Performance, Erosivity and Mechanical Properties of Plasticized Nitrocellulose and the Performance of Azidodeoxycellulose as a Propellant Additive

La fabrication de propulsif à faible érosion ainsi que l'innovation dans le secteur des contenants combustibles thermoplastiques sont limitées par de multiples facteurs : l'absence de matériel thermoplastique capable de se consumer sans laisser de résidus et l'usure prématurée des systèmes d'armes causée par l'érosion associée à la haute température de combustion des propulsifs. Ces deux facteurs ont été adressés dans cet ouvrage.Des mélanges de nitrocellulose (NC) plastifiés par la nitroglycérine (NG) et le polyazoture de glycidyl (GAP) ont été caractérisés afin d'obtenir les propriétés thermomécaniques, les propriétés de combustion et l'érosivité relative des mélanges. Le GAP n'a pas démontré qu'il pouvait efficacement plastifier la nitrocellulose à cause de son incapacité à se situer entre les chaînes de NC. Cependant, de bonnes propriétés plastifiantes ont été obtenues en utilisant un mélange composé de NG et de GAP. Cette plastification accrue est expliquée par la capacité de la NG de distancer les chaînes de NC permettant ainsi au GAP d'agir comme un bon plastifiant. Les mélanges obtenus présentent des transitions vitreuses en dessous de la température de décomposition de la NC et similaires à celles mesurées pour d'autres matériaux thermoplastique dérivés de la cellulose. Les propriétés de combustion étudiées dans cette thèse permettent une meilleure compréhension des mélanges de NC, NG et GAP et faciliteront le développement de nouvelles formulations et applications dans le domaine des matériaux énergétiques.

Abstract

The manufacturing of improved propellant formulations and thermoformable combustible containers is limited by multiple factors. This thesis addresses two of them: the lack of cleanburning thermoplastic binders and the premature wear of components due to the high erosivity associated with increased propellant temperature. In order to address the lack of clean-burning thermoplastic binders, the thermo-mechanical properties, combustion properties, and relative erosivity of nitrocellulose (NC) plasticized using a system of plasticizer comprised of low-molecular weight nitrate ester and low-molecular weight azido polymer were investigated. Glycidyl azide polymer (GAP) did not prove to be an efficient plasticizer due to its inability to situate between NC chains. Good plasticization was obtained when using a plasticizer system comprised of both nitroglycerine (NG) and GAP. This increased plasticization is explained by the ability of NG to situate itself between NC chains, separating them and thus allowing GAP to act as an effective plasticizer. Glass transition temperatures below the onset of decomposition of NCs and similar to what is observed in the thermoforming of other cellulose-base thermoplastic material were obtained. The combustion properties documented in this study provide a better understanding of the combustion properties of NC, NG and GAP formulations, which are useful for the future development of novel energetics and applications.