CN108752151A - 一种安全型民用推进剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种安全型民用推进剂，包括如下按质量百分比计的组份：包覆剂：2％～8％；主氧化剂：40％～60％；辅助氧化剂：0％～25％；燃料：25％～40％；燃烧催化剂：1％～2％；包覆剂包括液体橡胶和油脂。该推进剂的摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ，不含1.1级爆炸物质，危险等级属于1.3级，因为配方中不含金属粉，反应产物不易引燃油气、煤层气，安全可靠；该民用推进剂爆热大于4400J/g，产气量大于2.8mol/100g，能被电引火头、电点火器等民用火工器材点燃，反应生成的气体主要为氮气、二氧化碳和水蒸气，CO与氮氧化物的含量极低，可用于石油、页岩气开采，煤矿压裂。

Description

一种安全型民用推进剂及其制备方法
技术领域
本发明总体地涉及复合推进剂技术领域，具体地涉及一种安全型民用推进剂及其制备方法。
背景技术
压裂技术是指通过炸药爆炸、推进剂爆燃、机械加压等方式，对气体、液体、气液混合泡沫等工质加压，并作用于石油、页岩气等资源储层，使储层产生裂缝，以增加并解堵液态和气态资源渗流通道、沟通不同储层，便于固态矿产资源的后期机械开采，最终达到増产的目的。
常用的压裂方法主要有水力压裂(WPF)、爆炸压裂(EF)和高能气体压裂(HEGF)。水力压力一般能产生一条单一裂缝，且裂缝的长度最长可达千米，设备投入较大，操作也很复杂，效率低下，不适合煤矿每日作业。采用炸药进行爆炸压裂，其安全性较差，较易引燃瓦斯，产生瓦斯爆炸。高能气体压裂技术造缝效果好，但毒气、腐蚀型气体及煤层燃烧等次生灾害风险较高。
专利CN201611258307.7公开了一种烟火型民用推进剂及其组合物，其主要组成成分为3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱、氧化铁和氧化铜、氧化剂催化剂、降温剂和粘结剂，其制造过程中需要将粘结剂用溶剂溶解。
专利CN200980112586.8提供了一种造渣性良好的民用推进剂组合物，民用推进剂成型方法为挤出型或使用压片机压缩成型。
专利JP139964/96提供了一种非叠氮化合物型民用推进剂，基本燃料为三肼基三嗪，含氧酸盐，金属氧化物等。成型方法为粉体成型或挤压成型等。
专利CN103180271A中提供了质量分数分别为60％～70％的硝酸胍、26％～33％的高氯酸钾、2.5％～6％改性剂和0～6％的添加剂组成的民用推进剂。
现有大多数民用推进剂制造方法相对复杂，大部分配方中的粘结剂都需要用溶剂将其溶解，然后进行制药，造粒，烘干，压片的过程；部分采取干混的方式制备粉体状民用推进剂，粉尘较大。
发明内容
本发明解决的问题是：克服了现有技术的不足，提供了一种安全性能、能量性能与产气量均较优的民用推进剂配方及制备工艺。
本发明为了获得综合性能较优的民用推进剂配方，引入了液体粘合剂体系。本发明的技术方案是，一种安全型民用推进剂，包括如下按质量百分比计的组分：包覆剂：2％～8％；主氧化剂：40％～60％；辅助氧化剂：0％～25％；燃料：25％～40％；燃烧催化剂：1％～2％；其中包覆剂包括液体橡胶和油脂。
进一步的，上述液体橡胶选自端羟基聚丁二烯(HTPB)、端羧基聚丁二烯(CTPB)、端羟基聚醚(HTPE)、端羟基聚己内酯(HTCE)、聚乙烯醇、液体聚醚多元醇、液体聚氯酯橡胶中的一种或多种的组合；油脂选自液体石蜡、三乙酸甘油酯(TA)、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)、已二酸二辛酯(DOA)、癸二酸二异辛酯(DOS)中的一种或多种的组合，用于改善粘附性。
进一步的，上述主氧化剂为高氯酸钾(KP)。
进一步的，上述辅助氧化剂为高氯酸胺(AP)和/或硝酸铵(AN)。
进一步的，上述燃料选自偶氮二甲酰胺(ADC)、硝酸胍(GN)、三聚氰胺、二羟基乙二肟(DHG)中的一种或多种的组合。
进一步的，上述燃烧催化剂选自氧化铁(Fe2O3)、二茂铁及其衍生物，氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)中的一种或多种的组合。
进一步的，上述主氧化剂、辅助氧化剂、燃料采用了颗粒级配，粒度范围为5μm～100μm：燃烧催化剂的粒度为小于10μm。
本发明的安全型民用推进剂同时具备以下性能参数：摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ，不含1.1级爆炸物质，危险等级属于1.3级，爆热大于4400J/g，产气量大于2.8mol/100g。
本发明还提供了一种安全型民用推进剂的制备方法，采用如下步骤：
步骤1、按上述所配方比例称量，先将包覆剂、燃料、加入到混合机中混合均匀；
步骤2、将氧化剂分批加入到混合机内混合均匀，制得湿粉状民用推进剂。
本发明研究了硝酸铵(AN)、硝酸胍(GN)等含能化合物的含量对民用推进剂危险等级的影响，当AN、GN等含能化合物的含量超过一定范围时，产气剂配方具有雷管感度，不能通过雷管感度试验，且不能通过隔板试验。
本发明采用液体橡胶和油酯作为包覆剂体系，提供了一种安全性能较好，能量与产气量均较高的民用推进剂配方，该民用推进剂药剂的摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ；不含1.1级爆炸物质，危险等级属于1.3级，配方中不含金属粉，其燃烧产物不易引燃油气、煤层气，安全可靠。
本发明的民用推进剂无需通过造粒压片工艺，生产过程中不易产生粉尘，制成的产气剂湿润状药粉可以直接装填在器具中，该民用推进剂能用于煤矿压裂、石油压裂开采过程，其形成的裂缝较多，压裂效果较好，且有毒有害、腐蚀性气体成分含量很低。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1)该民用推进剂的安全性能较好，摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ；摩擦感度的测试条件为3.92MPa，90°，撞击感度的测试条件为10kg，25cm；
2)该民用推进剂组分中不含1.1级爆炸物质；按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》评定，危险等级属于1.3级；
3)该民用推进剂不含金属粉，其燃烧产物不易引燃油气、煤层，安全可靠；
4)该民用推进剂能被电引火头、电点火器等民用火工器材点燃，且在常温常压下只燃烧不爆轰，只有在密闭的条件下(压力达到0.45MPa以上)，才会由燃烧转爆轰；
5)该民用推进剂产气量大于2.8mol/100g，产生的气体洁净，主要为氮气、二氧化碳和水蒸气，CO与氮氧化物的含量极低；
6)该民用推进剂用无需造粒、压片，生产过程中无粉尘，可以连续化生产。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种安全型民用推进剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：包覆剂：HTPB，2％、DOA，2％；氧化剂：KP，58％；燃料：GN：32％、ADC，5％；燃烧催化剂：CuO，1％，d50＝2μm。
其制备方法如下：
(1)按配方比例称量，然后将HTPB、DOA、GN、ADC加入到立式混合机中进行混合，混合温度50℃，混合时间15min；
(2)将1/2的氧化剂KP，1/2CuO加入到立式混合机内，混合10min，然后得到药粉；
(3)将(2)的药粉与剩余的KP、CuO一同加入到三维运动混合机内混合10min。混合完毕后，出料得到推进剂。
所得推进剂的产气量为2.87mol/100g，爆热为4512J/g；CO的含量为0mol/100g，NO的含量为0.02mol/100g，NO2的含量为0mol/100g。按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》评定，该民用推进剂的危险等级属于1.3级。
实施例2
一种安全型民用推进剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：包覆剂：HTPB，2.5％、TA，2.5％；氧化剂：KP，49％、AN，5％；燃料：DHG，40％；燃烧催化剂：CuO，1％，d50＝2μm。
其制备方法如下：
(1)按配方比例称量；
(2)然后将HTPB、TA、DHG加入到螺杆混合机中1级加料口、AN由2级加料口、KP和CuO由3级加料口加入进行混合；混合20min，得到推进剂。
所得推进剂的产气量为3.06mol/100g；爆热为4486J/g；CO的含量为0mol/100g，NO的含量为0.019mol/100g，NO2的含量为0mol/100g。按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》评定，该民用推进剂的危险等级属于1.3级。
实施例3
一种安全型民用推进剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：包覆剂：HTPB，2％、DOS，2％；氧化剂：KP，45％、AP，2％、AN，13％；燃料：GN：26％、三聚氰胺：9％；燃烧催化剂：Fe2O3，1％，d50＝2.2μm。
其制备方法如下：
(1)按配方比例称量，然后将HTPB、DOS、GN、三聚氰胺加入到立式混合机中进行混合，混合温度50℃，混合时间10min；
(2)将辅助氧化剂AN、AP加入到混合机内，混合10min；
(3)将1/4的主氧化剂KP，1/2Fe2O3加入到混合机内，混合12min；然后得到药粉；
(4)将(3)的药粉与剩余的KP、Fe2O3一同加入到三维运动混合机内混合10min。混合完毕后，出料得到推进剂。
所得推进剂的产气量为2.94mol/100g；爆热为4490J/g；CO的含量为0mol/100g，NO的含量为0.02mol/100g，NO2的含量为0；按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》评定，该民用推进剂的危险等级属于1.3级。
实施例4
一种安全型民用推进剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：包覆剂：HTCE(端羟基聚己内酯)，2.5％、ATBC，3.5％；氧化剂：KP，42％、AP，5％、AN，20％；燃料：GN：25％；燃烧催化剂：CuO，2％，d50＝2μm。
其制备方法如下：
(1)按配方比例称量，然后将HTCE、ATBC、GN、DHG加入到卧式混合机中进行混合，混合温度50℃，混合时间25min；
(2)将辅助氧化剂AN、AP加入到卧式混合机内，混合5min；
(3)将1/2的主氧化剂KP，1/2CuO加入到卧式混合机内，混合10min～15min：
(4)将剩余的KP，剩余的CuO一同加入到卧式混合机内混合15min，混合完毕后，出料得到推进剂。
所得推进剂的产气量为3.23mol/100g；爆热为4450J/g；CO的含量为0mol/100g，NO的含量为0.006mol/100g，NO2含量为0；按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》划分，该民用推进剂的危险等级属于1.3级。
实施例5
一种安全型民用推进剂，其配方组成(按质量百分比计算)如下：包覆剂：HTPE(端羟基聚醚)，3％、ATBC，3％；氧化剂：KP，50％、AN，10％；燃料：GN：32％；燃烧催化剂：ZnO，2％，d50＝2.2μm
其制备方法如下：
(1)按配方比例称量，然后将HTPE、ATBC、GN加入到立式混合机中进行混合，混合温度50℃，混合时间15min；
(2)将辅助氧化剂AN加入到立式混合机内，混合5min，；
(3)将1/4的主氧化剂KP，1/2ZnO加入到立式混合机内，混合10min～15min；然后得到药粉；
(4)将(3)的药粉与剩余的KP，剩余的ZnO一同加入到三维运动混合机内混合15min。混合完毕后，出料得到推进剂。
所得推进剂的产气量为3.0mol/100g；爆热为4729J/g；CO的含量为0.003mol/100g，NO的含量为0.004mol/100g，NO2含量为0.06mol/100g；按照GJB6195-2008《复合固体推进剂危险等级分类方法》评定，该民用推进剂的危险等级属于1.3级。
本发明的民用推进剂的摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ，不含1.1级爆炸物质，危险等级属于1.3级，该推进剂配方不含金属粉，反应产物不易引燃油气、煤层气，安全可靠；该民用推进剂爆热大于4400J/g，产气量大于2.8mol/100g，能被电引火头、电点火器等民用火工器材点燃；反应生成的气体主要为氮气、二氧化碳和水蒸气，CO与氮氧化物的含量极低。本发明的民用推进剂不易产生粉尘，生产、装配、使用过程无粉尘危害，是一种新型安全、环保的民用推进剂，可用于石油、页岩气开采，煤矿压裂中。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种安全型民用推进剂，其特征在于，包括如下质量百分比的组份：
包覆剂：2％～8％；
主氧化剂：40％～60％；
辅助氧化剂：0％～25％；
燃料：25％～40％；
燃烧催化剂：1％～2％；
所述包覆剂包括液体橡胶和油脂。
2.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于，所述液体橡胶选自端羟基聚丁二烯、端羧基聚丁二烯、端羟基聚醚、端羟基聚己内酯、聚乙烯醇、液体聚醚多元醇、液体聚氨酯橡胶中的一种或多种的组合；所述油脂选自液体石蜡、三乙酸甘油酯、乙酰柠檬酸三丁酯、已二酸二辛酯和癸二酸二异辛酯中的一种或多种的组合，所述油脂用于改善粘附性。
3.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述主氧化剂为高氯酸钾。
4.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述辅助氧化剂为高氯酸胺和/或硝酸铵。
5.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述燃料选自硝酸胍、偶氮二甲酰胺、三聚氰胺、二羟基乙二肟中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述燃烧催化剂选自氧化铁、二茂铁及其衍生物、氧化铜、氧化锌中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述主氧化剂、辅助氧化剂与燃料采用了颗粒级配，粒度范围为5μm～100μm；燃烧催化剂的粒度小于10μm。
8.根据权利要求1所述的安全型民用推进剂，其特征在于：所述安全型民用推进剂同时具备以下性能参数：摩擦感度与撞击感度为0，静电火花感度大于120mJ，不含1.1级爆炸物质，危险等级属于1.3级，爆热大于4400J/g，产气量大于2.8mol/100g。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的安全型民用推进剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按上述配方比例称量，先将包覆剂、燃烧催化剂、燃料、加入到混合机中混合均匀；
步骤2、再将氧化剂分批加入到混合机内混合均匀，制得湿粉状民用推进剂。
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