CN111054440A - 一种用于固体推进剂的石墨烯-二茂铁复合物及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于固体推进剂的石墨烯‑二茂铁复合物的制备方法，其结构式如I所示。其合成过程包括以下步骤：(1)氧化石墨烯与氨基硅烷反应制备氨基化石墨烯；(2)氨基化石墨烯与二茂铁乙酸反应合成石墨烯‑二茂铁复合物。本方法所合成的石墨烯‑二茂铁复合物对高氯酸铵(AP)热分解具有显著的催化作用，此外可显著提升4‑10MPa下AP‑HTPB(高氯酸铵‑端羟基聚丁二烯)复合推进剂的燃速，并降低压力指数。

Description

一种用于固体推进剂的石墨烯-二茂铁复合物及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯-二茂铁复合物及其合成方法，该化合物可有效促进高氯酸铵(AP)的热分解，并且可显著提升高氯酸铵-端羟基聚丁二烯AP-HTPB复合推进剂的燃速，降低4-10MPa下的压力指数，是一种有效的燃烧催化剂。
背景技术
固体推进剂在战术导弹和火箭中具有广泛的应用，其综合性能直接关系到现代武器装备系统的精确打击、高能毁伤及生存能力。燃烧催化剂是固体推进剂的重要组分，对改善固体推进剂的燃烧性能具有显著作用。以AP-HTPB复合固体推进剂由于众多的优异性能而具有较为广泛的应用，铁系催化剂已被证实对AP的热分解及AP基复合推进剂的燃烧性能具有较好的催化作用。
目前，AP基复合固体推进剂常用二茂铁及其衍生物卡托辛作为燃烧催化剂。虽然两者均可显著提升AP基复合推进剂的燃烧性能，但它们各有其缺陷和不足。二茂铁易于迁移和挥发的特性使得推进剂的燃烧及长储稳定性变差。二茂铁衍生物卡托辛虽可在一定程度上改善了二茂铁易于迁移的特性，但卡托辛的使用会使推进剂的静电感度增加，带来安全性的问题。
鉴于此，亟需寻找安全性优且长储稳定型好的燃烧催化剂以满足实际应用需求。石墨烯-二茂铁复合物可将催化活性物质二茂铁锚定于二维石墨烯表面，有效的改善二茂铁易于迁移的特性。此外，石墨烯材料优异的导电、导热及润滑作用还可有效降低推进剂的静电和机械感度。基于此，本发明设计合成了新型的石墨烯-二茂铁复合物以解决复合推进剂现有催化体系的不足和缺陷，满足固体推进剂的实际应用需求。
发明内容
为了解决复合推进剂现有催化体系的不足和缺陷，本发明提供一种石墨烯-二茂铁复合物及其合成方法。
本发明的石墨烯-二茂铁复合物的结构式如I所示：
Figure BDA0002299409680000021
本发明的石墨烯-二茂铁复合物的合成路线：
Figure BDA0002299409680000022
为实现上述目的，本发明提供的一种石墨烯-二茂铁复合物的合成方法包括以下步骤：
(1)氨基化石墨烯的合成：
将超声分散好的氧化石墨烯乙醇分散液置于三颈烧瓶中，滴加适量N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷乙醇溶液，于回流条件下反应1～6h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到氨基化石墨烯。其中，N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷与氧化石墨烯质量比为5～15:1；
(2)石墨烯-二茂铁复合物的合成
将步骤(1)合成的氨基化石墨烯分散于乙醇中，并与超声分散好的二茂铁乙酸水分散液混合，于50～60℃下反应2～12h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到石墨烯-二茂铁复合物。其中，氨基化石墨烯与二茂铁乙酸的质量比为0.2～1:1，乙醇与水的体积比为2～5:1。
本发明的优点与积极效果：
本发明的石墨烯-二茂铁复合物实现了催化活性金属铁与二维结构石墨烯在分子水平上的组装，合成得到的石墨烯基-二茂铁复合物作为燃烧催化剂时，可有效阻止二茂铁的迁移，此外，石墨烯材料优异的导电、导热和润滑作用，可显著降低推进剂的感度，提升固体推进剂的综合性能。
附图说明
图1与石墨烯-二茂铁复合物混合前后AP的DSC曲线图。
图2复合推进剂中添加本发明石墨烯-二茂铁后的燃速-压力曲线图。
具体实施方式
石墨烯-二茂铁复合物对AP热分解的催化性能采用NETZSCH公司的200F3型差示扫描量热仪表征。
石墨烯-二茂铁复合物的合成
(1)氨基化石墨烯的合成：
将超声分散好的氧化石墨烯乙醇分散液置于三颈烧瓶中，滴加适量N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷乙醇溶液，于回流条件下反应2h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到氨基化石墨烯。其中，N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷与氧化石墨烯质量比为15；
(2)石墨烯-二茂铁复合物的合成
将步骤(1)合成的氨基化石墨烯分散于乙醇中，并与超声分散好的二茂铁乙酸水分散液混合，于55℃下反应6h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到石墨烯-二茂铁复合物。其中，氨基化石墨烯与二茂铁乙酸的质量比为0.5，乙醇与水的体积比为2。
石墨烯-二茂铁复合物对AP热分解的催化性能
如图1所示，石墨烯-二茂铁复合物可显著促进AP的热分解，添加20％的石墨烯-二茂铁复合物后，AP的吸热峰(转晶峰)温无明显变化，但是高温热分解温度有显著降低，表明石墨烯-二茂铁复合物对AP热分解具有优异的催化活性。
石墨烯-二茂铁复合物的应用
实验中采用AP-HTPB复合推进剂样品的基础配方为：氧化剂高氯酸铵(AP)70.5％，黏合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)9.2％，微米铝粉15％，功能助剂5.3％。药料按500g配料。催化剂为外加量，石墨烯-二茂铁复合物为1％，对照组为不含催化剂的空白配方。复合固体推进剂样品采用捏合-浇铸-固化-切成药条的工艺制备。试样的燃速采用水下燃速测试法测得，压强范围4～15MPa。
含石墨烯-二茂铁复合物的复合推进剂的燃速和压力指数如表1和图2所示。其中，u为燃速，p为压力，a为空白对照配方，b为含1％石墨烯-二茂铁复合物的复合推进剂配方。可以看出，本发明所制备的石墨烯-二茂铁复合物可有效提升AP-HTPB复合推进剂的燃速，并使4～10MPa间的压力指数由0.42降低到0.34。
表1含石墨烯-二茂铁复合推进剂的燃速和压力指数
Figure BDA0002299409680000041

Claims (2)

1.一种用于固体推进剂的石墨烯-二茂铁复合物，其特征在于，其结构式如I所示：
Figure FDA0002299409670000011
2.根据权利要求1所述的用于固体推进剂的石墨烯-二茂铁复合物的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)氨基化石墨烯的合成：
将超声分散好的氧化石墨烯乙醇分散液置于三颈烧瓶中，滴加适量N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷乙醇溶液，于回流条件下反应1～6h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到氨基化石墨烯，其中，N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷与氧化石墨烯质量比为5～15:1；
(2)石墨烯-二茂铁复合物的合成
将步骤(1)合成的氨基化石墨烯分散于乙醇中，并与超声分散好的二茂铁乙酸水分散液混合，于50～60℃下反应2～12h，反应结束后冷却至室温，离心收集并用乙醇洗涤得到石墨烯-二茂铁复合物；其中，氨基化石墨烯与二茂铁乙酸的质量比为0.2～1:1，乙醇与水的体积比为2～5:1。
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