CN105367362A - 新高反应焓含能材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新高反应焓含能材料及其制备方法，该材料包含以下质量百分比的组分：含氟组分30％～70％，做氧化剂；含能金属组分或含能金属和含能非金属混合组分70％～30％，做燃料(还原剂)；所述含氟组分为可用普通溶剂溶解的高氟含量聚合物，氟含量＞80％；所述含能金属组分为铝、钛等含能金属单质；含能非金属组分为硼、硅等含能非金属单质。本发明使用可以溶解的含氟聚合物实现了含能材料氧化剂组分和燃料组分的溶液湿法混合，混合分散性好、接触紧密性高，有利于提高所得含能材料的化学反应和化学潜能释放速率，进而提高反应焓；制备工艺简单、加工温度低，可避免加工时引起含能材料热反应和提前激发以实现安全加工。

Description

新高反应焓含能材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及特种能源材料领域，具体涉及一种新高反应焓含能材料及其制备方法。

背景技术

含能材料是指火药、炸药、烟火剂和推进剂等一大类可短时间内释放出巨大能量的一类物质，是军工、国防、航空航天、民用爆破工程所不可缺少的物质基础之一。提高含能材料的反应焓一直是含能材料研究与开发领域研究热点，因为提高反应焓将可极大减少含能材料用量、提高其爆炸威力，也有利于提高飞行器的推重比，从而研发高威力武器、大载重飞行器和微型推力装置。

为此许多新型含能单质化合物被研究出来，如高氮类硝基含能材料，这类材料含有大量的N-N、C-N、N＝N和C＝N键，具有很高的生成焓因而具有巨大的化学潜能；但是此类化合物品类单一，合成难度大，生产成本高。为此世界各国多开发、使用混合含能材料，以弥补单质含能材料不足，并提高含能材料选择性和适应性。其中，以含氟化合物(特别是含氟聚合物)代替含氧化合物做氧化剂、以含能金属替代传统储能物质做燃料组分组成的新型混合含能体系受到大量研究，并在温压弹药、钝感炸药、高威力弹药等领域大量使用。然而，由于普通含氟聚合物的不溶不熔特性，现行含氟聚合物/含能金属含能体系均使用熔融或者机械共混制备，含能金属在含氟聚合物中分散性不好，含氟聚合物与含能金属接触界面小、接触紧密性差，限制了该混合含能体系化学潜能的释放，从而导致反应焓增加并不明显，远较理论值低。因此需要新的含氟聚合物/含能金属配方或者新的加工方式以改善混合均匀性，进而提高反应焓。

发明内容

为解决现有含氟聚合物/含能金属混合含能体系分散性差、能量释放效率低问题，本发明提供了一种新高反应焓含能材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

新高反应焓含能材料，包含以下质量百分比的组分：

含氟组分30％～70％，用作氧化剂组分；含能金属组分或含能金属和含能非金属混合组分70％～30％，用作燃料组分；

所述含氟组分为可用普通溶剂溶解的高氟含量聚合物或者齐聚物，氟含量＞80％；所述含能金属组分为铝、钛单质中的一种或两种的混合物；含能非金属组分为硼、硅单质中的一种或两种的混合物。

所述含氟组分至少含有一种能溶于水或者二甲基甲酰胺(DMF)等普通溶剂的极性基团，极性基团含量为0.1～3.0mmol/g。

优选地，所述能溶于水或者普通溶剂的极性基团为-SO₃H、-COOH、-P₂O₅基及三者相应的碱金属、碱土金属盐类。

优选地，所述普通溶剂为水、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等极性溶剂中的一种。

优选地，所述含能金属和含能非金属组分均为微小粒状，微米或者纳米级大小。

为解决上述问题，本发明还提供了上述新高反应焓含能材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、40℃时，在超声搅拌条件下，将含氟聚合物溶于水中，超声搅拌30～60min，配成5～40％的水溶液；

S2、在真空手套箱内向步骤S1所得的水溶液中加入设定量的含能金属或含能金属与含能非金属的混合物，制成混合体系；在此步骤中持续超声搅拌，搅拌时间40～120min；所述真空手套箱中水含量小于1ppm；氧含量小于1ppm，箱中充满氮气；

S3、将步骤S2所得的混合体系置于真空干燥箱中，流延成膜，在40℃下干燥＞12h，得干燥薄膜，即为新配方含能材料。

本发明具有以下有益效果：

采用溶液湿法混合流延工艺制备，工艺简单，制备方便，无需专用熔融加工设备；整个溶液湿法混合流延工艺温度很低，有利于含能材料的安全制备，避免加工时引起含能材料热反应和提前激发；

使用可以溶解的含氟聚合物做氧化剂，实现了含能材料氧化剂组分和燃料组分的溶液湿法混合，两者混合分散性好、接触紧密性高，有利于提高所得含能材料的化学反应速率和化学潜能的释放速率，进而提高反应焓。

附图说明

图1为本发明实施例所得的新高反应焓含能材料的热测试示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了新高反应焓含能材料，其中一个组分是含氟组分，起氧化剂作用；其他组分是含能金属和/或者含能非金属组分，起燃料组分(还原剂)作用，具体的，包含以下质量百分比的组分：

含氟组分30％～70％；含能金属组分或含能金属和含能非金属混合组分70％～30％；

所述含氟组分为可用普通溶剂溶解的高氟含量聚合物，氟含量为80％；所述含能金属组分为铝(Al)、钛(Ti)单质；含能非金属组分为硼(B)、硅(Si)单质，所述含氟组分至少含有一种能溶于水或者DMF的极性基团，极性基团含量为0.1～3.0mmol/g，所述能溶于水或者DMF的极性基团为-SO₃H、-COOH基及两者相应的碱金属、碱土金属盐类，所述普通溶剂为水、二甲基甲酰胺(DMF)二甲基亚砜(DMSO)中的一种，所述含能金属和含能非金属组分均为粒状，微米或者纳米级大小。

本发明实施例还提供了一种新高反应焓含能材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、40℃时，在超声搅拌条件下，将含氟聚合物溶于水中，超声搅拌30～60min，配成5～40％的水溶液；

S2、在真空手套箱内向步骤S1所得的水溶液中加入设定量的含能金属或含能金属与含能非金属的混合物，制成混合体系；在此步骤中持续超声搅拌，搅拌时间40～120min；所述真空手套箱中水含量小于1ppm；氧含量小于1ppm，箱中充满氮气；

S3、将步骤S2所得的混合体系置于真空干燥箱中，流延成膜，在40℃下干燥＞12h，得干燥薄膜，即为新配方含能材料。

实施例

1)40℃时，在超声搅拌条件下，将所述-COOH基含量为0.6mmol/g的全氟羧酸树脂溶于水中，超声搅拌30min，配成20％的水溶液；2)在真空手套箱内向所述水溶液中加入纳米铝，使全氟羧酸树脂与铝的重量比为7/3制成混合体系；在此步骤中持续超声搅拌，搅拌时间60min；所述真空手套箱中水含量小于1ppm；氧含量小于1ppm，箱中充满氮气；3)将2)中混合体系置入真空干燥箱中，流延成膜，在40℃下干燥＞12h，所得干燥薄膜即为本发明的新配方含能材料。4)在差示扫描量热仪中对3)中薄膜进行量热测试，结果见图1，计算结果为近3.2kJ/g，远大于报道的物理共混聚四氟乙烯/Al体系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.新高反应焓含能材料，其特征在于，包含以下质量百分比的组分：

含氟组分30％～70％；含能金属组分或含能金属和含能非金属混合组分70％～30％；

所述含氟组分为可用普通溶剂溶解的高氟含量聚合物或者齐聚物，氟含量＞80％；所述含能金属组分为铝、钛单质中的一种或两种的混合物；含能非金属组分为硼、硅单质中的一种或两种的混合物。

2.如权利要求1所述的新高反应焓含能材料，其特征在于，所述含氟组分至少含有一种能溶于水或者二甲基甲酰胺(DMF)等普通溶剂的极性基团，极性基团含量为0.1～3.0mmol/g。

3.如权利要求2所述的新高反应焓含能材料，其特征在于，所述能溶于水或者普通溶剂的极性基团为-SO₃H、-COOH、-P₂O₅基及三者相应的碱金属、碱土金属盐类。

4.如权利要求1所述的新高反应焓含能材料，其特征在于，所述普通溶剂为水、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等极性溶剂中的一种。

5.如权利要求1所述的新高反应焓含能材料，其特征在于，所述含能金属和含能非金属组分均为微小粒状，微米或者纳米级大小。

6.如权利要求1所述的新高反应焓含能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、40℃时，在超声搅拌条件下，将含氟聚合物溶于水中，超声搅拌30～60min，配成5～40％的水溶液；

S2、在真空手套箱内向步骤S1所得的水溶液中加入设定量的含能金属或含能金属与含能非金属的混合物，制成混合体系；在此步骤中持续超声搅拌，搅拌时间40～120min；所述真空手套箱中水含量小于1ppm；氧含量小于1ppm，箱中充满氮气；

S3、将步骤S2所得的混合体系置于真空干燥箱中，流延成膜，在40℃下干燥＞12h，得干燥薄膜，即为新配方含能材料。