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改性硼酸酯键合剂的合成及应用

彭杰  
【摘要】:丁羟推进剂是复合固体推进剂的重要品种,它具有低成本、高能量的优点,科学工作者己研制出多种丁羟推进剂配方,并广泛应用于各种大型发动机中。随着国防的技术的发展,丁羟推进剂已向着高能量、高燃速、无烟化的方向快速发展。高能丁羟四组元推进剂的能量已经满足发动机的设计要求,但由于该推进剂配方的高固含量,粘合剂基体与填料容易脱湿而使推进剂的力学性能差,限制了高能丁羟四组元推进剂的应用。若加入硼酸酯类键合剂(BAG-5),能提高推进剂的力学性能,但药柱常温伸长率也只有50%,还未达到发动机的使用要求。本文拟通过对BAG-5的改性,制备出适用于高能丁羟推进剂的硼酸酯键合剂,使高能丁羟推进剂性能满足某战术导弹发动机的装药要求。 根据硼酸酯键合剂在丁羟推进剂中的作用机理,设计了三种系列的改性硼酸酯键合剂分子结构,即BAJ1系列、BAJ2系列、BAJ3系列改性硼酸酯键合剂。 以丙烯酸甲酯、丙二酸二乙酯、溴丙酮及二乙醇胺为原料合成了N,N-二羟乙基丙酸甲酯、N,N-二羟乙基乙酸乙酯甲酰胺、N,N-二羟乙基丙酮三种醇胺中间体。采用正交试验设计和单因素法对N,N-二羟乙基丙酸甲酯和N,N-二羟乙基乙酸乙酯甲酰胺的合成工艺进行了优化,N,N-二羟乙基丙酸甲酯的最佳合成工艺为丙烯酸甲酯与二乙醇胺的投料摩尔比为1.2,反应温度为40℃,反应时间为3h,在此工艺下产物为淡黄色粘稠的液体,收率达92.2%;N,N-二羟乙基丙酸甲酯的最佳合成工艺为丙二酸二乙酯与二乙醇胺的投料摩尔比为1.1:1,醋酸锌占二乙醇胺的摩尔百分数为0.3%,反应温度为120℃,反应时间为2h,在此工艺下产物为淡黄色粘稠的液体,收率达88.7%。采用红外、核磁共振氢谱和核磁共振碳谱对产物进行了表征,验证了产物结构。 以聚醚、硼酸、二乙醇胺及醇胺中间体为原料,通过酯交换反应合成了BAJ系列改性硼酸酯键合剂。对BAJ系列改性硼酸酯键合剂的硼含量、胺值、羟值、含水率及pH进行了测定,发现改性硼酸酯键合剂的活泼氢含量降低了,pH显示改性硼酸酯键合呈弱碱性,含水率均低于5%。 将BAJ系列改性硼酸酯键合剂应用于高能丁羟四组元固体推进剂,制备出推进剂样条,并通过对样条的力学性能的测定,来考察BAJ系列键合剂的使用效果。通过BAJ系列键合剂与BAG-5键合剂的对比发现,BAJ系列键合剂的使用效果优于BAG-5键合剂。这是因为BAJ系列键合剂分子中不仅有硼原子、羟基、仲胺基,还有改性基团带来的酯基、羰基、酰胺键,这些基团强极性能对推进剂填料产生吸附作用,增强了键合剂的键合作用。BAJ系列改性硼酸酯键合剂中BAJ2-2-1的抗拉强度为0.802MPa,延伸率为60.3%,已达到高能丁羟四组元复合固体推进的力学性能设计要求,具有应用价值。


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