と思われる。 更に、純ANは、410°Fでガスの発生で分解し始める。純AN又はANを含有する推 進剤の発火の前、ANは少なくとも溶けていなければならない。その結果、AN推進 剤はゆっくりと発火する。通常、硝酸アンモニウム(AN)推進剤は、約360〜380° Fで発火する。しかしながら、ニトロ可塑剤(Nitro-plasticizers)は、発火エネ ルギーに晒されると、急激に燃焼又は分解する。ニトロ可塑剤は大量のガスを生 成し、これは約370°Fで始まる。 本発明の場合、様々な推進剤及び／又はガス発生剤を使用することができる。 本発明に適した可燃性物質の例としては、ポリグリコールアジパート、ニトロ可 塑剤、硝酸アンモニウム、ヒドロキシ末端ポリブタジエン(HTPB)と過塩素酸アン モニウムとの混合物、過塩素酸アンモニウムと過塩素酸カリウムとの混合物、酢 酸セルロース、RDX及び／又はHMXと硝酸アンモニウムとの混合物がある。後者の 混合物での硝酸アンモニウムは、米国特許出願第08/753,521号明細書に記載のよ うに、経年安定化され(age-stablitized)及び／又は強化されてもよい。 他の適当な物質としては、限定するものではないが、硝酸エステル類、ニトラ ミン類、無機爆薬類、複式推進剤、ニトロ可塑剤又はこれらの混合物がある。本 発明に関連した可燃性物質としての使用に適した硝酸エステル類推進剤及び／又 はガス発生剤の例としては、限定するものではないが、硝酸メチル、ニトログリ セリン、ニトログリコール、エリトリトールテトラニトレート(erythritol tetr anitrate)、六硝酸マンニトール、ペンタエリトリトールテトラニトラート、ペ ンタエリトリトールトリニトレート(pentaerythritol trinitrate)又はこれらの混合物がある。本発明に関連した可燃性物質として使 用に適したニトラミン推進剤及び／ガス発生剤の例としては、限定するものでは ないが、エチレンジニトロアミン、ニトログアニジン、ニトロ尿素、環状-1,3,5 -トリメチレン-2,4,6-トリニトラミン、HMX、四ニトログリコーライル(tetranit roglycolurile)又はこれらの混合物がある。本発明に関連した可燃性物質として の使用に適した無機爆発性推進剤及び／又はガス発生剤の例としては、限定する ものではないが、硝酸アンモニウム、亜硝酸カリウム、過塩素酸アンモニウム、 過塩素酸カリウム、フルミナート、アジ化鉛、アジ化銀又はこれらの混合物があ る。当業者であれば、本発明に関連して有益な可燃性物質は、本質的に、この業 界で知られている推進剤及び／又はガス発生剤であればよい、ということを認識 するであろう。更に、周知のように、容器の中の可燃性物質は、更に、バインダ ー、経年安定剤、強化剤のような添加剤を含有していてもよい。米国特許出願第 08/753,521号明細書には、種々様々な適当な推進剤の組成が記載されていること から、その全文をここに援用する。 自己発火温度より下であるが(約0〜165°Fからの範囲にある)周囲温度より上 で推進剤及び／又はガス発生剤燃焼ガスに対して透過性を有するケースを提供す るためには、マトリックス材料は約260°Fから約320°Fの温度で軟化するのが好 ましい。マトリックス材料は、約300°Fから320°Fの温度で軟化するのがより好 ましい。融点が高い繊維、即ち、例えば(例えば融点が約200°F〜300°Fである) ポリオレフィンより高い温度で融ける繊維を使用することにより、マトリックス が軟化してしまったときでも、ケースの寸法安定性が維持できることがわかる。 本発明と関連して使用するのに適当なマトリックス材料は、軟化温度が、周囲 温度と推進剤及び／又はガス発生剤の自動点火温度との中間である材料である。 さらに、適当なマトリックス材料は、金属及び特にケースのバレル部分分が爆発 したときに破片を生じさせるような材料に対するかなりの信頼性がなく、上述し た繊維と組み合わせて、推進剤またはガス発生剤用の十分な寸法安定性を有する ケースを形成する材料である。例えば、図６のバレル部分300を参照のこと。 マトリックス材料は、通常予期される繊維の降伏強さを維持することができな ければならない。例えば、グラファイトの巻かれた繊維は、約275,000psiの降伏 強さを有している。比較として、4340steel(登録商標)は、約174,000psiの(引っ 張り) 降伏強さを有している。チタン合金は、約145,000psiの降伏強さを有している。 アルミニウム合金は、約53,000psiの降伏強さを有している。ポリプロピレン繊 維は、約8,000psiの降伏強さを有している。巻かれたガラス繊維は、約150、000 psiの降伏強さを有している。これらの降伏強さは、米政府印刷局発行であり当 業者によく知られ、さらに、この言及によりその全体を本明細書に援用するMil −HBK−５に列挙されている。さらに、これらの降伏強さは典型的なものであり 、グレード及び処理条件等に依存して少なくとも100パーセントは変化し、この ことは当業界で認識されている。最も要求のきつい繊維は、ハイグレードモジュ ラグラファイトである。マトリックス材料は、本発明に従って、繊維を被覆して 硬化させられたとき、少なくとも約300,000psiの降伏強さを提供するのが好まし い。 マトリックス材料は、少なくとも２種類の構成要素、即ち、少なくとも一種類 の樹脂材料と、組み合わされてマトリックスを形成する硬化剤とからなるのが典 型的である。樹脂および強化剤の両者は、粘性がかなり低いことが好ましく、特 に連続処理装置内で、混合して使用するのが容易なように、室温で粘性が略等し いことが好ましい。そのような構成要素の例として、これに限定されるものでは ないが、樹脂としてEpon 828(登録商標)、硬化剤としてVersamid 125(登録商標) 、Versamid 140(登録商標)およびVersamid 115(登録商標)又はこれらの混合物が ある。 Epon 828(登録商標)は、約25℃で粘性が110−150ポイズのシェルケミカル社が 販売しているエポキシ樹脂の例である。Versamid 115、125、140(登録商標)は、 ヘンケルコーポレーションが販売しているポリアミド硬化剤の例である。Versam id115、125、140(登録商標)の約25℃での粘性は、約28〜42ポイズ、約6.5〜9.5 ポイズ、そして、68〜164ポイズである。他のエポキシ樹脂およびポリアミド硬 化剤が当業者に知られており、これらを本発明に使用してもよい。 マトリックス材料を形成するには、例えば、Epon 828(登録商標)を、Versamid 125(登録商標)と、重量パーセント比約1:1乃至約3:1ので混合する。特に言及し ない限り、パーセントは、全て、マトリックス材料の総重量に基づく重量パーセ ントである。したがって、例えば、一実施例は、25±２％のポリアミドと混合さ れた75±２％のエポキシ樹脂で、適当なマトリックスを形成している。 樹脂と硬化剤とを混合することによる組成後、およびたとえば繊維をマトリッ クス浴 に散布或いは浸すことによって、１つまたは複数の繊維に適用した後、封入され た繊維は、冷凍のもとで少なくとも６ヶ月の期間の間貯えられるのが好ましい。 これによって、封入された繊維の大量生産が最小コストで可能であり、封入され た繊維は将来の使用に備えて６ヶ月まで貯蔵可能である。 例えばマトリックス材料を繊維に散布したり、あるいは繊維をマトリックス材 料を含有するマトリックス浴に浸したり、あるいは当業界で知られた他の方法に よって、繊維のマトリックス材料への封入が達成される。しかしながら、繊維を マトリックス材料を含有するマトリックス浴に浸すのは、高品質ケースを形成す るのに好ましい。 ほとんどすべて或いは好ましくはすべての繊維表面が、たとえばマンドレル或 いは形作られた物を巻く際、隣接する繊維の間のすべての間隙スペースを満たす のに十分にマトリックス材料内に封入されることが重要である。マトリックス材 料で実質的に満たされない巻きの間隙内には領域があるべきではない。マトリッ クス材料は巻き作業が完了するまでβ硬化の状態のままであるべきである。 図１及び図９のマンドレル17あるいは図２、図４−図７、及び図10の形作られ た物19は、選択的に離型層、バリア層及びまたは封入された繊維が巻かれる絶縁 層で被服される。例えば、図５を参照すれば、そのように作られたケース10の断 面は、選択的な外部摩擦保護層110、硬化層100、封入され巻かれた繊維４、絶縁 層がよい選択的な層８、離型層、バリア層或いはそれらの組み合わせ、推進剤或 いはガス生成層19及び選択的なキャビティ１を示す。 図６を参照すれば、ケースの変形例が示される。機械的に取り付けられた閉鎖 体200及び選択的な点火器(図示せず)が、選択的なアタッチメントスカート210を 介して装着されている。選択的な外部摩擦保護層110、被服され巻かれた繊維４ 、絶縁層がよい選択的な層８、離型層、バリア層或いはその組み合わせ、選択的 な内部キャビティ220、推進層19、選択的なキャビティ１、選択的な取り付け具 ５、ノズルサポート240、ノズル250及びノズル流出口260が示されている。選択 的な層８及び110を用いるとき、このような層は、少なくとも略重複する透過性 或いは好ましくは層100と同じ燃焼ガスに対する透過性を有するべきであること に留意すべきである。そうでないと、ケースは本発明の安全性の利点を提供しな いことになる。 本発明によって作られたケースがInsensitive Munitions requirements(当業 界で 周知なChemical Propulsion Information Agency-CPIA/M2 Solid Propellant Ma nualを参照方)を充足するために、ケースが予定外の刺激によって爆弾片を生じ ないことが必要である。かくして、バレル部分300は、相当量の金属を含有すべ きでなく、或いは好ましくはフープ荷重及び長手方向荷重(寸法的な安定性を与 えるための)を与えるための構造部材としての金属、合金等を含むべきでない。 もちろん、力除去スカート或いは開口のまわりのサポート或いは取り付け具のよ うな金属は避けられない。しかしながら、ケース10のバレル部分300内に金属、 合金等が実質的或いは完全になければ、万が一不慮の刺激によって爆発が起こっ ても、壊滅的な損害の可能性が減じられる。 一旦、封入繊維が、例えば、形状本体19、マンドレル17などに巻き取られると 、次いで、ケースは、少なくとも雰囲気温度(例えば、25℃以上)で少なくとも部 分的に硬化される。例えば、巻取ケースは、約25℃から約100℃までの硬化温度 で約１時間から約12時間まで、あるいはそれ以上の時間の間、少なくとも部分的 に硬化される。 しかし、部分的な硬化の前又は後で、巻取ケースをβ硬化の状態で冷蔵して、 約６ヵ月もの期間貯蔵してもよい。冷蔵温度は、例えば、約10℃あるいはそれ以 下、好ましくは、約−25℃から約10℃までであってもよい。しかし、もし、ケー スがβ硬化の状態に延長された期間の間、維持されなかったら、ケースを、ケー スに寸法安定性を与えるのに充分な期間、マトリックス材料の軟化点以上の温度 まで加熱する。例えば、巻取られ、封入され、かつ、少なくとも部分的に硬化さ れた繊維の加熱は、約260°Fから約400°Fまでの温度範囲で約４から約50時間の 間、より好ましくは、約325°Fから約350°Fまで少なくとも約12時間(約50時間 まで)の間、また、最も好ましくは、約325°Fで約12から約16時間の間、加熱す ることによって行ってもよい。その後、ケースは冷却され、また、マンドレル( もしある場合)は取り外される。最後に、加熱されたケースを冷却する直前、あ るいはその後にフラッシングを除去し、又は二次的機械加工によって荒い面を滑 らかにしてもよい。 本発明を説明したが、下記の実施例は、本発明を実施するのに今、知られている 最良の実施例を示すものである。しかし、実施例は、本発明の好ましい実施例を 例示するだけであり、本発明の技術的範囲を制限することは意図していないこと は、当業 者に容易に分かるであろう。本発明の技術的範囲内での変更及び変形を行っても よいことを、当業者は理解できるであろう。実施例は、例示に過ぎない。 実施例 実施例１ グラファイト繊維を、図１、図９又は図10に示すように、75±２重量％の登録 商標エポン828(Epon828)と、25±２重量％の登録商標バーサミッド125(Versamid 125)のマトリックス材料の混合物で被覆し、又は、スプレー乾燥する。その後、 被覆された繊維をマンドレルまはた形状本体に、第８図に示すように、約75°か ら約90°までの角度θで連続的に巻取って、第２図乃至第７図のいずれかに表さ れたように、巻取ケースを形成する。その後、巻回繊維を室温(例えば、約25℃) で、あるいは、加熱ランプで38℃(100°F)に１時間から12時間の間、少なくとも 部分的に硬化させる。次いで、部分的に硬化された巻取られた繊維を325〜350° Fの温度範囲で少なくとも12時間、オーブンで加熱する。次に、オーブンから巻 取られた繊維を取り出し、雰囲気室温まで冷却させる。その後、マンドレル(も しある場合)を取外し、また、フラッシングを除去し、あるいは、もし、荒い面 を滑らかにする必要があるなら二次的な機械加工を行う。この工程は、本発明に したがったケースの一実施例を構成する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｌ 22:00 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．予め選択された軟化点を有するマトリックス材料を予め選択された融点を有 する少なくとも１つの繊維と結合させて被覆繊維を形成し、マトリックス材料 の予め選択された軟化点は繊維の予め選択された融点よりも低く、 被覆繊維を、繊維及びマトリックス材料の少なくとも１つの層をケーシングの 所望形状に形成するように配列し、前記層は可燃性物質を受け入れるための内 部キャビティを構成し、 層のマトリックス材料を少なくとも部分的に硬化させ、 引き続いて、少なくとも部分的に硬化した層をマトリックス材料の軟化点より も上の加熱温度まで、層がその中の可燃性物質を支持しかつ保持しながらケー シングの所望形状を維持することができるように層に寸法安定性を与えるのに 十分な加熱時間加熱し、マトリックス材料の軟化点はキャビティ内に置かれる 可燃性物質の自己発火温度よりも低く、 加熱された層を冷却してケーシングを得る、可燃性物質用ケースの形成方法 。 ２．前記加熱温度を約４時間乃至約50時間であるように選択し、前記マトリック ス材料を前記加熱温度よりも少なくとも２度低い少なくとも約260°Fの前記軟 化点を有するように選択することを更に含む、請求の範囲第１項に記載の方法 。 ３．前記加熱温度を少なくとも約12時間であるように選択し、前記マトリックス 材料を約260°F乃至約320°Fの前記軟化点を有するように選択することを更に 含む、請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．約325°F乃至約350°Fの前記加熱温度まで加熱し、前記マトリックス材料を 約300°F乃至約320°Fの前記軟化点を有するように選択することを更に含む、 請求の範囲第３項に記載の方法。 ５．マトリックス材料の前記軟化点を前記繊維の前記融点よりも少なくとも100 ° Fだけ低いように選択することを更に含む、請求の範囲第４項に記載の方法。 ６．前記マトリックス材料と結合させるための少なくとも２つの異なる繊維を利 用することを更に含む、請求の範囲第１項に記載の方法。 ７．前記結合させる段階は前記繊維を前記マトリックス材料で噴霧乾燥させて前 記 被覆繊維を形成することからなる、請求の範囲第１項に記載の方法。 ８．前記結合させる段階は前記繊維を前記マトリックス材料の中に浸漬させて前 記被覆繊維を形成することを含む、請求の範囲第１項に記載の方法。 ９．前記配列する段階は、前記繊維を巻いて前記繊維の実質的に平行に並んだ列 の少なくとも１つのフープ層及び前記繊維の実質的に平行に並んだ列の少なく とも１つの長手方向の層を作り、前記フープ層の前記列は前記長手方向の層の 前記列と角度Θをなしている、請求の範囲第１項に記載の方法。 10．前記配列する段階は、前記繊維を巻いて前記繊維の実質的に平行に並んだ列 の少なくとも２つのフープ層及び前記繊維の実質的に平行に並んだ列の少なく とも１つの長手方向の層を作り、前記フープ層の前記列は前記長手方向の層の の前記列と角度Θをなしている、請求の範囲第１項に記載の方法。 11．前記可燃性物質を前記内部キャビティ内に与える段階を更に含む、請求の範 囲第１項に記載の方法。 12．前記可燃性物質と前記繊維及び前記マトリックス材料の前記層との間に中間 絶縁層を介在させる段階を更に含み、前記絶縁層は前記自己発火温度よりも低 く、且つ前記繊維の前記融点よりも低い軟化点を有している、請求の範囲第10 項に記載の方法。 13．前記マトリックス材料を約25℃乃至約100℃の硬化温度に約１時間乃至約２ 時間維持することを更に含み、前記方法は前記可燃性物質を少なくとも約320 °Fの自己発火温度を有するように選択することを更に含む、請求の範囲第10 項に記載の方法。 14．予め選択された融点を有する少なくとも１つの繊維及び予め選択された軟化 点を有し、少なくとも部分的に硬化されるマトリックス材料の少なくとも１つ の層を有し、層はケースの所望形状に形成され、かつ可燃性物質を受け入れる ための内部キャビティを構成し、マトリックス材料の予め選択された軟化点は 繊維の予め選択された融点よりも低く、 層は可燃性物質を支持し、保持し、且つ制御可能に燃焼させながらケースの所 望形状を維持するに十分な寸法安定性を有し、マトリックス材料の軟化点はキ ャビティ内に置かれる可燃性物質の自己発火温度よりも低い、可燃性物質用ケ ー ス。 15．前記繊維は約300°Fよりも高い融点を有し、前記層は実質的に平行に並んだ 列の少なくとも１つのフープ層及び前記繊維の実質的に平行に並んだ列の少な くとも１つの長手方向の層からなり、前記フープ層の前記列は前記長手方向の 層の前記列と角度Θをなし、且つ前記キャビティ内に設けられた戦記可燃性物 質を制御可能に燃焼させるのに必要な前記寸法安定性をもたらすのに十分であ る、請求の範囲第14項に記載のケース。 16．前記繊維は約300°Fよりも高い融点を有し、前記層は実質的に平行に並んだ 列の少なくとも２つのフープ層及び前記繊維の実質的に平行に並んだ列の少な くとも１つの長手方向の層からなり、前記フープ層の前記列は前記長手方向の 層の前記列と角度Θをなし、且つ前記キャビティ内に設けられた前記可燃性物 質を制御可能に燃焼させるのに必要な前記寸法安定性をもたらすのに十分であ る、請求の範囲第14項に記載のケース。 17．前記繊維は、カーボン、ガラス繊維、ポリアミド、及びシリカからなる群か ら選択された少なくとも１つの部材である、請求の範囲第14項に記載のケース 。 18．前記繊維はグラファイトであり、前記マトリックス材料の前記軟化点は約26 0°F乃至約320°Fである、請求の範囲第17項に記載のケース。 19．前記マトリックス材料は樹脂及び硬化剤を更に含み、前記マトリックス材料 の前記軟化点は約300°F乃至約320°Fである、請求の範囲第18項に記載のケー ス。 20．前記マトリックス材料の前記軟化点は前記繊維の前記融点よりも少なくとも 約100°Fだけ低い、請求の範囲第14項に記載のケース。 21．前記キャビティ内に可燃性物質を更に有する、請求の範囲第14項に記載のケ ース。 22．前記可燃性物質と前記繊維及び前記マトリックス材料の前記層との間に介在 させた絶縁層を更に含み、前記絶縁層は、前記自己発火温度よりも低く、且つ 前記繊維の前記融点よりも低い軟化点を有し、前記可燃性物質は少なくとも約 320°Fの自己発火温度を有する、請求の範囲第21項に記載のケース。 23．前記エポキシ樹脂はビスフェノールＡのジグリシジルエーテルであり、前記 可燃 性物質は硝酸エステル、ニトロアミン、無機爆薬及びその混合物からなる群から 選択される、請求の範囲第21項に記載のケース。