CN116655444A - 一种高固含量低粘度热塑性推进剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种高固含量低粘度热塑性推进剂及其制备方法，推进剂包括以下质量百分含量的组分：粘合剂：4％‑10％；增塑剂：5％‑10％；金属燃料：15％‑20％；氧化剂：65％‑75％；小组分功能助剂：2.5％‑5％；所述小组分功能助剂为工艺助剂、燃烧性能调节剂中的至少一种；其中金属燃料为球形铝粉，所述球形铝粉为分别占热塑性推进剂质量的7％‑8％Q1粒径和Q3粒径与占热塑性推进剂质量的2％‑4％的Q5粒径的组合；氧化剂为高氯酸铵，选用热塑性推进剂质量的10％‑40％的Ⅰ类、热塑性推进剂质量的20％‑50％的Ⅲ类和为热塑性推进剂质量的10％‑20％的Ⅳ类高氯酸铵粒径的组合。
Description
技术领域
本发明总体地涉及热塑性推进剂技术领域，具体地涉及一种高固含量低粘度热塑性推进剂及其制备方法。
背景技术
热塑性推进剂是以热塑性弹性体作为粘合剂的一类复合固体推进剂，具有一般高分子塑料的重复加工成型特性以及较低的环境污染性，并且还可以摆脱传统热固性推进剂药桨“适用期”的限制，因而作为绿色推进剂品种被广泛重视及研究。
相较于传统的热固性复合固体推进剂，热塑性推进剂在成型过程中需要升高温度到粘合剂熔融塑化温度然后通过压力成型，高含量固体填料使得其加工成型更为困难。
通过调节热塑性推进剂中铝粉和高氯酸铵的级配对高固含量的热塑性推进剂的配方进行改性，可有效优化推进剂的成型加工工艺性能。
目前常用的固体填料级配都是基于热固性复合推进剂配方设计的，并不适用于高固含量的热塑性推进剂，极大地影响热塑性推进剂的成型装药等加工过程。
发明内容
为了克服高固含量热塑性推进剂成型加工难，工艺复杂的问题，本发明提供了一种高固含量低粘度热塑性推进剂及其制备方法，本发明推进剂配方创造性的运用动态流变学方法研究了不同铝粉和高氯酸铵的粒径及级配对热塑性推进剂的表观粘度、复数粘度、储能模量及损耗模量等流变学参数的影响规律，提供了高固含量低粘度热塑性推进剂组成，并实现了低粘度热塑性推进剂的制备。
本发明的技术方案是，一种高固含量低粘度热塑性推进剂，包括以下质量百分含量的组分：粘合剂：3.2％-7.2％；增塑剂：4％-9％；金属燃料：15％-20％；氧化剂：65％-75％；小组分功能助剂：2.5％-5％；所述小组分功能助剂为工艺助剂、燃烧性能调节剂中的至少一种。
进一步的，上述粘合剂为聚氨酯类(TPU)、聚烯烃类(TPO)、聚酰胺类(TPAE)、聚酯类(TPEE)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯-丙烯酸酯(EEA)中的至少一种。
进一步的，上述金属燃料为球形铝粉，所述球形铝粉的粒径为Q1、Q3和Q5三种粒径的组合，所述Q1球形铝粉粒径是指粒径分布从4μm-111μm，平均粒径为31.18μm的铝粉；所述Q3球形铝粉粒径是指粒径分布从1.4μm-39μm，平均粒径为12.35μm的铝粉；Q5球形铝粉粒径是指粒径分布从0.1μm-8μm，平均粒径为1.86μm的铝粉；其中Q1粒径铝粉和Q3粒径铝粉含量分别占热塑性推进剂质量的7％-8％，Q5铝粉的含量占热塑性推进剂质量的2％-4％。
进一步的，上述氧化剂为高氯酸铵，所述高氯酸铵选用Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类高氯酸铵粒径的组合，所述Ⅰ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从220μm到900μm，平均粒径为428.8μm；所述Ⅲ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从2μm到400μm，平均粒径为134.3μm；所述Ⅳ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从1.6μm到24μm，平均粒径为6.3μm；其中Ⅰ类AP粒径含量为热塑性推进剂质量的10％-40％，Ⅲ类粒径AP含量为热塑性推进剂质量的20％-50％，Ⅳ类粒径AP含量为热塑性推进剂质量的10％-20％。
进一步的，上述增塑剂为癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二甲酯、癸二酸二异辛酯、壬二酸二辛酯、己二酸二丁酯中的至少一种。
进一步的，上述工艺助剂为硼酸酯、钛酸酯、1,2-丙二醇、端羟基聚丁二烯中的至少一种；
所述燃烧性能调节剂为辛基二茂铁、正丁基二茂铁和二乙基二茂铁、三氯化二铁、硫化铅中的至少一种。
本发明同时提供了上述高固含量低粘度热塑性推进剂的制备方法，即，将各组分通过声共振无桨混合设备将原料混合均匀，即得所述高固含量低粘度热塑性推进剂。
进一步的，上述原料的混合是分批次分量混合，即先将粘合剂和增塑剂按量加入，再加入工艺助剂和金属燃料，混合均匀后最后加入氧化剂，更具体地，即先将EEA热塑性弹性体和DOS增塑剂按量加入，再加入工艺助剂HTPB和三种粒径的铝粉，混合均匀后最后按顺序加入Ⅳ类、Ⅲ类和Ⅰ类AP。
进一步的，上述混合温度在70-100℃，单次混合时间10-20min，混合批次1-3次。
相比于现有技术，本发明的有益效果体现如下：
本发明通过调节铝粉和高氯酸铵的粒径、级配进行推进剂配方设计，并利用动态流变学研究了不同配方的表观粘度、复数粘度、储能模量及损耗模量等流变学参数，实现了高固含量低粘度热塑性推进剂的配方优化，提供了高固含量低粘度的热塑性固体推进剂配方组成。
本发明提供的高固含量低粘度热塑性推进剂的制备方法，优化其成型加工性能，为热塑性推进剂的推广使用提供理论依据和技术支持。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是不同配方的88％高固含量热塑性推进剂的表观粘度(η)曲线；
图2是不同配方的88％高固含量热塑性推进剂的应力应变曲线；
图3是不同配方的88％高固含量热塑性推进剂应力扫描得到的储能模量(G’)随角频率变化曲线；
图4是不同配方的88％高固含量热塑性推进剂应力扫描得到的损耗模量(G”)随角频率变化曲线；
图5是不同配方的88％高固含量热塑性推进剂应力扫描得到的复数黏度(η*)随角频率变化曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明首先提供了不同的热塑性固体推进剂配方，并计算了每个配方的理论比冲，热塑性固体推进剂理论比冲按照QJ 1953-1990固体火箭发动机理论标准比冲计算获得。不同配方组成和固含量的热塑性推进剂的理论比冲，结果如表1所示。可以发现，固含量在88％时，热塑性推进剂的理论比冲最高。
表1热塑性推进剂不同配方组成及其对应的理论比冲
实施例2
基于实施例1的计算结果，所有热塑性推进剂的固含量均定为88％。将弹性体EEA、增塑剂DOS、工艺助剂HTPB、燃烧性能调节剂T27、金属燃料Al和高氯酸铵AP按相应的比例(表2中配方1-6所示的百分含量)称量备好，通过声共振无桨混合设备将相应的原料分量分批次混合均匀，其中混合温度95℃，单次混合时间时间为15min，混合批次为3次，配方1-6组成及所得产品的表观粘度如表2所示。
表2固含量为88％的不同热塑性推进剂配方及其性能
本发明同时利用高级扩展流变仪测试了不同配方的热塑性复合固体推进剂体系的流变参数，如图1-5所示：
其中图1所示的不同配方的88％高固含量热塑性推进剂的表观粘度曲线表明：进行过粒径筛选以及级配后的热塑性推进剂的表观粘度(剪切速率为1s-1)均小2000Pa.s，其中Q1:Q3:Q5＝4:4:1以及Ⅰ类AP：Ⅲ类：Ⅳ类＝4:2:1时，整个推进剂的粘度最小，为533.1Pa.s，并且这六种热塑推进剂均出现了剪切变稀现象，表现为典型的假塑性流体特征；
图2所示的不同配方的88％高固含量热塑性推进剂的应力应变曲线表明：六种配方的热塑性推进剂的应力应变曲线呈现出相同的趋势，均在剪切速率为1s-1附近出现了转折点，表明此时流体状态发生了改变，并且相同应变下，4号配方推进剂的应力最小，表明4号配方的推进剂流变性能最优；
图3和4所示的不同配方的88％高固含量热塑性推进剂应力扫描得到的储能和损耗模量随角频率变化曲线表明：所有推进剂的储能和损耗模量均随角频率的增加而增大，相同频率下，4号级配的热塑性推进剂的储能和损耗模量最小；此外，这六种配方的推进剂的损耗模量始终大于储能模量，表现出类液体的粘性特征；
图5所示的不同配方的88％高固含量热塑性推进剂应力扫描得到的复数黏度随角频率变化曲线，表现出和附图1相似的规律；结果表明经过调节固体填料级配后的热塑性推进剂的流变性能得到了显著改善。
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)
1.一种高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：
粘合剂：3.2％-7.2％；
增塑剂：4％-9％；
金属燃料：15％-20％；
氧化剂：65％-75％；
小组分功能助剂：2.5％-5％；
所述小组分功能助剂为工艺助剂、燃烧性能调节剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，所述粘合剂为聚氨酯类、聚烯烃类、聚酰胺类、聚酯类、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯-丙烯酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，所述金属燃料为球形铝粉，所述球形铝粉为Q1、Q3和Q5三种球形铝粉粒径的组合，所述Q1球形铝粉粒径是指粒径分布从4μm-111μm，平均粒径为31.18μm的铝粉；所述Q3球形铝粉粒径是指粒径分布从1.4μm-39μm，平均粒径为12.35μm的铝粉；Q5球形铝粉粒径是指粒径分布从0.1μm-8μm，平均粒径为1.86μm的铝粉；其中Q1粒径铝粉和Q3粒径铝粉含量分别占热塑性推进剂质量的7％-8％，Q5粒径铝粉的含量占热塑性推进剂质量的2％-4％。
4.根据权利要求1所述的高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，
所述氧化剂为高氯酸铵，所述高氯酸铵选用Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类高氯酸铵粒径的组合，所述Ⅰ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从220μm到900μm，平均粒径为428.8μm；所述Ⅲ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从2μm到400μm，平均粒径为134.3μm；所述Ⅳ类高氯酸铵粒径是指高氯酸铵粒径分布从1.6μm到24μm，平均粒径为6.3μm；其中Ⅰ类AP粒径含量为热塑性推进剂质量的10％-40％，Ⅲ类粒径AP含量为热塑性推进剂质量的20％-50％，Ⅳ类粒径AP含量为热塑性推进剂质量的10％-20％。
5.根据权利要求1所述的高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，
所述增塑剂为癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二甲酯、癸二酸二异辛酯、壬二酸二辛酯、己二酸二丁酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高固含量低粘度热塑性推进剂，其特征在于，
所述工艺助剂为硼酸酯、钛酸酯、1,2-丙二醇、端羟基聚丁二烯中的至少一种，所述工艺助剂占热塑性推进剂质量的0.8％-1.8％；
所述燃烧性能调节剂为辛基二茂铁、正丁基二茂铁和二乙基二茂铁、三氯化二铁、硫化铅中的至少一种。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的高固含量低粘度热塑性推进剂的制备方法，其特征在于，将各组分通过声共振无桨混合设备将原料混合均匀，即得所述高固含量低粘度热塑性推进剂。
8.根据权利要求7所述的高固含量低粘度热塑性推进剂的制备方法，其特征在于，
原料的混合是分批次分量混合，即先将粘合剂和增塑剂按量加入，再加入工艺助剂和金属燃料，混合均匀后最后加入氧化剂。
9.根据权利要求7所述的高固含量低粘度热塑性推进剂的制备方法，其特征在于，混合温度在70-100℃，单次混合时间10-20min，混合批次1-3次。
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