[論文レビュー] Composite materials with uncured epoxy matrix exposed in stratosphere during NASA stratospheric balloon flight

Alexey Kondyurin, Irina Kondyurina+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2010

Silicone and Siloxane Chemistry参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2010年4月16日から18日までオーストラリアのアリス・スプリングス上空を飛行したナサの高高度気球ミッションを通じて、未硬化のエポキシ系複合材料を成層圏（40 km高度）に72時間露出させた。極寒（-76 °C）および低気圧（2.1 Torr）の条件下で、宇宙に類似した放射線が未硬化エポキシマトリックスに架橋反応を誘発した。一方、地上の対照試料は重合反応を経験した。飛行後、マトリックスは反応性を保持しており、地球上で完全硬化が可能であった。これは、軌道ミッションにおける宇宙空間での複合材料の硬化が実現可能である可能性を示唆している。

ABSTRACT

A cassette of uncured composite materials with an epoxy resin matrix was exposed in the stratosphere (40 km altitude) over 3 days. Temperature variations of -76...+32.50C and pressure up to 2.1 Torr were recorded during flight. An analysis of the chemical structure of the composites showed, that the polymer matrix exposed in the stratosphere becomes crosslinked, while the ground control materials react by way of polycondensation reaction of epoxy groups. The space irradiations are considered to be responsible for crosslinking of the uncured polymers exposed in the stratosphere. The composites were cured on Earth after landing. Analysis of the cured composites showed, that the polymer matrix remains active under stratospheric conditions. The results can be used for predicting curing processes of polymer composite in a free space environment during an orbital space flight.

研究の動機と目的

• 成層圏環境に類似した条件下における未硬化エポキシ樹脂マトリックスの化学的反応性を調査すること。
• 成層圏における宇宙に類似した放射線および極限環境が、未硬化複合材料における重合反応を誘発するかどうかを特定すること。
• 成層圏環境にさらされた後のエポキシマトリックスの残留反忺性を評価し、宇宙空間内または軌道上での硬化可能性を検討すること。
• 同じエポキシ系材料について、成層圏露出と地上対照条件における硬化機構（架橋反応対重合反応）の違いを比較すること。

提案手法

• 未硬化複合材料を含むカセットを、2010年4月16日から18日までオーストラリアのアリス・スプリングス上空を飛行したナサの成層圏気球ミッションに搭載した。
• 材料は、-76 °Cから+32.5 °Cの温度変動および最大2.1 Torrの低気圧を72時間にわたり経験した。
• 反応経路の同定を目的として、露出試料および地上対照試料の化学的構造分析を分光法を用いて実施した。
• 飛行後、露出試料を地球上で硬化させ、残留反忺性および最終的な架橋密度を評価した。
• 露出試料と対照試料の硬化挙動を比較し、重合反応に及ぼす成層圏放射線の影響を分離した。
• 地上対照試料に同様の効果が認められなかったことから、イオン化放射線（例：宇宙線）が架橋反応を誘発していると推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 成層圏放射線が未硬化エポキシ樹脂マトリックスに架橋反応を誘発するか？
• RQ2 未硬化エポキシ複合材料の硬化機構は、成層圏露出と地上対照条件でどのように異なるか？
• RQ3 極限成層圏環境にさらされた後、エポキシマトリックスがどれほど反応性を保持しているか？
• RQ4 成層圏で観察された化学的変化は、熱的または圧力的要因に起因するものではなく、イオン化放射線に起因するものと特定できるか？
• RQ5 この挙動は、軌道ミッションにおけるポリマー複合材料の宇宙空間内硬化にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 成層圏に露出された未硬化エポキシマトリックスは、化学的構造分析により、放射線誘発架橋反応を経験したことが確認された。
• これに対して、地上対照試料は重合反応を経験しており、成層圏の影響が環境条件に起因するものではないことが示された。
• 成層圏露出後もエポキシマトリックスは十分な反忺性を保持しており、地球に帰還後に完全硬化が可能であった。
• 放射線が存在しない条件下では、成層圏の温度および圧力変動は顕著な化学的変化を引き起こさなかった。
• 結果から、宇宙に類似した放射線が、成層圏条件下における未硬化エポキシ複合材料の架橋反応を主因として駆動していると示唆された。
• これらの発見は、低地球軌道および深宇宙ミッションにおけるポリマー複合材料の宇宙空間内硬化の実現可能性を支持する。