CN106187655B - 一种低燃温高燃速固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：5‑氨基四氮唑31～37％，硝酸锶60～66％，燃速调节剂1～3％，增塑剂0.5～1％。本发明还公开了上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，以5‑氨基四氮唑、硝酸锶为原料，以改性纳米金属氧化物为燃速调节剂进行湿式球磨，脱除溶剂后研磨，经模具压片成型，然后干燥至恒重。本发明大大提高了固体推进剂的燃烧性能，制备工艺简单，易于操作，所得固体推进剂具有低燃温、高燃速、低燃速压力指数、低分解温度，具备良好的热稳定性，并且燃烧产物具有良好的成渣性，效果优于常规的5‑氨基四氮唑类固体推进剂。

Description

一种低燃温高燃速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，尤其涉及一种低燃温高燃速固体推进剂及其制备方法。

背景技术

目前，哈龙灭火剂是使用最广泛的，具备灭火效率高、灭火后不留残留物、低毒性、扩散性能良好等优势。但是其生成的产物卤代烷对臭氧层的破坏性较大，使得哈龙灭火剂的使用受到了限制。《关于消耗臭氧层的蒙特利尔议定书》是对消耗臭氧层的物质进行具体控制的全球性协定，根据该公约，我国已明文规定自2010年1月1日起停止生产各类哈龙灭火剂。《蒙特利尔议定书》及其他保护大气臭氧层的国际公约签订后，世界各国尤其是发达国家积极停止使用耗损臭氧物质，广泛开展针对哈龙替代灭火技术的开发研究。

但是现阶段哈龙替代灭火剂暂时无法与哈龙媲美。如HFC-125若要与哈龙达到同等灭火效果，所需HFC-125的量是哈龙的3倍，同时需要更大的储存容器和更大的驱动压力来驱动灭火剂的释放。

固体推进式灭火技术(Solid Propellant Gas Generator，简称SPGG)作为一种哈龙替代灭火技术，是一种以固态反应物(5-氨基四氮唑和氧化剂)作为固体推进剂，通过有控制的快速反应，瞬间产生大量惰性气体产物，达到扑灭火灾效果的一套灭火装置。固体推进式灭火技术响应速度快、占用空间小、可常压保存、可产生丰富的惰性介质，并且可在100ms内释放灭火介质，以上特性使得SPGG非常适合飞行器材内狭小空间的快速灭火，在飞机隔油干舱、汽车和装甲车辆武器舱等领域中显现了很好的应用前景。

然而，作为SPGG驱动源的固体推进剂一直存在着产物温度过高、燃烧速率不稳定、残渣对设备造成污染等缺点抑制灭火效果，成为了制约SPGG发展的严重障碍。首先，固体推进剂产生的惰性灭火介质存在出口温度高的缺点，导致在灭火装置喷口形成外喷火焰，可能引燃未燃的可燃物，会对被保护空间形成二次危害。显然，在灭火过程中必须采取措施降低固体推进剂的出气温度，但是出气温度过低将造成产气速率减缓，弥散性变差，从而降低灭火效能，甚至不能有效的扑灭火灾。因此，如何控制适当的固体推进剂出口温度成为学者攻克的难点。其次，固体推进剂应用的另外一个难点是燃速的合理控制，具体表现在燃速压力指数的值的大小。燃速过快可能导致固体推进剂在灭火装置的反应器内燃烧不受控，甚至达到爆燃，给被保护空间的人员和设备的使用带来危险；燃速过低又会使得固体推进剂的产气速率大大降低，减缓灭火剂的喷射，削弱灭火效能。目前虽然有一些改善固体推进剂燃烧性能的报道，但是并未能实现在降低燃温的同时，有效提高燃速和增强燃烧稳定性，并且工艺较复杂，对固体推进剂燃烧性能没有大的改善。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明的目的在于提出研发一种燃烧产物温度低、高燃速、低成本和环境友好的固体推进剂，推动其在固体推进式灭火技术中的应用，扩展我国新型哈龙替代灭火技术的研发。

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：5-氨基四氮唑31～37％，硝酸锶60～66％，燃速调节剂1～3％，增塑剂0.5～1％。

优选地，燃速调节剂为改性纳米金属氧化物，其平均粒径小于100nm。

优选地，改性纳米金属氧化物的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米金属氧化物进行球磨分散改性。

优选地，纳米金属氧化物为纳米氧化铜、纳米氧化镍、纳米氧化铁和纳米二氧化钛中的一种。

优选地，增塑剂为双(2-乙基己基)己二酸酯和/或异佛尔酮二异氰酸酯。

优选地，5-氨基四氮唑和硝酸锶的目数均大于等于100目。

其中5-氨基四氮唑的结构式如下：

其分子量为85.07，含氮量为82.3％，燃烧热值为208.7kJ/mol。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将5-氨基四氮唑、硝酸锶、燃速调节剂、无水乙醇加入球磨机中进行球磨，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将增塑剂加入第一物料中混合后进行研磨得到第二物料；

S3、将第二物料进行压制得到固体推进剂药片；

S4、将固体推进剂药片干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

优选地，S1中，球磨机的转速为160～200r/min，球磨时间为18～20h。

优选地，S1中，物料与磨球的比例为1：3～5，物料的装入量为球磨罐容量的1/3～1/5。

优选地，S2的研磨过程中，研棒转速为50～70r/min，研磨时间为3～4h。

优选地，S2的研磨过程中，物料的装入量为研钵容量的1/3～1/5。

优选地，S3的压制过程中，压制压力为2～3MPa，压制时间为2～3min。

优选地，S3的压制过程中，采用铬钢模具。

优选地，S4中，干燥温度为40～60℃。

本发明与现有技术相比的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明所得固体推进剂以改性纳米金属氧化物为燃速调节剂，以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米金属氧化物进行球磨分散改性，在颗粒表面形成空间障碍层，以防止纳米金属氧化物颗粒的团聚现象；该原料生产工艺成熟，简单易得，降低了加工难度；

2、本发明将分散纳米颗粒、机械研磨、压片成型工艺相结合，采用分散纳米颗粒的方法防止燃速调节剂团聚，增大与固体推进剂的接触面积，提高调节效果，并且没有引入有毒的化学物质；分散好的固体推进剂采用湿式球磨的方式进行混合均匀，采用电动研磨的方式减小粒径，既操作简单又大大提高调节剂的性能指标；研磨好的固体推进剂直接在铬钢模具中压片成型，工艺简单，加工周期短，降低了成本；

3、本发明所得固体推进剂燃烧性能优越，在出气口处采样点的燃温为983～1206℃，燃速为41～84mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为0.71～1.01，其效果优于常规的固体推进剂(出气口燃温为1335℃，燃速为26.8mm/s，燃速压力指数为1.34)，可以明显有效地降低出气口处燃温，提高燃速，降低燃速压力指数；

4、本发明对5-氨基四氮唑类固体推进剂存在的燃温高、燃速低、燃烧不稳定三个问题进行了改良，通过引入纳米级燃速调节剂，所得固体推进剂适合用作驱动源驱动释放灭火剂，满足固体推挤式灭火装置对固体推进剂的要求，并且在固体推进剂的贮存过程中不易发生迁移和挥发，使得固体推进剂的加工过程更加安全。

附图说明

图1为本发明实施例3-5所得低燃温高燃速固体推进剂和对比例所得固体推进剂在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线；其中a为对比例所得固体推进剂，b为实施例3所得低燃温高燃速固体推进剂，c为实施例4所得低燃温高燃速固体推进剂，d为实施例5所得低燃温高燃速固体推进剂。

图2为本发明实施例3-5所得低燃温高燃速固体推进剂和对比例所得固体推进剂在不同压力条件下的燃速曲线；其中a为对比例所得固体推进剂，b为实施例3所得低燃温高燃速固体推进剂，c为实施例4所得低燃温高燃速固体推进剂，d为实施例5所得低燃温高燃速固体推进剂。

图3为本发明实施例3-5所得低燃温高燃速固体推进剂和对比例所得固体推进剂在1个大气压下燃烧后的固体残渣的扫面电子显微镜(SEM)的照片；其中a为对比例所得固体推进剂，b为实施例3所得低燃温高燃速固体推进剂，c为实施例4所得低燃温高燃速固体推进剂，d为实施例5所得低燃温高燃速固体推进剂。

图4为本发明实施例6所得低燃温高燃速固体推进剂在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线。

图5为本发明实施例6所得低燃温高燃速固体推进剂在不同压力条件下的燃速曲线。

图6为本发明实施例7所得低燃温高燃速固体推进剂在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线。

图7为本发明实施例7所得低燃温高燃速固体推进剂在不同压力条件下的燃速曲线。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：大于等于100目的5-氨基四氮唑31％，平均粒径小于100nm的改性纳米金属氧化物3％，增塑剂0.5％，余量为大于等于100目的硝酸锶。

改性纳米金属氧化物的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米金属氧化物进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将5-氨基四氮唑、硝酸锶、燃速调节剂、无水乙醇加入球磨机中进行球磨，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将增塑剂加入第一物料中混合后进行研磨得到第二物料；

S3、将第二物料进行压制得到固体推进剂药片；

S4、将固体推进剂药片干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例2

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：大于等于100目的5-氨基四氮唑37％，平均粒径小于100nm的改性纳米金属氧化物1％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯0.5％，余量为大于等于100目的硝酸锶。

改性纳米金属氧化物的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米金属氧化物进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将5-氨基四氮唑、硝酸锶、改性纳米金属氧化物、无水乙醇加入球磨机中球磨20h，球磨机的转速为160r/min，物料与磨球的比例为1：5，物料的装入量为球磨罐容量的1/5，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将增塑剂加入第一物料中混合后研磨3h得到第二物料，研棒转速为70r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为3MPa，压制时间为2min；

S4、将固体推进剂药片60℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例3

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：100目的5-氨基四氮唑35.8％，100目的硝酸锶62.2％，平均粒径小于100nm的改性纳米氧化铁1％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯增塑剂0.5％。

改性纳米氧化铁的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米氧化铁进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将17.9g5-氨基四氮唑、31.1g硝酸锶、0.5g改性纳米氧化铁、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例3所得低燃温高燃速固体推进剂的出气口处的燃温为1202℃，燃速为81.9mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为0.92。

实施例4

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：100目的5-氨基四氮唑35.8％，100目的硝酸锶62.2％，平均粒径小于100nm的改性纳米氧化铜1％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯增塑剂0.5％。

改性纳米氧化铜的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米氧化铜进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将17.9g5-氨基四氮唑、31.1g硝酸锶、0.5g改性纳米氧化铜、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例4所得低燃温高燃速固体推进剂的出气口处的燃温为1027℃，燃速为66.8mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为0.71。

实施例5

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：100目的5-氨基四氮唑35.8％，100目的硝酸锶62.2％，平均粒径小于100nm的改性纳米氧化镍1％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯增塑剂0.5％。

改性纳米氧化镍的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米氧化镍进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将17.9g5-氨基四氮唑、31.1g硝酸锶、0.5g改性纳米氧化镍、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例5所得低燃温高燃速固体推进剂的出气口处的燃温为983℃，燃速为41.3mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为0.78。

实施例6

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：100目的5-氨基四氮唑35.4％，100目的硝酸锶61.6％，平均粒径小于100nm的改性纳米氧化铁2％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯增塑剂0.5％。

改性纳米氧化铁的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米氧化铁进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将17.7g 5-氨基四氮唑、30.8g硝酸锶、1g改性纳米氧化铁、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/5；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例6所得低燃温高燃速固体推进剂的出气口处的燃温为1206℃，燃速为84.4mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为1.01。

实施例7

本发明提出的一种低燃温高燃速固体推进剂，其原料按重量百分比包括：100目的5-氨基四氮唑35.8％，100目的硝酸锶62.2％，平均粒径小于100nm的改性纳米二氧化钛1％，双(2-乙基己基)己二酸酯0.5％，异佛尔酮二异氰酸酯增塑剂0.5％。

改性纳米二氧化钛的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米二氧化钛进行球磨分散改性。

本发明提出的上述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将17.9g5-氨基四氮唑、31.1g硝酸锶、0.5g改性纳米二氧化钛、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

实施例7所得低燃温高燃速固体推进剂的出气口处的燃温为1158℃，燃速为47.1mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为0.92。

对比例

S1、将18.1g100目的5-氨基四氮唑、31.5g100目的硝酸锶、50g无水乙醇加入球磨机中球磨18h，球磨机的转速为180r/min，物料与磨球的比例为1：4，物料的装入量为球磨罐容量的1/3，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将0.25g双(2-乙基己基)己二酸酯和0.25g异佛尔酮二异氰酸酯加入第一物料中混合后研磨4h得到第二物料，研棒转速为60r/min，物料的装入量为研钵容量的1/4；

S3、将第二物料置于铬钢模具中进行压制得到固体推进剂药片，压制压力为2MPa，压制时间为3min；

S4、将固体推进剂药片50℃干燥至恒重得到固体推进剂。

对比例所得固体推进剂的出气口处的燃温为1335℃燃速为26.8mm/s(固体推进式灭火装置阈值压力3.4MPa下)，燃速压力指数为1.34。

将实施例3-5所得低燃温高燃速固体推进剂和对比例所得固体推进剂进行对比，其在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线如图1所示，在不同压力条件下的燃速曲线如图2所示，在1个大气压下燃烧后的固体残渣的扫面电子显微镜(SEM)的照片如图3所示；其中a为对比例所得固体推进剂，b为实施例3所得低燃温高燃速固体推进剂，c为实施例4所得低燃温高燃速固体推进剂，d为实施例5所得低燃温高燃速固体推进剂。

实施例6所得低燃温高燃速固体推进剂在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线如图4所示，在不同压力条件下的燃速曲线如图5所示。

实施例7所得低燃温高燃速固体推进剂在固定采样点处热电偶采集所得的燃温曲线如图6所示，在不同压力条件下的燃速曲线如图7所示。

参照图1、图4和图6，可知本发明相对于现有技术，采用改性纳米金属氧化物作为燃速调节剂，降低了燃温；而参照图2、图5和图7，可知本发明相对于现有技术，采用改性纳米金属氧化物作为燃速调节剂，降低了燃速压力指数；使所得固体推进剂适合用作驱动源驱动释放灭火剂，满足固体推挤式灭火装置对固体推进剂的要求。

参照图3，可知本发明相对于现有技术，采用改性纳米金属氧化物作为燃速调节剂，使燃烧产物具有良好的成渣性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低燃温高燃速固体推进剂，其特征在于，其原料按重量百分比包括：5-氨基四氮唑31～37%，硝酸锶60～66%，燃速调节剂1～3%，增塑剂0.5～1%；

其中，燃速调节剂为改性纳米金属氧化物，其平均粒径小于100nm；

其中，改性纳米金属氧化物的制备方法如下：以石蜡为溶剂，硬脂酸为修饰剂，对纳米金属氧化物进行球磨分散改性。

2.根据权利要求1所述低燃温高燃速固体推进剂，其特征在于，纳米金属氧化物为纳米氧化铜、纳米氧化镍、纳米氧化铁和纳米二氧化钛中的一种。

3.根据权利要求1或2所述低燃温高燃速固体推进剂，其特征在于，增塑剂为双（2-乙基己基）己二酸酯和/或异佛尔酮二异氰酸酯。

4.根据权利要求1或2所述低燃温高燃速固体推进剂，其特征在于，5-氨基四氮唑和硝酸锶的目数均大于等于100目。

5.一种如权利要求1-4任一项所述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将5-氨基四氮唑、硝酸锶、燃速调节剂、无水乙醇加入球磨机中进行球磨，然后真空脱除溶剂得到第一物料；

S2、将增塑剂加入第一物料中混合后进行研磨得到第二物料；

S3、将第二物料进行压制得到固体推进剂药片；

S4、将固体推进剂药片干燥至恒重得到低燃温高燃速固体推进剂。

6.根据权利要求5所述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，其特征在于，S1中，球磨机的转速为160～200r/min，球磨时间为18～20h； S1中，物料与磨球的比例为1：3～5，物料的装入量为球磨罐容量的1/3～1/5。

7.根据权利要求5或6所述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，其特征在于，S2的研磨过程中，研棒转速为50～70r/min，研磨时间为3～4h； S2的研磨过程中，物料的装入量为研钵容量的1/3～1/5。

8.根据权利要求5或6所述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，其特征在于，S3的压制过程中，压制压力为2～3MPa，压制时间为2～3min； S3的压制过程中，采用铬钢模具； S4中，干燥温度为40～60℃。

9.根据权利要求7所述低燃温高燃速固体推进剂的制备方法，其特征在于，S3的压制过程中，压制压力为2～3MPa，压制时间为2～3min； S3的压制过程中，采用铬钢模具； S4中，干燥温度为40～60℃。