CN113248337A - 一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及固体推进剂 - Google Patents

一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及固体推进剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及固体推进剂，该降速剂通过尿素和苯甲醛制备得到，通过醛胺缩合反应形成具有键合效果的席夫碱官能团，有效抑制了尿素的端胺基活性，提高了尿素与NEPE推进剂的相容性；本发明提供的多功能型改性尿素降速剂与尿素常见降速剂相比具有更好降速效果，用量仅为推进剂总质量的千分之五，且可同时降低推进剂的燃速和压强指数，同时并提高推进剂的常温强度和模量，该类降速剂在固体推进剂中有广泛的应用前景。

Description

一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及固体推进剂
技术领域
本发明涉及一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及包含该降速剂的固体推进剂，属于固体推进剂技术领域。
背景技术
为了提高火箭和导弹发动机的续航飞行时间、推力和隐身能力，作为火箭和导弹发动机动力源的推进剂，需在大幅降低其燃速的同时提高其能量水平。
降速剂作为一种重要的功能助剂，可以起到降低推进剂燃速的作用。目前复合固体推进剂的有效降速剂主要有碳酸盐、有机胺(如尿素、草酸铵等)、季铵盐等，但在实际使用过程中都存在问题。碳酸盐在丁羟和高能推进剂中对能量损失较大；有机胺类降速剂在丁羟推进剂中降速效果明显，但在NEPE推进剂中容易影响固化，而季铵盐在丁羟推进剂中影响工艺和力学，同时在NEPE推进剂中不相容。因此需要研制一种新型高效降速剂，满足未来推进剂对高能量、低燃速的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种多功能型改性尿素降速剂、制备方法及固体推进剂，该降速剂通过尿素和苯甲醛制备得到，通过醛胺缩合反应形成具有键合效果的席夫碱官能团，有效抑制了尿素的端胺基活性，提高了尿素与NEPE推进剂的相容性，同时与尿素常见降速剂相比具有更好降速效果，并能提高推进剂的常温强度和模量。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种多功能型改性尿素降速剂，降速剂包含结构式为
Figure BDA0003050273730000021
中的一种或一种以上化合物。
上述一种多功能型改性尿素降速剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在乙醇回流条件下，使摩尔比为1:1～2的尿素和苯甲醛进行反应；
(2)50℃～60℃条件下旋蒸除去乙醇，制备得到多功能型改性尿素降速剂。
一种固体推进剂，其特征在于，包括上述一种多功能型改性尿素降速剂，所述多功能型改性尿素降速剂占所述固体推进剂的质量百分比为0.50％～1.00％。
进一步的，上述一种固体推进剂中，固体推进剂的粘合剂为聚氨酯粘合剂；所述聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
一种固体推进剂，包括如下质量份数的组分：
Figure BDA0003050273730000022
所述功能助剂包括固化催化剂、防老剂和降速剂；所述降速剂为权利要求上述一种多功能型改性尿素降速剂，质量份数为0.5～1.0份。
进一步的，所述聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述增塑剂为癸二酸二辛酯DOS、硝化甘油NG、丁三醇三硝酸酯BTTN、二缩三乙二醇二硝酸酯TEGDN或一缩二乙二醇二硝酸酯DEGDN中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯酯IPDI、甲苯二异氰酸酯酯TDI、1,6-六次甲基二异氰酸酯酯HDI或多官能度异氰酸酯N-100中的一种或一种以上组合；所述硝铵炸药为黑索今RDX、奥克托金HMX或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述固化催化剂为三苯基铋TPB；所述防老剂为N-甲基对硝基苯胺MNA和2-硝基二苯胺2-NDPA的组合。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种多功能型改性尿素降速剂，通过醛胺缩合反应形成具有键合效果的席夫碱官能团，有效抑制了尿素的端胺基活性，降低了尿素对NEPE推进剂固化性能的影响，解决了现有技术中大部分常用降速剂无法在NEPE推进剂体系中应用的问题，适用于以丁羟推进剂和硝酸酯增塑聚醚推进剂为代表的聚氨酯推进剂体系；
(2)本发明对尿素降速剂进行了改性，得到一种多功能型改性尿素降速剂，本发明多功能型改性尿素降速剂的降速效果明显提高，与现有技术中常用降速剂相比，本发明降速剂达到相同降速效果所需用量较少，有助于降低推进剂的能量损失，可同时降低推进剂的燃速和压强指数；
(3)本发明采用多功能型改性尿素降速剂得到的固体推进剂，具有较高的常温强度和模量，获得了优异的力学性能；本发明多功能型改性尿素降速剂在以丁羟推进剂和硝酸酯增塑聚醚推进剂为代表的聚氨酯推进剂体系中有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所得多功能型改性尿素降速剂BRS-1的红外图谱；
图2是本发明实施例2所得多功能型改性尿素降速剂BRS-2的红外图谱。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
一种多功能型改性尿素降速剂，包含结构式为：
Figure BDA0003050273730000041
中的一种或一种以上化合物。
与常见的有机胺类降速剂相比，该降速剂通过醛胺缩合反应形成具有键合效果的席夫碱官能团，有效抑制了尿素的端胺基活性，提高了尿素与NEPE推进剂的相容性，可同时降低推进剂的燃速和压强指数，并提高推进剂的常温强度和模量。
上述一种多功能型改性尿素降速剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在乙醇回流和搅拌的条件下，使摩尔比为1:1～2的尿素和苯甲醛进行反应；
(2)50℃～60℃条件下旋蒸除去乙醇，制备得到多功能型改性尿素降速剂。
具体反应过程为：
Figure BDA0003050273730000042
R-NH2代表尿素。
一种固体推进剂，包括上述一种多功能型改性尿素降速剂，所述多功能型改性尿素降速剂占所述固体推进剂的质量百分比为0.50％～1.00％。
进一步的，固体推进剂的粘合剂为聚氨酯粘合剂；所述聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
一种固体推进剂，包括如下质量份数的组分：
Figure BDA0003050273730000051
所述功能助剂包括固化催化剂、防老剂和降速剂；所述降速剂为上述一种多功能型改性尿素降速剂，质量份数为0.5～1.0份。
进一步的，聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
进一步的，增塑剂为癸二酸二辛酯DOS、硝化甘油NG、丁三醇三硝酸酯BTTN、二缩三乙二醇二硝酸酯TEGDN或一缩二乙二醇二硝酸酯DEGDN中的一种或一种以上组合。
进一步的，固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯酯IPDI、甲苯二异氰酸酯酯TDI、1,6-六次甲基二异氰酸酯酯HDI或多官能度异氰酸酯N-100中的一种或一种以上组合。
进一步的，硝铵炸药为黑索今RDX、奥克托金HMX或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
进一步的，固化催化剂为三苯基铋TPB；所述防老剂为N-甲基对硝基苯胺MNA和2-硝基二苯胺2-NDPA的组合。
实施例1
本实施例提供了多功能型改性尿素降速剂BRS-1，制备方法如下：
将1mol尿素和1mol苯甲醛加入到200ml无水乙醇中混合均匀，50～60℃回流条件下搅拌反应2h～4h，50℃～60℃旋蒸，得到白色固体即BRS-1，红外图谱参见图1，结构式如式(1)所示。
Figure BDA0003050273730000061
实施例2
本实施例提供了多功能型改性尿素降速剂BRS-2，制备方法与实施例1基本相同，原料配比为尿素：苯甲醛＝1:2，红外图谱参见图2，结构式如式(2)所示。
Figure BDA0003050273730000062
实施例3-1、3-2及对比例3-1～3-4
在如表1所示的HTPB推进剂配方中，加入尿素、碳酸钙和实施例1～2提供的降速剂，得到固体推进剂。
表1 HTPB推进剂配方
Figure BDA0003050273730000063
固体推进剂的常温力学、燃速及压强指数测试结果见表2，其中对比例3-1不添加降速剂，其他组分与表1所示HTPB推进剂配方相同。σm为最大抗拉强度，εm为最大延伸率，E为弹性模量，力学测试条件为25℃，100mm/min拉伸速度。
表2不同降速剂的固体推进剂常温力学、燃速及压强指数
Figure BDA0003050273730000071
根据表2的结果可得，实施例1和实施例2制备的多功能型降速剂BRS-1和BRS-2仅加入0.5份就可以获得与加入2份常用减速剂比如尿素和碳酸钙相当的降速效果；本发明多功能降速剂与现有常用季铵盐类降速剂在达到相同降速效果时所需用量区别不大，但季铵盐类降速剂大大影响了推进剂的力学性能；综上，使用本发明降速剂不仅可以减少用量，并且能够保证力学性能。本实施例中具体使用的季铵盐类降速剂为十八烷辛基二甲基溴化铵。
实施例4-1、4-2及对比例4-1～4-3
在如表3所示的GAP推进剂配方中，加入尿素、碳酸钙和实施例1～2提供的降速剂，得到固体推进剂。
表3 GAP推进剂配方
Figure BDA0003050273730000072
固体推进剂的常温力学、燃速及压强指数测试结果见表4，其中对比例4-1不添加降速剂，其他组分与表3所示GAP推进剂配方相同。σm为最大抗拉强度，εm为最大延伸率，E为弹性模量，力学测试条件为20℃，100mm/min拉伸速度。
表4 GAP体系不同降速剂的固体推进剂常温力学、燃速及压强指数
Figure BDA0003050273730000081
根据表4的结果得到的试验规律与前文基本一致，需特别指出的是，季铵盐类降速剂与NEPE类推进剂不相容，所以此处不作对比例，但本发明所得降速剂与NEPE类推进剂相容性较好。
实施例5-1、5-2及对比例5-1～5-3
在如表5所示的PET推进剂配方中，加入尿素、碳酸钙和实施例1～2提供的降速剂，得到固体推进剂。
表5 PET推进剂配方
Figure BDA0003050273730000082
固体推进剂的常温力学、燃速及压强指数测试结果见表6，其中对比例5-1不添加降速剂，其他组分与表5所示PET推进剂配方相同。σm为最大抗拉强度，εm为最大延伸率，E为弹性模量，力学测试条件为20℃，100mm/min拉伸速度。
表6 PET体系不同降速剂的固体推进剂常温力学、燃速及压强指数
Figure BDA0003050273730000091
根据表6的结果得到的试验规律与前文基本一致，季铵盐类降速剂与此类推进剂不同样相容。
实施例6-1、6-2及对比例6-1～6-3
在如表7所示的PEG推进剂配方中，加入尿素、碳酸钙和实施例1～2提供的降速剂，得到固体推进剂。
表7 PEG推进剂配方
Figure BDA0003050273730000092
固体推进剂的常温力学、燃速及压强指数测试结果见表8，其中对比例6-1不添加降速剂，其他组分与表7所示PEG推进剂配方相同。σm为最大抗拉强度，εm为最大延伸率，E为弹性模量，力学测试条件为20℃，100mm/min拉伸速度。
表8 PEG体系不同降速剂的固体推进剂燃速及压强指数
Figure BDA0003050273730000101
由上述实施例可见，在HTPB、GAP、PET和PEG四种聚氨酯推进剂配方中，多功能型改性尿素降速剂的使用效果均优于尿素和常见降速剂，0.5份即可使推进剂燃速和压强指数均降低，达到与现有常用降速剂相当的降速效果，同时提高了推进剂的常温强度和模量，并且适用于NEPE类推进剂，可以作为固体推进剂用降速剂推广使用。本发明实施例所得降速剂中，BRS-2使用效果最佳。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种多功能型改性尿素降速剂，其特征在于，所述降速剂包含结构式为
Figure FDA0003050273720000011
中的一种或一种以上化合物。
2.根据权利要求1所述的一种多功能型改性尿素降速剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在乙醇回流条件下，使摩尔比为1:1～2的尿素和苯甲醛进行反应；
(2)50℃～60℃条件下旋蒸除去乙醇，制备得到多功能型改性尿素降速剂。
3.一种固体推进剂，其特征在于，包括权利要求1或2所述的一种多功能型改性尿素降速剂，所述多功能型改性尿素降速剂占所述固体推进剂的质量百分比为0.50％～1.00％。
4.根据权利要求3所述的一种固体推进剂，其特征在于，所述固体推进剂的粘合剂为聚氨酯粘合剂；所述聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
5.一种固体推进剂，其特征在于，包括如下质量份数的组分：
Figure FDA0003050273720000012
所述功能助剂包括固化催化剂、防老剂和降速剂；所述降速剂为权利要求1或2所述的一种多功能型改性尿素降速剂，质量份数为0.5～1.0份。
6.根据权利要求5所述的一种固体推进剂，其特征在于，所述聚氨酯粘合剂为端羟基聚丁二烯HTPB、聚叠氮缩水甘油醚GAP、环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚PET或聚乙二醇PEG中的一种或一种以上组合。
7.根据权利要求5所述的一种固体推进剂，其特征在于，所述增塑剂为癸二酸二辛酯DOS、硝化甘油NG、丁三醇三硝酸酯BTTN、二缩三乙二醇二硝酸酯TEGDN或一缩二乙二醇二硝酸酯DEGDN中的一种或一种以上组合。
8.根据权利要求5所述的一种固体推进剂，其特征在于，所述固化剂为异佛尔酮二异氰酸酯酯IPDI、甲苯二异氰酸酯酯TDI、1,6-六次甲基二异氰酸酯酯HDI或多官能度异氰酸酯N-100中的一种或一种以上组合；所述硝铵炸药为黑索今RDX、奥克托金HMX或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
9.根据权利要求5所述的一种固体推进剂，其特征在于，所述固化催化剂为三苯基铋TPB；所述防老剂为N-甲基对硝基苯胺MNA和2-硝基二苯胺2-NDPA的组合。
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