兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 15-25.doi: 10.12382/bgxb.2022.0518
收稿日期:
2022-06-10
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
基金资助:
ZHANG Xuexue, XUE Zhihua, NIE Hongqi, YAN Qilong*()
Received:
2022-06-10
Online:
2024-01-30
摘要:
燃速抑制剂作为固体推进剂的核心功能组分,在降低固体推进剂高压燃速方面起关键作用。精准设计具有降速效应的季铵与醛基结构,获得高氮三氨基胍乙二醛二维共聚物(Triaminoguaniding Glyoxal two dimensional Copolymer,TAGP)含能配体,并与碱土金属离子K+、Ba2+和Ca2+发生络合反应,制备系列新型含能燃速抑制剂(TAGP-M)。采用粉末衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜/能谱和差示扫描量热/热重联用等技术分析其形貌、结构和热稳定性,并研究这些含能燃速抑制剂对高氯酸铵(Ammonium Perchlorate,AP)热分解的负催化作用。研究结果表明:TAGP-K对AP转晶抑制最为显著,使AP的转晶吸热峰温提高5.9℃、低温分解峰峰温升高28.7℃;添加10 wt%的TAGP-K,可使AP的最大热分解速率降低58%;TAGP-Ca燃速抑制剂可使AP的释能效应集中在高温分解过程,AP/TAGP-Ca混合体系的放热量比纯AP提高50%以上;TAGP-Ca和TAGP-Ba燃速抑制剂在抑制含AP分解的同时提高了其释能效率;TAGP-M燃速抑制剂在分解过程中释放NH3并与AP分解产物HClO4结合,形成更难分解的$\mathrm{M}\left(\mathrm{ClO}_{4}^{-}\right)_{n}$;通过碱土离子与$\mathrm{ClO}_{4}^{-}$离子强静电作用,抑制后者分解产生氧化性气氛,进而抑制AP高温放热反应过程。
中图分类号:
张雪雪, 薛智华, 聂洪奇, 严启龙. 含能燃速抑制剂的制备及其对AP分解的负催化效应[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 15-25.
ZHANG Xuexue, XUE Zhihua, NIE Hongqi, YAN Qilong. Preparation of Energetic Burning Rate Inhibitor and Its Negative Catalytic Effect on AP Decomposition[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 15-25.
样品 | 差示扫描量热 曲线 | 热重分析曲线 | 微商热重 分析曲线 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tp1 | ΔH1 | MS1 | Rs | To | Tp3 | Lmax1 | |
TAGP-Cu | 195.2 | 677.2 | 27.3 | 49.7 | 142.5 | 184.5 | 2.2 |
TAGP-K | 201.3 | 1512.0 | 24.0 | 51.8 | 168.0 | 229.4 | 2.7 |
TAGP-Ba | 209.2 | 427.2 | 34.3 | 51.8 | 187.1 | 227.7 | 2.2 |
TAGP-Ca | 206.9 | 281.4 | 47.9 | 41.6 | 167.1 | 242.7 | 3.0 |
表1 优选含能燃速抑制剂和燃速催化剂汇总
Table 1 The summary of preferred energetic burning rate inhibitors and catalyst
样品 | 差示扫描量热 曲线 | 热重分析曲线 | 微商热重 分析曲线 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tp1 | ΔH1 | MS1 | Rs | To | Tp3 | Lmax1 | |
TAGP-Cu | 195.2 | 677.2 | 27.3 | 49.7 | 142.5 | 184.5 | 2.2 |
TAGP-K | 201.3 | 1512.0 | 24.0 | 51.8 | 168.0 | 229.4 | 2.7 |
TAGP-Ba | 209.2 | 427.2 | 34.3 | 51.8 | 187.1 | 227.7 | 2.2 |
TAGP-Ca | 206.9 | 281.4 | 47.9 | 41.6 | 167.1 | 242.7 | 3.0 |
参数 | 样品 | |||
---|---|---|---|---|
TAGP-Ba | TAGP-Ca | TAGP-Cu | TAGP-K | |
晶系 | 正交 | 三斜 | 正交 | 三斜 |
空间点阵 | Pbca(61) | P1(1) | Pbca(61) | P1(1) |
a/Å | 13.20 | 6.77 | 13.25 | 6.77 |
b/Å | 11.60 | 10.67 | 11.57 | 10.94 |
c/Å | 10.74 | 8.43 | 10.65 | 8.55 |
α/(°) | 90 | 47.45 | 90 | 45.38 |
β/(°) | 90 | 54.82 | 90 | 54.88 |
γ/(°) | 90 | 57.59 | 90 | 57.02 |
Vol/Ǎ3 | 1644.58 | 355.66 | 1632.51 | 359.91 |
表2 3种燃速抑制剂和燃速催化剂晶体参数
Table 2 The crystal parameters of three burning rate inhibitors and burning rate catalyst
参数 | 样品 | |||
---|---|---|---|---|
TAGP-Ba | TAGP-Ca | TAGP-Cu | TAGP-K | |
晶系 | 正交 | 三斜 | 正交 | 三斜 |
空间点阵 | Pbca(61) | P1(1) | Pbca(61) | P1(1) |
a/Å | 13.20 | 6.77 | 13.25 | 6.77 |
b/Å | 11.60 | 10.67 | 11.57 | 10.94 |
c/Å | 10.74 | 8.43 | 10.65 | 8.55 |
α/(°) | 90 | 47.45 | 90 | 45.38 |
β/(°) | 90 | 54.82 | 90 | 54.88 |
γ/(°) | 90 | 57.59 | 90 | 57.02 |
Vol/Ǎ3 | 1644.58 | 355.66 | 1632.51 | 359.91 |
样品 | 计算分子式 | 分子量 | 燃烧热/(J·g-1) | 生成焓/(J·g-1) | 密度/(g·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|
TAGP-Cu | C3H5.3O0.88N4Cu0.987·(H2O)0.685·(NO3)1.16 | 258.4 | 6593 | -1502.4 | 2.07 |
TAGP-K | C3H8.4O0.89N4K0.0006·(H2O)0.16·(NO3)1.556 | 214.0 | 10289 | 1223.8 | 1.72 |
TAGP-Ba | C3H5.3O8.94N4Ba0.005·(H2O)2.247·(NO3)1.122 | 351.0 | 6047 | 522.6 | 1.56 |
TAGP-Ca | C3H7.9O0.89N4.64Ca0.228·(NO3)1.598 | 231.0 | 9584 | 1097.8 | 1.73 |
表3 TAGP-M燃速抑制剂性能参数
Table 3 The performances of TAGP-M burning rate inhibitors
样品 | 计算分子式 | 分子量 | 燃烧热/(J·g-1) | 生成焓/(J·g-1) | 密度/(g·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|
TAGP-Cu | C3H5.3O0.88N4Cu0.987·(H2O)0.685·(NO3)1.16 | 258.4 | 6593 | -1502.4 | 2.07 |
TAGP-K | C3H8.4O0.89N4K0.0006·(H2O)0.16·(NO3)1.556 | 214.0 | 10289 | 1223.8 | 1.72 |
TAGP-Ba | C3H5.3O8.94N4Ba0.005·(H2O)2.247·(NO3)1.122 | 351.0 | 6047 | 522.6 | 1.56 |
TAGP-Ca | C3H7.9O0.89N4.64Ca0.228·(NO3)1.598 | 231.0 | 9584 | 1097.8 | 1.73 |
样品 | 吸热峰 | 放热峰 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Tp0 | ΔH0 | Tp1 | Tp2 | ΔH1 | ΔH2 | |
AP | 243.0 | 79.4 | 283.8 | 365.7 | 234.6 | 866.7 |
AP/TAGP-Ba | 245.1 | 74.5 | 300.5 | 370.7 | 360.1 | 779.4 |
AP/TAGP-Ca | 243.9 | 82.3 | 273.5 | 386.3 | 118.6 | 1313.0 |
AP/TAGP-Cu | 246.7 | 8.3 | 205.4 | 304.4 | 150.0 | 625.4 |
AP/TAGP-K | 248.9 | 100.3 | 312.5 | 382.4 | 449.0 | 363.5 |
表4 工业级AP和AP/10 wt%燃速抑制剂混合体系DSC热分解参数
Table 4 DSC parameters of industrial scale AP and mixtures of AP with 10 wt% of burning rate inhibitors
样品 | 吸热峰 | 放热峰 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Tp0 | ΔH0 | Tp1 | Tp2 | ΔH1 | ΔH2 | |
AP | 243.0 | 79.4 | 283.8 | 365.7 | 234.6 | 866.7 |
AP/TAGP-Ba | 245.1 | 74.5 | 300.5 | 370.7 | 360.1 | 779.4 |
AP/TAGP-Ca | 243.9 | 82.3 | 273.5 | 386.3 | 118.6 | 1313.0 |
AP/TAGP-Cu | 246.7 | 8.3 | 205.4 | 304.4 | 150.0 | 625.4 |
AP/TAGP-K | 248.9 | 100.3 | 312.5 | 382.4 | 449.0 | 363.5 |
样品 | TG曲线 | DTG曲线 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
To/ ℃ | MS1/ % | MS2/ % | Tp3/ ℃ | Tp4/ ℃ | Lmax1 | Lmax2 | |
AP | 273.6 | 26.8 | 67.0 | 283.4 | 413.2 | 8.9 | 12.1 |
AP/TAGP-Ba | 288.7 | 26.1 | 67.9 | 298.4 | 371.8 | 6.0 | 9.1 |
AP/TAGP-Ca | 263.5 | 21.5 | 68.4 | 276.1 | 385.1 | 4.1 | 16.3 |
AP/TAGP-Cu | 150.2 | 25.2 | 17.6 | 193.8 | 304.5 | 1.7 | 2.8 |
AP/TAGP-K | 292.4 | 29.7 | 58.6 | 313.3 | 416.1 | 3.7 | 7.5 |
表5 工业级AP和AP/10 wt%燃速抑制剂混合体系TG/DTG热分解参数
Table 5 TG/DTG parameters of industrial scale AP and mixtures of AP with 10 wt% of burning rate inhibitors
样品 | TG曲线 | DTG曲线 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
To/ ℃ | MS1/ % | MS2/ % | Tp3/ ℃ | Tp4/ ℃ | Lmax1 | Lmax2 | |
AP | 273.6 | 26.8 | 67.0 | 283.4 | 413.2 | 8.9 | 12.1 |
AP/TAGP-Ba | 288.7 | 26.1 | 67.9 | 298.4 | 371.8 | 6.0 | 9.1 |
AP/TAGP-Ca | 263.5 | 21.5 | 68.4 | 276.1 | 385.1 | 4.1 | 16.3 |
AP/TAGP-Cu | 150.2 | 25.2 | 17.6 | 193.8 | 304.5 | 1.7 | 2.8 |
AP/TAGP-K | 292.4 | 29.7 | 58.6 | 313.3 | 416.1 | 3.7 | 7.5 |
图9 AP和AP/10 wt%燃速抑制剂热分解产物HCl、HClO4和FTIR曲线图
Fig.9 FTIR curves of thermal decomposition products HCl, HClO4 and NH3 of AP and AP/10 wt% burning rate inhibitors
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