Heksogeenin yhteensopivuus ultraviolettisäteilyllä kovetettavien lisäävän valmistuksen polymeerien kanssa: Energeettisten materiaalien lisäävä valmistus

Abstract

Energeettisten materiaalien lisäävää valmistusta on tutkittu 2000-luvun alusta lähtien. Energeettisen materiaalien lisäävän valmistuksen prosessia suunniteltaessa täytyy perehtyä käytettävissä oleviin valmistustekniikkoihin, ja niiden erityispiirteisiin. Lisäksi tulee tuntea energeettisten materiaalien herkkyysominaisuudet, jotka vaikuttavat niiden käsittely-, kuljetus- ja varastointiturvallisuuteen. Energeettisten materiaalien kehitystyössä tulee kiinnittää erityistä huomiota seoksissa ja tuotteissa käytettävien materiaalien yhteensopivuuteen räjähdysaineiden kanssa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa lisäävän valmistuksen menetelmiä, jotka voisivat soveltua energeettisille materiaaleille. Tutkimuksen kokeellisessa osassa selvitettiin sotilasräjähdysaineena käytettävän heksogeenin (1,3,5-trinitro-1,3,5-triatsiini) fysikaaliskemiallista yhteensopivuutta ultraviolettisäteilyllä kovetettavien fotopolymeerien kanssa.

Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osasta. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään lisäävän valmistuksen (AM, additive manufacturing) tekniikoita. Työssä luodaan katsaus sotilasräjähteissä käytettäviin räjähdysaineisiin ja niiden ominaisuuksiin, sekä räjähteiden perinteisiin valmistusmenetelmiin. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi räjähdysaineisiin liittyvät keskeiset termit ja määritelmät, sekä esitellään pyroteknisten aineiden ja räjähdysaineiden lisäävän valmistuksen tutkimuksia. Lopuksi käsitellään energeettisten materiaalien fysikaaliskemiallisen yhteensopivuuden testausmenetelmät, joita käytetään työn kokeellisessa osassa.

Tutkimukseen valittiin yhdeksän kaupallisesti saatavilla olevaa fotopolymeeriä. Tutkittavat materiaalit koostuivat akrylaatti-, isopreeni- ja polysiloksaanipohjaisista polymeereistä. Tutkimuksen ensisijainen tavoite oli määritellä heksogeenin yhteensopivuus näiden lisäävän valmistuksen materiaalien kanssa. Tutkimuksessa selvitettiin korkean heksogeeni -kiintoainepitoisuuden sisältävän seoksen soveltuvuutta pursotushybridimenetelmään, jossa sideaineena käytettävän polymeerin kovetus tapahtuu ultraviolettisäteilyllä. Tutkittavat materiaalit eivät soveltuneet käytettäväksi lisäävään valmistukseen, mikäli ne eivät kovettuneet tai kovettuivat ilman säteilytystä. Työssä tutkittiin myös materiaalien termisiä ominaisuuksia. Jos polymeerimateriaalit kehittivät lämpöä niitä heksogeenin kanssa sekoitettaessa, ne eivät soveltuneet käytettäväksi lisäävän valmistuksen seoksissa heksogeenin kanssa. Heksogeenin kanssa kontaktissa olevien polymeerien lisääntynyttä kaasunmuodostusta tutkittiin vakuumistabiliteettilaitteistolla, jossa lisääntynyt kaasunkehitys oli merkki materiaalien yhteensopimattomuudesta.

Tulosten perusteella heksogeenin kanssa yhteensopivia materiaaleja ovat polyakrylaattipohjaiset fotopolymeerit. Tutkimuksessa saatiin selville materiaalipareja, jotka soveltuvat heksogeenin lisäävän valmistuksen pursotushybridimenetelmän jatkokehittämiseen.

Additive manufacturing of energetic materials has been studied since the early 2000s. When preplanning the additive manufacturing process of energetic materials, one must become familiar with the available manufacturing techniques, and their specific features. Also, must be known the sensitivity properties of energetic materials, which affect their handling, transport, and storage safety. In the development of energetic materials, special attention must be paid to the compatibility of contact materials which are used in mixtures and products with explosives. The aim of this thesis was to gain an understanding of the methods of additive manufacturing that could be applied to energetic materials. The experimental part of the thesis investigated the physicochemical compatibility of hexogen (1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) used in military explosives with ultraviolet-curable photopolymers.

The thesis consists of a literature review and an experimental part. The literature review introduces additive manufacturing (AM) techniques. The work provides an overview of explosives used in military explosives and their properties, as well as traditional methods of manufacturing explosives. The literature review presents key terms and definitions related to explosives and presents research into the additive manufacturing of pyrotechnics and explosives. Finally, the methods for testing the physicochemical compatibility of energetic materials used in the experimental part of the work are discussed.

Nine commercially available photopolymers were selected for the experimental part. The materials studied consisted of polymers based on acrylate, isoprene and polysiloxane. The main aim of the thesis was to determine the compatibility of hexogen with these materials for additive manufacturing. The experimental part investigated the suitability of a mixture containing a high hexogen solids content for a hybrid extrusion process, in which the polymer used as a binder is cured by ultraviolet radiation. The materials under study were not suitable for use in additive manufacturing if they did not cure or cured without irradiation. The thermal properties of the materials were also studied. If the polymeric materials generated heat when mixed with hexogen, they were not suitable for use in additive manufacturing blends with hexogen. Increased gas formation of polymers in contact with hexogen was studied with a vacuum stability test (VST) device, in which increased gas evolution was an indication of material incompatibility.

Based on the results, hexogen-compatible materials are acrylate-based photopolymers. The study identified material pairs suitable for the further development of a hybrid extrusion method for hexogen-enhancing production.