CN113302171B - 蒸气毒性降低的肼组合物 - Google Patents

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Abstract

含肼组合物是液体混合物，其包括5摩尔%至95摩尔%的选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼；和5摩尔%至90摩尔%的选自以下的至少一种含氧溶质或含氧溶剂：缩醛、乙酰基化合物、具有两个或更多个碳原子的烷氧基胺、醛、酰胺、酰胺且尤其羧酰胺、氨基醇、卡巴肼、氨基脲、包含对数解离常数小于9.2的阳离子的含碳硝酸盐、羟烷基硝基化合物、羟烷基肼、碳酸盐、羧酸和羧酸酐、酯、醚、缩酮、酮、质量分数为31%或更高的一元醇和多元醇、硝酸酯、亚硝胺、糖、及其组合。未质子化的肼具有第一蒸气压，且含氧溶剂具有小于第一蒸气压的第二蒸气压。

Description

蒸气毒性降低的肼组合物
背景
肼用作火箭推进剂和工业溶剂。然而，肼通常具有高蒸气毒性，并因此出于安全目的必须警惕处理。已经将肼与添加剂组合以改变诸如凝固点、胶凝或推进性能之类的性质。虽然已经成功改变了某些性质，但是用以降低蒸气毒性而不显著损害(debiting)合意的功能特性(例如催化性能和溶剂强度)的努力大都已失败。
概述
根据本公开的实例的含肼组合物包括液体混合物，其具有5摩尔%至95摩尔%的选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼，该未质子化的肼具有第一蒸气压；以及5摩尔%至90摩尔%的至少一种含氧溶质或含氧溶剂，其具有小于第一蒸气压的第二蒸气压。至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自缩醛、乙酰基化合物(acetyls)、具有两个或更多个碳原子的烷氧基胺(alcoxyamine)、醛、酰胺、氨基醇、卡巴肼、氨基脲、包括对数解离常数大于9.2的阳离子的含碳硝酸盐、羟烷基硝基化合物、羟烷基肼、碳酸盐、羧酸和羧酸酐、酯、醚、缩酮、酮、质量分数为31%或更高的一元醇和多元醇、硝酸酯、亚硝胺、糖、及其组合。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼（carbohydrazide nitrate）、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼（ethylenedihydrazine nitrate）、羟乙基肼、硝酸羟乙基
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、双(2-羟乙基)肼、双(2-羟乙基)硝酸
Figure 383450DEST_PATH_IMAGE002
、及其组合。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括至多98摩尔%水。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 877754DEST_PATH_IMAGE002
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸乙基铵、硝酸羟乙基
Figure 188649DEST_PATH_IMAGE002
、及其组合。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括至多98摩尔%的水。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，在液体混合物中包括选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 131329DEST_PATH_IMAGE002
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，至少一种含氧溶质或含氧溶剂是硝酸乙基铵。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，至少一种含氧溶质或含氧溶剂是硝酸羟乙基
Figure 476860DEST_PATH_IMAGE002
。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括至多98摩尔%的水。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，在液体混合物中包括氧化剂。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，氧化剂选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 96060DEST_PATH_IMAGE002
、硝酸羟基铵、及其组合。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，氧化剂是硝酸
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、羟乙基肼、硝酸羟乙基
Figure 412028DEST_PATH_IMAGE003
、双(2-羟乙基)肼、双(2-羟乙基)硝酸
Figure 610928DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括至多98摩尔%的水。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物具有1.1 g/cm3至1.5 g/cm3的密度。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，第二蒸气压比第一蒸气压低至少50%。
根据本公开的实例的含肼组合物包括液体混合物，该液体混合物包括水；选自二硝酰胺铵、硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 279807DEST_PATH_IMAGE003
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂；选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼；以及选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、羟乙基肼、硝酸羟乙基
Figure 804329DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合的至少一种含氧溶质或含氧溶剂。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，液体混合物包括20摩尔%至80摩尔%的未质子化的肼、10摩尔%至80摩尔%的含氧溶质或含氧溶剂、0摩尔%至20摩尔%的氧化剂和0摩尔%至20摩尔%的水。
在前述实施方案中的任何种的进一步实施方案中，氧化剂是硝酸
Figure 558658DEST_PATH_IMAGE003
，且至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸乙基铵和硝酸羟乙基
Figure 92408DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合。
详述
本文公开的是低蒸气毒性液体肼组合物，其作为火箭推进剂和工业溶剂维持良好的性能。先前已将添加剂与肼组合使用。然而，此类添加剂尚未有效地将肼的蒸气毒性减小至对于人类暴露而言安全而同时不破坏肼的合意性质的水平。例如，此类添加剂经常使得混合物太稀或太粘稠，使化学活性降低至无效的水平，或者使储存寿命降低至不可接受的水平。
然而，现已意料不到地发现，某些含氧溶质和含氧溶剂有效地降低肼的蒸气毒性，同时维持肼的使得其对于用作火箭推进剂或工业溶剂是有吸引力的功能方面。例如，可将与肼形成共沸混合物和/或假共沸(pseudoazeotropic)混合物并且具有比肼低的蒸气压的含氧强溶质和含强氧溶剂与肼混合，以有效地降低蒸气毒性，同时维持功能。
该含肼组合物是液体混合物并包括5摩尔%至90摩尔%的选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的肼；和5摩尔%至95摩尔%的选自以下的至少一种含氧溶质或含氧溶剂：缩醛、乙酰基化合物、具有两个或更多个碳原子的烷氧基胺、醛、酰胺且尤其羧酰胺、氨基醇、卡巴肼和氨基脲、包含对数解离常数大于9.2的阳离子的含碳硝酸盐、羟烷基硝基化合物、羟烷基肼、碳酸盐、羧酸和羧酸酐、酯、醚、缩酮、酮、质量分数为31%或更高的一元醇和多元醇、硝酸酯、亚硝胺、糖、及其组合。
未质子化的肼具有第一蒸气压，且含氧溶质或含氧溶剂具有比第一蒸气压低的第二蒸气压。蒸气压通常以25°C的参考温度下的毫米汞柱的单位表示，但是可使用任何等同单位。较低蒸气压的溶质或溶剂是优选的，因为所得的肼蒸气压和蒸气毒性的降低将通常更大。例如，其中第二蒸气压比第一蒸气压低90%的液体混合物将比其中第二蒸气压比第一蒸气压低30%的相等摩尔比例的肼和溶质或溶剂的液体混合物更多地减少肼蒸气毒性，其中比较单位是25°C的参考温度下的毫米汞柱。在一种实例中，第二蒸气压比第一蒸气压低至少50%。
未质子化的肼在液体混合物中是基本上未质子化的。例如，含氧溶质或含氧溶剂是非酸性的或具有碱性pH，以便使肼的质子化达到最小。进而，肼的未质子化用于保存肼的催化活性和化学活性，而不像其它酸性更强的添加剂那样改变这些活性。
适合在本发明的液体混合物中使用的示例性溶质和溶剂如下所列举：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
液体混合物还优选具有相对高的密度，这对于良好的密度-比冲性能是合意的。作为实例，液体混合物具有至少1.1 g/cm3、且最优选大于1.25 g/cm3的优选密度。在一种实例中，液体混合物具有1.1 g/cm3至1.5 g/cm3的密度。
在进一步的实例中，含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、羟乙基肼、硝酸羟乙基
Figure 615793DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合。
以上实例的液体混合物还可含有额外的添加剂，例如其它的溶质或溶剂和/或氧化剂。例如，液体混合物包括至多98摩尔%的水。在另一种实例中，液体混合物包括选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂。液体混合物可包括低至0.5当量比的氧化剂。
在进一步的实例中，液体混合物包括水；选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 327528DEST_PATH_IMAGE002
、硝酸碳酰肼、及其组合的氧化剂；选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼；和选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、羟乙基肼、硝酸羟乙基
Figure 569154DEST_PATH_IMAGE002
、及其组合的含氧溶质或含氧溶剂。例如，液体混合物包括：
20摩尔%至80摩尔%的未质子化的肼，
10摩尔%至80摩尔%的含氧溶质或含氧溶剂，
0摩尔%至20摩尔%的氧化剂，和
0摩尔%至20摩尔%的水。
本文中的液体混合物通常具有比单独的肼高25%至30%的密度和为单独的肼的5%至0.01%的蒸气毒性(蒸气压)。另外，本文中的液体混合物可在肼作为火箭推进剂的相同催化预热条件下使用，并可与已知的镍合金推进器设计一起使用(即，液体混合物不要求使用高成本的耐火推进器)。以下组合物展示了液体混合物的进一步的实例。
实施例1：
70摩尔%的肼(N2H4)
30摩尔%的硝酸羟乙基
Figure 641015DEST_PATH_IMAGE002
相对于纯肼的蒸气压：4%
比冲：230秒
密度：1.24 g/cc
反应温度：910 ºC
粘度：20 ºC下大约13 cP
实施例2：
65摩尔%的肼(N2H4)
25摩尔%的硝酸羟乙基
Figure 284486DEST_PATH_IMAGE002
10摩尔%硝酸
Figure 150811DEST_PATH_IMAGE002
相对于纯肼的蒸气压：0.4%
比冲：235秒
密度：1.28 g/cc
反应温度：1100 ºC
粘度：20 ºC下大约10 cP
实施例3：
40摩尔%的肼(N2H4)
40摩尔%的硝酸羟乙基
Figure 879732DEST_PATH_IMAGE003
12摩尔%硝酸
Figure 958547DEST_PATH_IMAGE003
8摩尔%的水
相对于纯肼的蒸气压：0.04%
比冲：235秒
密度：1.35 g/cc
反应温度：1100 ºC
粘度：20 ºC下大约31 cP实施例3：
实施例4：
35.7摩尔%的肼(N2H4)
35.7摩尔%的硝酸乙基铵
21.5摩尔%硝酸
Figure 502530DEST_PATH_IMAGE002
7.1摩尔%的水
相对于纯肼的蒸气压：0.03%
比冲：235秒
密度：1.29 g/cc
反应温度：1100 ºC
粘度：20 ºC下大约11 cP
实施例5：
65摩尔%的肼(N2H4),
16摩尔%的硝酸羟乙基
Figure 274176DEST_PATH_IMAGE002
6.5摩尔%硝酸乙基铵
12.5摩尔%硝酸
Figure 552711DEST_PATH_IMAGE002
相对于纯肼的蒸气压：0.4%
比冲：235秒
实施例6：
51摩尔%的肼(N2H4)
23摩尔%的硝酸乙二肼
8摩尔%硝酸
Figure 435216DEST_PATH_IMAGE002
18摩尔%的水
相对于纯肼的蒸气压：0.3%
比冲：235秒
密度：1.21 g/cc
反应温度：1040 ºC
粘度：20 ºC下大约16 cP
实施例7：
56摩尔%的肼(N2H4),
18摩尔%的碳酰肼
24摩尔%硝酸碳酰肼
2摩尔%的水
相对于纯肼的蒸气压：0.2%
比冲：232秒
密度：1.36 g/cc
反应温度：1140 ºC
粘度：20 ºC下大约24 cP
实施例8：
51摩尔%的肼(N2H4)
22摩尔%硝酸乙基铵
23摩尔%硝酸铵
4摩尔%的水
相对于纯肼的蒸气压：0.3%
比冲：235秒
密度：1.27 g/cc
反应温度：1120 ºC
粘度：20 ºC下大约7 cP
实施例9：
70摩尔%的单甲基肼
20摩尔%的硝酸羟乙基
Figure 335170DEST_PATH_IMAGE002
10摩尔%硝酸铵
相对于纯单甲基肼的蒸气压：1%
比冲：205秒
密度：1.18 g/cc
反应温度：760 ºC
粘度：20 ºC下大约6 cP
尽管在例示的实例中显示了各特征的组合，但是不必将它们全部进行组合以实现本公开的各种实施方案的益处。换言之，根据本公开的一种实施方案设计的体系将不一定包括任一幅附图中显示的全部特征或附图中示意性显示的所有部分。此外，可将一种示例性实施方案的所选择特征与其它示例性实施方案的所选择特征组合。
前述描述在性质上是示例性而非限制性的。对于公开的实例的改变和修改对于本领域技术人员可变得显而易见，其不一定偏离本公开。给予本公开的法律保护的范围仅可通过研究所附权利要求书来确定。

Claims (19)

1.含肼组合物，其包含：
液体混合物，其包含：
5摩尔%至95摩尔%的选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼，所述未质子化的肼具有第一蒸气压，和
5摩尔%至90摩尔%的具有小于所述第一蒸气压的第二蒸气压的至少一种含氧溶质或含氧溶剂，所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、硝酸羟乙基
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、双(2-羟乙基)硝酸
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、及其组合，或者是碳酰肼和硝酸碳酰肼的组合。
2.如权利要求1中所述的组合物，其中所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、硝酸羟乙基
Figure 246746DEST_PATH_IMAGE001
、双(2-羟乙基)硝酸
Figure 727668DEST_PATH_IMAGE002
、及其组合。
3.如权利要求2中所述的组合物，其中所述液体混合物包括至多98摩尔%水，限制条件为，所述液体混合物中的所有组分的总量为100摩尔%。
4.如权利要求3中所述的组合物，其中在所述液体混合物中包括选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂。
5.如权利要求1中所述的组合物，其中所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸乙基铵、硝酸羟乙基
Figure 632039DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合。
6.如权利要求5中所述的组合物，其中所述液体混合物包括至多98摩尔%的水，限制条件为，所述液体混合物中的所有组分的总量为100摩尔%。
7.如权利要求6中所述的组合物，其中所述液体混合物包括选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 650418DEST_PATH_IMAGE003
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂。
8.如权利要求1中所述的组合物，其中所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂是硝酸乙基铵。
9.如权利要求1中所述的组合物，其中所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂是硝酸羟乙基
Figure 589424DEST_PATH_IMAGE003
。
10.如权利要求1中所述的组合物，其中所述液体混合物包括至多98摩尔%的水，限制条件为，所述液体混合物中的所有组分的总量为100摩尔%。
11.如权利要求1中所述的组合物，其中在所述液体混合物中包括氧化剂。
12.如权利要求11中所述的组合物，其中所述氧化剂选自硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure 474203DEST_PATH_IMAGE003
、硝酸羟基铵、及其组合。
13.如权利要求11中所述的组合物，其中所述氧化剂是硝酸
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
14.如权利要求11中所述的组合物，其中所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、硝酸羟乙基
Figure 305018DEST_PATH_IMAGE004
、双(2-羟乙基)硝酸
Figure 566235DEST_PATH_IMAGE003
、及其组合。
15.如权利要求14中所述的组合物，其中所述液体混合物包括至多98摩尔%的水，限制条件为，所述液体混合物中的所有组分的总量为100摩尔%。
16.如权利要求1中所述的组合物，其中所述液体混合物具有1.1 g/cm3至1.5 g/cm3的密度。
17.如权利要求1中所述的组合物，其中所述第二蒸气压比所述第一蒸气压低至少50%。
18.含肼组合物，其包含：
液体混合物，其包含：
0摩尔%至20摩尔%的水，
0摩尔%至20摩尔%的选自二硝酰胺铵、硝酸铵、硝酸碳酰肼、硝酸
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、硝酸羟基铵、及其组合的氧化剂，
20摩尔%至80摩尔%的选自肼、单甲基肼、二甲基肼、乙基肼、及其组合的未质子化的肼；和
10摩尔%至80摩尔%的选自硝酸碳酰肼、硝酸乙基铵、硝酸乙二肼、硝酸羟乙基
Figure 235114DEST_PATH_IMAGE005
、及其组合的至少一种含氧溶质或含氧溶剂。
19.如权利要求18中所述的组合物，其中所述氧化剂是硝酸
Figure 290794DEST_PATH_IMAGE005
，且所述至少一种含氧溶质或含氧溶剂选自硝酸乙基铵和硝酸羟乙基
Figure 45124DEST_PATH_IMAGE005
、及其组合。
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