CN105315115A - 以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂及其制备方法 Download PDF

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占明明
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邢瑞英
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李志勇
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张小龙
林蔚
方永红
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Abstract

一种以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂及其制备方法，用于燃气发生器和其它气体发生器及油田压裂。包含粘合剂：8％～30％；增塑剂：0％~10％；固化剂：1%~14.1%；氧化剂：25％～90％；碳酸钙：0％～50％；添加剂：0％～2％；燃烧调节剂：0%～5%。本发明耐热性能好，抗高温性能为在163℃下放置48h内不燃不爆，可以满足深井油田的使用要求;配方组分少，工艺简单易行，生产工艺稳定，质量可靠，配方组分相容性好，可保证长期储存和高温高压下不发生化学作用;原料来源广泛，价格低廉，生产成本低;燃温低，产气量大。

Description

以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体推进剂技术领域，特别是用于燃气发生器和其它气体发生器及油田压裂，以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂配方及其制备方法。
背景技术
20世纪60年代，国外已开展了复合固体推进剂降温剂的研制工作，研制的降温剂主要有草酰胺（OAM）、草酸铵（AO）、二羟基乙二肟（DHG）、草酰二肼（ODH）等。由于OAM、AO及ODH的分解温度都比较低，使制得的推进剂初始分解温度在160℃以下，耐高温性能差，不能满足高温使用要求。
在油田压裂技术领域，国内压裂火药主要为单基、双基发射药和复合推进剂。目前，单基和双基发射药中多采用硝化棉，但由于以硝化棉为主要成分的压裂药受硝化棉本身性能的制约，其长期耐温上限为135℃，远不能满足大多数油井（井温在120℃～160℃）的要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，以实现固体推进剂耐温高、燃温低、工艺好、成本低的目的。
为实现上述发明目的，本发明包含下列质量百分比的组份：
粘合剂：8％～30％；
增塑剂：0％~10％；
固化剂:1%~14.1%；
氧化剂：25％～90％；
降温剂：0％～50％；
添加剂：0％～2％；
燃烧调节剂：0～5%。
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯（HTPB）、端羧基聚丁二烯（CTPB）、环氧丙烷－四氢呋喃的共聚醚（PET）、端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚乙二醇、聚环氧丙烷环氧乙烷共聚醚、聚环氧乙烷或二叠氮基甲基氧杂环丁烷－四氢呋喃共聚醚(PBT)中的一种或一种以上组合。
所述增塑剂为癸二酸二辛酯（DOS）、壬二酸二辛脂（DOZ）、己二酸二辛酯（DOA）、乙酰柠檬酸三乙酯(ATC)、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三辛酯中的一种或其中两种以上的组合。
所述固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,6己二异氰酸酯、二苯基甲烷－4，4′-二异氰酸酯、多异氰酸酯（N100）、三-(2-甲基氮丙啶)氧化膦(MAPO)、HDI三聚体的一种或者以上几种的组合。
所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾中的一种或两种的组合。
所述降温剂为碳酸钙的白色固体，熔点1339℃，分解温度825℃。
所述添加剂为碳黑。
所述燃烧调节剂为五氧化二钒、三氧化二铁、四氧化三铅、四氧化三铁、亚铬酸铜（CC）、卡托辛和正辛基二茂铁中的一种或一种以上组合。
本发明以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂的制备方法如下：
（1）将粘合剂、增塑剂、固化剂、氧化剂、降温剂、添加剂、燃烧调节剂按照所述比例称量；
（2）将称量后的各组份放入立式混合机中混合，混合温度为50℃～70℃，混合时间为45min～100min，制得料浆；
（3）将料浆真空喷淋浇注到模具或发动机中，然后放在50℃～70℃的油浴烘箱中固化5~10天。本发明耐高温型固体推进剂的性能：
燃烧温度：＜1500℃；
残渣含量：＜20％；
压强指数:0.3～0.5；
燃烧速度（7MPa）:2.21～38.65mm/s；
密度：1.50～1.65g/cm3；
最大抗拉强度：（20℃）1.0～1.3MPa；
伸长率：＞20％；
初始分解温度：＞160℃。
本发明的构思是粘合剂种类多，来源广，价格低廉，同时固化后具有良好的耐热性；选用与粘合剂相容性良好的高氯酸铵与高氯酸钾作为氧化剂，使得配方具有良好的氧平衡；选用耐高温的的碳酸钙作为降温剂，使得配方具有较好的耐高温性能，同时具有燃温低、产气量大的特点。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、耐热性能好，抗高温性能为在163℃下放置48h内不燃不爆，可以满足深井油田的使用要求。
2、配方组分少，工艺简单易行，生产工艺稳定，质量可靠，配方组分相容性好，可保证长期储存和高温高压下不发生化学作用。
3、原料来源广泛，价格低廉，生产成本低。
4、燃温低，产气量大。
具体实施方式
本发明的质量百分比组份：
粘合剂：8％～30％；
增塑剂：0％~10％；
固化剂:1%~14.1%；
氧化剂：25％～90％；
降温剂：0％～50％；
添加剂：0％～2％；
燃烧调节剂：0～5%。
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯（HTPB）、端羧基聚丁二烯（CTPB）、环氧丙烷－四氢呋喃的共聚醚（PET）、端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚乙二醇、聚环氧丙烷环氧乙烷共聚醚、聚环氧乙烷或二叠氮基甲基氧杂环丁烷－四氢呋喃共聚醚(PBT)中的一种或一种以上组合。
所述增塑剂为癸二酸二辛酯（DOS）、壬二酸二辛脂（DOZ）、己二酸二辛酯（DOA）、乙酰柠檬酸三乙酯(ATC)、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三辛酯中的一种或其中两种以上的组合。
所述固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,6己二异氰酸酯、二苯基甲烷－4，4′-二异氰酸酯、多异氰酸酯（N100）、三-(2-甲基氮丙啶)氧化膦(MAPO)、HDI三聚体的一种或者以上几种的组合。
所述氧化剂为高氯酸铵（AP）、高氯酸钾（KP）中的一种或两种的组合。
所述降温剂为碳酸钙（CaCO3）的白色固体，熔点1339℃，分解温度825℃。
所述添加剂为碳黑。
所述燃烧调节剂为五氧化二钒、三氧化二铁、四氧化三铅、四氧化三铁、亚铬酸铜（CC）、卡托辛和正辛基二茂铁中的一种或一种以上组合。
本发明以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂的制备方法如下：
（1）将粘合剂、增塑剂、固化剂、氧化剂、降温剂、添加剂、燃烧调节剂按照所述比例称量；
（2）将称量后的各组份放入立式混合机中混合，混合温度为50℃～70℃，混合时间为45min～100min，制得料浆；
（3）将料浆真空喷淋浇注到模具或发动机中，然后放在50℃～70℃的油浴烘箱中固化5~10天。
实施例1
（1）固体推进剂组成：
配方组成 含量（％）
HTPB 8
AP 35
CaCO3 50
DOS 3.9
正辛基二茂铁 2.0
TDI 1
C 0.1
（2）固体推进剂性能：
密度，g/cm3 1.65
特征速度，m/s 1246
燃气平均分子量, g/mol 20.2
发气量，l/kg 1109
燃烧速度（7MPa），mm/s 4.81
压强指数 0.38
燃烧温度,℃ 1460
残渣,% ＜15
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例2
（1）固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
PET 30
AP 45
CaCO3 15
ATC 4.9
卡托辛 2.0
IPDI 3
C 0.1
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.58
特征速度，m/s 1214
燃气平均分子量, g/mol 20.1
发气量，l/kg 1114
燃烧速度（7MPa），mm/s 18.6
压强指数 0.35
燃烧温度,℃ 1240
残渣,% ＜10
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例3
（1）固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
CTPB 14.58
AP 65
CaCO3 15
DOS 2.7
CC及三氧化二铁 1.42
三-(2-甲基氮丙啶)氧化膦 (MAPO) 1.2
C 0.1
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.62
特征速度，m/s 1102
燃气平均分子量, g/mol 19.8
发气量，l/kg 1131
燃烧速度（7MPa），mm/s 20.28
压强指数 0.38
燃烧温度,℃ 1442
残渣,% ＜15
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例4
（1）固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
GAP 9.98
PET 8.2
AP 35
CaCO3 40
DOZ 4
三氧化二铁 2.42
TDI 1.1
C 0.2
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.60
特征速度，m/s 1233
燃气平均分子量, g/mol 19.8
发气量，l/kg 1131
燃烧速度（7MPa），mm/s 12.81
燃烧温度,℃ 1426
残渣,% ＜10
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例5
（1）固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
PBT 13.08
AP 50
CaCO3 30
ATC 4
卡托辛 1.52
IPDI/N100 1.3
C 0.1
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.54
特征速度，m/s 1005
燃气平均分子量, g/mol 20.5
发气量，l/kg 1092
燃烧速度（7MPa），mm/s 14.53
压强指数 0.38
燃烧温度,℃ 1124
残渣,% ＜10
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例6
（1）固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
HTPB 6.58
PBT 8
AP 20
KP 12
CaCO3 45
DOS 5.3
CC 1.42
TDI 1.5
C 0.2
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.55
特征速度，m/s 1102
燃气平均分子量, g/mol 19.8
发气量，l/kg 1131
燃烧速度（7MPa），mm/s 2.21
压强指数 0.31
燃烧温度,℃ 856
残渣,% ＜15
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
实施例7
(1)固体推进剂组成
配方组成 含量（％）
HTPB 8.32
GAP 8
AP 48
CaCO3 30
DOS 2
卡托辛 1.68
TDI/IPDI 1.8
C 0.2
（2）固体推进剂性能
密度，g/cm3 1.59
特征速度，m/s 1231
燃气平均分子量, g/mol 19.9
发气量，l/kg 1125
燃烧速度（7MPa），mm/s 8.51
压强指数 0.31
燃烧温度,℃ 1146
残渣,% ＜15
药浆试用期 ＞5小时
耐高温性 参照WJ9016-94来判断耐热性能和安定性能，（Φ20mm×20mm药柱）163±2℃，48h，不燃不爆不变形
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：包含下列质量百分比的组份：
粘合剂：8％～30％；
增塑剂：0％~10％；
固化剂:1%~14.1%；
氧化剂：25％～90％；
降温剂：0％～50％；
添加剂：0％～2％；
燃烧调节剂：0～5%。
2.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述粘合剂为端羟基聚丁二烯（HTPB）、端羧基聚丁二烯（CTPB）、环氧丙烷－四氢呋喃的共聚醚（PET）、端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚乙二醇、聚环氧丙烷环氧乙烷共聚醚、聚环氧乙烷或二叠氮基甲基氧杂环丁烷－四氢呋喃共聚醚(PBT)中的一种或一种以上组合。
3.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述增塑剂为癸二酸二辛酯（DOS）、壬二酸二辛脂（DOZ）、己二酸二辛酯（DOA）、乙酰柠檬酸三乙酯(ATC)、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三辛酯中的一种或其中两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,6己二异氰酸酯、二苯基甲烷－4，4′-二异氰酸酯、多异氰酸酯（N100）、三-(2-甲基氮丙啶)氧化膦(MAPO)、HDI三聚体的一种或者以上几种的组合。
5.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述氧化剂为高氯酸铵、高氯酸钾中的一种或两种的组合。
6.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述降温剂为碳酸钙的白色固体，熔点1339℃，分解温度825℃。
7.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述添加剂为碳黑。
8.根据权利要求1所述的以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂，其特征在于：所述燃烧调节剂为五氧化二钒、三氧化二铁、四氧化三铅、四氧化三铁、亚铬酸铜（CC）、卡托辛和正辛基二茂铁中的一种或一种以上组合。
9.一种权利要求1所述以碳酸钙为降温剂的耐高温型固体推进剂的制备方法，其特征在于：包括以下工序：
（1）将粘合剂、增塑剂、固化剂、氧化剂、降温剂、添加剂、燃烧调节剂按照所述比例称量；
（2）将称量后的各组份放入立式混合机中混合，混合温度为50℃～70℃，混合时间为45min～100min，制得料浆；
（3）将料浆真空喷淋浇注到模具或发动机中，然后放在50℃～70℃的油浴烘箱中固化5~10天。
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