CN108147934A - 一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法，属于复合固体推进剂技术领域。该推进剂包含如下质量配比的组分：氧化剂：55％～70％；热塑性弹性体粘合剂：10％～20％；增塑剂：10％～20％；金属燃料：5％～20％；助剂：3％～8％。本发明制备的低熔点热塑性固体推进剂可以在较低温度(<95℃)下实现热塑性推进剂的熔融混合及成型，极大提高了热塑性推进剂制备的过程安全性，相比于热固性推进剂，省去固化交联的工序，缩短了工艺流程，提高了生产效率，降低了生产的成本，可以实现废旧产品的重复加工。

Description

一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法，属于复合固体推进剂技术领域，所述的低熔点是指推进剂的熔点低于95℃。
背景技术
目前广泛使用的复合固体推进剂都是热固性推进剂，这类推进剂虽然具有较高的能量以及成熟的生产工艺，但是生产的废品以及过期产品的处理只能通过燃烧进行，这就造成了极大的浪费，同时也推高了推进剂的生产成本。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种低熔点热塑性固体推进剂，该固体推进剂包括氧化剂、热塑性粘合剂、增塑剂、金属燃料和助剂；
以固体推进剂的总质量为100％计算，固体推进剂中的各组分的质量百分含量为：
氧化剂：55％～70％
热塑性粘合剂：10％～20％
增塑剂：10％～20％
金属燃料：5％～20％
助剂：3％～8％。
优选含量为：
氧化剂：60％～65％，
热塑性粘合剂：10％～15％，
增塑剂：10％～15％
金属燃料：10％～15％
助剂：3％～5％。
所述的氧化剂为硝酸铵、高氯酸铵、二硝酰氨铵、黑索今、奥克托今中的一种或两种以上的混合物；所述的金属燃料为铝粉、镁粉、硼粉中的一种或两种以上的混合物；所述的热塑性粘合剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物。
所述的增塑剂为癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯的混合物。
以增塑剂的总质量为100％计算，癸二酸二辛酯的质量含量为25％～75％，液体聚丁二烯的质量含量为25％～75％。
所述的增塑剂的制备方法为：将癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合，然后进行减压加热旋转蒸馏处理，得到增塑剂；
所述的癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合时，采用水浴锅进行温度控制，温度为20～30℃，采用机械搅拌的方式使两者混合均匀，搅拌速度为20～100rpm，搅拌时间为30～60min；
所述的减压加热旋转蒸馏处理的条件为：真空度为-0.1～0MPa，温度为70～90℃，旋蒸转速：20～100rpm，时间为30～60min。
所述的液体聚丁二烯为数均分子量900～1100的液体聚丁二烯、数均分子量1400～1700的液体聚丁二烯、数均分子量1800～2400的液体聚丁二烯中的一种或两种以上的混合物。
所述的助剂为卵磷脂、三[1,-(2-甲基氮丙啶)]氧化膦、醇胺络合物、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、N,N-二苯基对苯二胺、炭黑、氧化铁、辛基二茂铁中的一种或两种以上的混合物。
一种低熔点热塑性固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)对热塑性粘合剂进行加热；
(2)将氧化剂、增塑剂、金属燃料和助剂加入到步骤(1)加热后的热塑性粘合剂中，继续加热并搅拌，制得料浆；
(3)将步骤(2)得到的料浆进行浇注，然后静置成型，得到低熔点热塑性固体推进剂。
所述的步骤(1)中，加热温度为85～90℃；所述的步骤(2)中，加热温度为85～90℃，搅拌时间为60～110min；所述的步骤(3)中，进行浇注时采用真空喷淋浇注到模具中或浇注到发动机中，然后置于室温下凝固成型。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)使用复合增塑剂，实现了大分子增塑剂和小分子增塑剂的优势互补，有利于提高低熔点热塑性推进剂的力学及工艺性能，降低热塑性推进剂的熔融温度；
(2)制备复合增塑剂所用的原材料均已实现国产化，技术成熟度高，价格低廉，质量一致性好，复合增塑剂的制备工艺简单，重复性好，易于实现工业化生产。
(3)实现了热塑性固体推进剂在较低温度下的混合及成型，提高了热塑性固体推进剂生产过程的本质安全性。
(4)以热塑性弹性体为粘合剂的热塑性推进剂(“绿色”固体推进剂)具有优异的机械性能和可重复加工的性能，可以实现推进剂生产的连续化以及零废品率，从而提高推进剂的生产效率，降低推进剂生产的成本；低熔点热塑性固体推进剂相对于热固性推进剂无需固化，没有浇注“适用期”限制，可以很大程度上缩短工艺流程，降低工艺成本，相对于传统热塑性推进剂具有较低的混合温度，可以提高生产过程的本质安全性；
(5)本发明提供一种适用于固体助推器的低熔点热塑性固体推进剂及其制备方法，包含如下质量配比的组分：氧化剂：55～70％；热塑性弹性体粘合剂：10～20％；增塑剂：10～20％；金属燃料：5～20％；助剂：3～8％。本发明制备的低熔点热塑性固体推进剂可以在较低温度(<95℃)下实现热塑性推进剂的熔融混合及成型，极大提高了热塑性推进剂制备的过程安全性，相比于热固性推进剂，省去固化交联的工序，缩短了工艺流程，提高了生产效率，降低了生产的成本，可以实现废旧产品的重复加工。
具体实施方式
一种低熔点热塑性固体推进剂，该固体推进剂包括氧化剂、热塑性粘合剂、增塑剂、金属燃料和助剂，以固体推进剂的总质量为100％计算，固体推进剂中的各组分的质量百分含量为：
氧化剂：55％～70％
热塑性粘合剂：10％～20％
增塑剂：10％～20％
金属燃料：5％～20％
助剂：3％～8％。
所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，包括下列优选组分和质量百分比含量：
氧化剂：60％～65％，
热塑性粘合剂：10％～15％，
增塑剂：10％～15％
金属燃料：10％～15％
助剂：3％～5％。
所述的氧化剂为硝酸铵、高氯酸铵、二硝酰氨铵、黑索今、奥克托今中的一种或两种以上的混合物；
所述的热塑性粘合剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物，牌号EVA420，熔点：73～78℃；
所述的增塑剂为癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯的混合物，以增塑剂的总质量为100％计算，癸二酸二辛酯的质量含量为25％～75％，液体聚丁二烯的质量含量为25％～75％；
所述的液体聚丁二烯为数均分子量900～1100的液体聚丁二烯、数均分子量1400～1700的液体聚丁二烯、数均分子量1800～2400的液体聚丁二烯中的一种或两种以上的混合物；
所述的金属燃料为铝粉、镁粉、硼粉中的一种或两种以上的混合物；
所述的助剂为卵磷脂、三[1,-(2-甲基氮丙啶)]氧化膦、醇胺络合物、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、N,N-二苯基对苯二胺、炭黑、氧化铁、辛基二茂铁中的一种或两种以上的混合物。
一种低熔点热塑性固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)制备增塑剂：将癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合，然后进行减压加热旋转蒸馏处理，得到增塑剂；
所述的癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合时，采用水浴锅进行温度控制，温度为20～30℃，采用机械搅拌的方式使两者混合均匀，搅拌速度为20～100rpm，搅拌时间为30～60min；
所述的减压加热旋转蒸馏处理的条件为：真空度为-0.1～0MPa，温度为70～90℃，旋蒸转速：20～100rpm，时间为30～60min；
(2)将氧化剂、增塑剂、金属燃料、助剂按照所述比例称量；
(3)将热塑性粘合剂放入立式混合机中加热熔融，混合温度为85～90℃；
(4)将称量后的其余组分放入立式混合机中混合，混合温度为85～90℃，混合时间为60～110min，制得料浆；
(5)将料浆真空喷淋浇注到模具中或浇注到发动机中，然后置于室温下凝固成型。
除有说明外，本发明中采用的比例为质量配比。
对得到的推进剂进行密度、熔点、力学、燃速压强指数、能量性能(燃温、特征速度、比冲)的测试，测试结果表明制备的低熔点热塑性固体推进剂具备良好的力学性能，低的熔点，低的燃速压强指数。
密度：按照QJ917A-97复合固体推进剂及衬层、绝热材料的密度测定方法；
熔点：按照Q/G 4A-2002复合固体推进剂热分解温度测试方法进行测试；
力学、能量性能：按照GJB 770B-2005火药试验方法进行测试；
燃速压强指数：按照GJB96A-2001标准试验发动机型式和尺寸，GJB97A-2001标准试验发动机技术要求和数据处理；
燃气平均分子量：按照Q/Gt60-95复合固体推进剂热力性能计算最小自由能法及程序计算获得。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明不仅限于实施例。
实施例1
(1)复合增塑剂及低熔点热塑性固体推进剂的制备及组成
复合增塑剂的制备：按质量比癸二酸二辛酯：液体聚丁二烯(数均分子量900～1100)＝1:0.8称量，放入容器中，容器放入水浴锅中，进行机械搅拌，水浴温度27℃，旋蒸转速45rpm，搅拌时间40min，将混合后的增塑剂密封于旋蒸瓶中，采用真空泵将旋蒸瓶减压至-0.1MPa，加热温度至70℃，旋蒸转速为65rpm，旋蒸时间30min，获得复合增塑剂A。
低熔点热塑性固体推进剂的制备：将氧化剂、粘合剂、复合增塑剂A、金属燃料、助剂按照所述比例称量；将粘合剂放入立式混合机中加热熔融，混合温度为85～90℃；将称量后的其余组分放入立式混合机中混合，混合温度为85～90℃，混合时间为60～110min，制得料浆；将料浆真空喷淋浇注到模具中或浇注到发动机中，然后置于室温下凝固成型。
低熔点热塑性固体推进剂的组成(质量百分比)：EVA420(11％)、复合增塑剂A(11％)、高氯酸铵(60％)、黑索今(5％)、铝粉(10％)、卵磷脂(0.3％)、三[1,-(2-甲基氮丙啶)]氧化膦(0.5％)、硅烷偶联剂(0.9％)、N,N-二苯基对苯二胺(0.4％)、炭黑(0.5％)、氧化铁(0.4％)
(2)低熔点热塑性固体推进剂性能
密度：1.61g/cm3；燃温：2033.2℃；特征速度：1531.73m/s；比冲：2337.21N*s/kg；燃气平均分子量：22.13g/mol；熔点：79～81℃；力学性能(25℃)：σm：0.52MPa；εm：27.3％；εb：31.1％；压强指数n(3MPa～9MPa)：0.36。
实施例2
(1)复合增塑剂及低熔点热塑性固体推进剂的制备及组成
复合增塑剂的制备：按质量比癸二酸二辛酯：液体聚丁二烯(数均分子量1400～1700)＝0.7:1称量，放入容器中，容器放入水浴锅中，进行机械搅拌，水浴温度22℃，旋蒸转速60rpm，搅拌时间35min，将混合后的增塑剂密封于旋蒸瓶中，采用真空泵将旋蒸瓶减压至-0.06MPa，加热温度至85℃，旋蒸转速为40rpm，旋蒸时间35min，获得复合增塑剂B。
低熔点热塑性固体推进剂的制备同实施例1。
低熔点热塑性固体推进剂的组成(质量百分比)：EVA420(10％)、复合增塑剂B(10％)、高氯酸铵(54％)、二硝酰氨铵(8％)、铝粉(12％)、镁粉(3％)卵磷脂(0.4％)、醇胺络合物(0.6％)、铝酸酯偶联剂(0.8％)、N,N-二苯基对苯二胺(0.4％)、炭黑(0.4％)、辛基二茂铁(0.4％)
(2)低熔点热塑性固体推进剂性能
密度：1.68g/cm3；燃温：2633.71℃；特征速度：1544.12m/s；比冲：2471.33N*s/kg；燃气平均分子量：23.92g/mol；熔点：80～82℃；力学性能(25℃)：σm：0.55MPa；εm：22.3％；εb：27.2％；压强指数n(3MPa～9MPa)：0.40。
实施例3
(1)复合增塑剂及低熔点热塑性固体推进剂的制备及组成
复合增塑剂的制备：按质量比癸二酸二辛酯：液体聚丁二烯(数均分子量1800～2400)＝1:1称量，放入容器中，容器放入水浴锅中，进行机械搅拌，水浴温度28℃，旋蒸转速60rpm，搅拌时间45min，将混合后的增塑剂密封于旋蒸瓶中，采用真空泵将旋蒸瓶减压至-0.02MPa，加热温度至85℃，旋蒸转速为70rpm，旋蒸时间45min，获得复合增塑剂C。
低熔点热塑性固体推进剂的制备同实施例1。
低熔点热塑性固体推进剂的组成(质量百分比)：EVA420(11％)、复合增塑剂C(11.5％)、高氯酸铵(57％)、奥克托今(4％)、铝粉(9％)、硼粉(4％)卵磷脂(0.5％)、硅烷偶联剂(1.0％)、N,N-二苯基对苯二胺(0.5％)、炭黑(0.5％)、氧化铁(0.6％)、辛基二茂铁(0.4％)
(2)低熔点热塑性固体推进剂性能
密度：1.59g/cm3；燃温：2071.42℃；特征速度：1433.22m/s；比冲：2373.24N*s/kg；燃气平均分子量：23.11g/mol；熔点：80～82℃；力学性能(25℃)：σm：0.53MPa；εm：21.1％；εb：24.3％；压强指数n(3MPa～9MPa)：0.37。
实施例4
(1)复合增塑剂及低熔点热塑性固体推进剂的制备及组成
复合增塑剂的制备：按质量比癸二酸二辛酯：液体聚丁二烯(数均分子量900～1100)＝1:1称量，放入容器中，容器放入水浴锅中，进行机械搅拌，水浴温度25℃，旋蒸转速60rpm，搅拌时间40min，将混合后的增塑剂密封于旋蒸瓶中，采用真空泵将旋蒸瓶减压至-0.06MPa，加热温度至75℃，旋蒸转速为55rpm，旋蒸时间40min，获得复合增塑剂D。
低熔点热塑性固体推进剂的制备同实施例1。
低熔点热塑性固体推进剂的组成(质量百分比)：EVA420(10.5％)、复合增塑剂D(11.5％)、硝酸铵(58％)、铝粉(15％)、卵磷脂(1.0％)、醇胺络合物(0.8％)、铝酸酯偶联剂(1.2％)、N,N-二苯基对苯二胺(0.6％)、炭黑(0.7％)、氧化铁(0.7％)。
(2)低熔点热塑性固体推进剂性能
密度：1.48g/cm3；燃温：1577.22℃；特征速度：1368.49m/s；比冲：2192.24N*s/kg；燃气平均分子量：20.12g/mol；熔点：82～84℃；力学性能(25℃)：m：0.52MPa；m：22.3％；b：25.7％；压强指数n(3MPa～9MPa)：0.45。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：该固体推进剂包括氧化剂、热塑性粘合剂、增塑剂、金属燃料和助剂；
以固体推进剂的总质量为100％计算，固体推进剂中的各组分的质量百分含量为：
氧化剂：55％～70％
热塑性粘合剂：10％～20％
增塑剂：10％～20％
金属燃料：5％～20％
助剂：3％～8％。
2.根据权利要求1所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：以固体推进剂的总质量为100％计算，固体推进剂中的各组分的质量百分含量为：
氧化剂：60％～65％
热塑性粘合剂：10％～15％
增塑剂：10％～15％
金属燃料：10％～15％
助剂：3％～5％。
3.根据权利要求1或2所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：所述的氧化剂为硝酸铵、高氯酸铵、二硝酰氨铵、黑索今、奥克托今中的一种或两种以上的混合物；所述的金属燃料为铝粉、镁粉、硼粉中的一种或两种以上的混合物；所述的热塑性粘合剂为乙烯-醋酸乙烯共聚物。
4.根据权利要求1或2所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：所述的增塑剂为癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：以增塑剂的总质量为100％计算，癸二酸二辛酯的质量含量为25％～75％，液体聚丁二烯的质量含量为25％～75％。
6.根据权利要求4所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：所述的增塑剂的制备方法为：将癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合，然后进行减压加热旋转蒸馏处理，得到增塑剂；
所述的癸二酸二辛酯和液体聚丁二烯进行混合时，采用水浴锅进行温度控制，温度为20～30℃，采用机械搅拌的方式使两者混合均匀，搅拌速度为20～100rpm，搅拌时间为30～60min；
所述的减压加热旋转蒸馏处理的条件为：真空度为-0.1～0MPa，温度为70～90℃，旋蒸转速：20～100rpm，时间为30～60min。
7.根据权利要求4所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：所述的液体聚丁二烯为数均分子量900～1100的液体聚丁二烯、数均分子量1400～1700的液体聚丁二烯、数均分子量1800～2400的液体聚丁二烯中的一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求1或2所述的一种低熔点热塑性固体推进剂，其特征在于：所述的助剂为卵磷脂、三[1,-(2-甲基氮丙啶)]氧化膦、醇胺络合物、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、N,N-二苯基对苯二胺、炭黑、氧化铁、辛基二茂铁中的一种或两种以上的混合物。
9.一种低熔点热塑性固体推进剂的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)对热塑性粘合剂进行加热；
(2)将氧化剂、增塑剂、金属燃料和助剂加入到步骤(1)加热后的热塑性粘合剂中，继续加热并搅拌，制得料浆；
(3)将步骤(2)得到的料浆进行浇注，然后静置成型，得到低熔点热塑性固体推进剂。
10.根据权利要求9所述的一种低熔点热塑性固体推进剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，加热温度为85～90℃；所述的步骤(2)中，加热温度为85～90℃，搅拌时间为60～110min；所述的步骤(3)中，进行浇注时采用真空喷淋浇注到模具中或浇注到发动机中，然后置于室温下凝固成型。
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