3,3-二叠氮甲基氧丁环与3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物的嵌段共聚物热分解机理及非等温裂解动力学分析

3,3-二叠氮甲基氧丁环与3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物的嵌段共聚物(BAMO-AM-MO)是一种含能黏合剂,为了解其受热分解机理及分解动力学情况,采用DSC法、TG-DTG法、固相原位池-FTIR联用技术和DSC-TG-MS联用技术探讨了BAMO-AMMO的热分解过程及机理。研究结果表明,BAMO-AMMO受热分解主阶段为叠氮基团分解,释放出N2,裂解过程中形成亚胺中间体,并放出大量的热,放热量为1 663 J/g.同时,由于叠氮基团分解引起其他基团的重排,而引起共聚物的深度分解。采用程序升温(升温速率为2.5、5、10、20℃/min)的DSC数据,根据非等温动力学方程Kissinger法、Ozawa法和Coats-Redfern法计算了BAMO-AMMO受热分解主阶段的非等温反应动力学参数。获得BAMO-AMMO分解主阶段的表观活化能为164.2 kJ/mol,指前因子为1014.14 s-1.计算结果表明,BAMO-AMMO受热分解具有局部化学反应特征,其分解动力学服从Avrami-Erofeyev成核与生长(n=1.5)过程。受热分解非等温动力学方程可表示为dα/dt=2.071×1014 exp(-1.975×104/T)(1-α)[-ln(1-α)1/3].

3-叠氮甲基-3-硝酸酯甲基氧丁环及其聚合物的合成及其性能

以2,2-二溴甲基-1,3-丙二醇为基础原料,经关环、取代、硝化三步反应合成3-叠氮甲基-3-硝酸酯甲基氧丁环(AMNMO)。后者经阳离子开环聚合,制备出液态高能粘合剂PolyAMNMO,探讨了用作推进剂增塑剂、粘合剂的可能性。

3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环的合成

以三羟甲基乙烷与碳酸二乙酯为原料,经环化反应合成了3-羟甲基-3-甲基氧丁环(HMM O)。在低温下,HMM O与对甲苯磺酰氯反应生成3-磺酸酯甲基-3-甲基氧丁环(M TM O)。M TM O和叠氮化钠发生叠氮化反应形成叠氮单体3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环(AMM O)。三步反应收率分别为76%,96%,85%。用核磁、红外、元素分析和DSC表征了化合物的结构与性能。结构鉴定表明为目标化合物AMM O。

凝胶渗透色谱法测定3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物相对分子质量及其分布

用聚乙二醇(PEG)作标准样建立了凝胶渗透色谱(GPC)试验法,测定了3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物(PAMMO)的相对分子质量及其分布。研究了柱温和样品浓度对测试结果的影响,测试了不同批次样品的相对分子质量,比较了GPC试验法与凝胶渗透色谱-十八角度激光散射仪联用(GPC-MALLS)法、蒸汽压渗透(VPO)法和羟端基滴定法所得结果。结果表明,GPC试验法的重复性良好,数均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)和分子量分布指数(PD)的相对标准偏差(RSD)均小于5%,显示传统GPC试验法可用于测定PAMMO的相对分子质量及其分布,对PAMMO合成工艺的改进和后处理方法的选择具有参考价值。

奥克托金粒度对聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁环基推进剂力学性能的影响

用单向拉伸实验和动态热机械分析,研究了奥克托金(HMX)粒度、粒度级配技术和键合剂(BA-663)应用对PNIMMO(聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁环)基推进剂静、动态力学性能的影响。结果表明,对HMX进行粒度级配后,PNIMMO基推进剂的力学性能优于应用单一粒度HMX的推进剂,应用键合剂BA-663后,推进剂的力学性能得到进一步改善。

3-硝酸酯甲基-3-乙基氧丁环及其均聚物的合成与性能

以三羟甲基丙烷和碳酸二乙酯为原料经环化、硝化两步反应合成了化合物3-硝酸酯甲基-3-乙基氧丁环(NIMEO);采用1,4-丁二醇(BDO)为引发剂,三氟化硼.乙醚(BF3.Et2O)为催化剂,NIMEO发生阳离子开环聚合得到一种端羟硝酸酯均聚醚PNIMEO。讨论了催化剂/引发剂的摩尔比、反应温度对聚合反应的影响。性能研究表明:PNIMEO的玻璃化转变温度为-25℃,分解温度为218℃,分解焓为+1212J.g-1,爆炸概率为0,特性落高为109.6cm。

含能黏合剂3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁环聚合物的固化体系研究

采用Materials Studio分子模拟软件对3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁环聚合物(Poly NIMMO)与甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和六次甲基二异氰酸酯和水的加成物(N-100)3种固化剂形成的混合体系固化行为及弹性模量进行了理论模拟,并与固化胶片力学性能实测数据进行了对比分析,研究了含能黏合剂Poly NIMMO的固化体系。结果表明:TDI、IPDI和N-100 3种固化剂均可与含能黏合剂发生聚氨酯交联反应,形成稳定的固化体系;与Poly NIMMO匹配的固化剂,以N-100为最佳,固化催化剂则以二月桂酸二丁基锡为最佳,最终形成的固化胶片力学性能为最大抗拉强度3.83 MPa,最大延伸率282%.

BAMO-AMMO三嵌段共聚物的间接法合成及表征

以3,3′-双溴甲基环氧丁烷(BBMO)和3-溴甲基-3’-甲基环氧丁烷(BrMMO)为单体,通过活性顺序聚合法合成了BBMO-BrMMO三嵌段共聚物,并采用相转移催化法实现了3,3′-双叠氮甲基环氧丁烷-3-叠氮甲基-3′-甲基环氧丁烷(BAMO-AMMO)三嵌段共聚物的间接法合成。探讨了溶剂的选择及叠氮化反应时间的影响:选用极性和溶度参数接近的异亚丙基丙酮为溶剂,24 h后叠氮化率为99.97%。通过核磁共振(13C-NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对所得产物进行了表征,结果表明,共聚物组成接近于1∶1,分子量7053,分子量分布1.47。

端羟基P(GA-b-AMCMO)共聚醚的合成与性能

以1,3,5-三羟乙基异氰脲酸酯(THEIC)为起始剂,三氟化硼乙醚(BF3.OEt2)为催化剂,经环氧氯丙烷开环聚合和叠氮化取代等反应,首先制成带有氮杂环结构的数均相对分子质量(Mn)为2 500～3 000的三官能度叠氮缩水甘油醚(TGAP),然后以TGAP为大分子起始剂,引发3-叠氮甲基-3-氰乙氧基甲基氧丁环(AMCMO)进行开环聚合制备出一种新型叠氮粘合剂P(GA-b-AMCMO)。采用红外、核磁共振(1H-NMR和13C-NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对P(GA-b-AMCMO)的分子结构、组成和Mn进行了表征。考察了催化剂用量及投料比等因素对聚合反应的影响,确定了该体系下最优物料比为nBF3.OEt2/nAMCMO/nTGAP=1.5/13～14/1。P(GA-b-AMCMO)的Mn、羟值测试结果均表明在该优化条件下聚合较为可控,产品官能度f≥2.80,Mn达到5 000且与相应理论值均较为接近。混溶性实验表明其与硝酸酯增塑剂的混溶性较GAP有较大幅度提高。应用研究表明,P(GA-b-AMCMO)基推进剂高温拉伸强度较好(0.69～0.86 MPa/50℃),约为GAP基推进剂的2～3倍。

BAMO-AMMO的热行为及其与含能组分的相容性

采用DSC、TG-DTG程序升温法研究了3,3-二叠氮甲基氧丁环/3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环共聚物(BAMO-AMMO)的热行为,并采用DSC法和真空安定性法考察了BAMO-AMMO与含能组分RDX、HMX、DNTF、CL-20、AP、Al、NG、DIANP的相容性。结果表明,BAMO-AMMO的热分解分两个阶段进行,第一阶段分解峰温为260.3℃,较硝化棉的分解峰温高51℃,热稳定性好;第二阶段分解峰温为401.7℃;BAMO-AMMO与RDX、HMX、CL-20、AP、Al、NG、DIANP均相容,可与上述物质混合应用于火药。

端羟基P(GA-b-AMMO)的合成与表征

以1,3,5-三羟乙基异氰脲酸酯(THEIC)为起始剂,经环氧氯丙烷开环聚合和叠氮化取代等反应首先制成带有氮杂环结构的数均相对分子质量(Mn)为2500～3000的三官能度叠氮缩水甘油醚(TGAP),然后以TGAP为大分子起始剂,引发3-叠氮甲基-3-甲基氧杂环丁烷(AMMO)进行开环聚合制备出一种新型叠氮粘合剂P(GA-b-AMMO)。采用红外、核磁共振(1H NM R和13C NM R)和凝胶渗透色谱(GPC)对P(GA-b-AMMO)的分子结构、组成和Mn进行了表征。考察了聚合温度及投料比等因素对聚合反应的影响,确定了该体系下聚合的优化条件为:n(BF3.OEt2)/n(TGAP)/n(AMMO)=1.35/1/12～16,聚合温度为0～3℃。P(GA-b-AM M O)的Mn、羟值(OH)测试结果均表明在该优化条件下聚合较为可控,产品总收率≥80.0%,官能度≥2.70,Mn达到4000～4400且与相应理论值均较为接近。力学性能测试表明与均聚醚T GAP相比,P(GA-b-AM M O)表现出较好的力学性能,以异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)为固化剂,其纯胶片常温力学强度为2.04 MPa,而常温延伸率可达261%,较低分子量的TGAP提高约2倍。

交替嵌段型BAMO-AMMO热塑性弹性体的性能

以3,3′-双叠氮甲基环氧丁烷-3-叠氮甲基-3′-甲基环氧丁烷(BAMO-AMMO)三嵌段共聚物为预聚物,甲苯二异氰酸酯(TDI)和1,4-丁二醇(BDO)为扩链剂,采用溶液法合成了交替嵌段型BAMO-AMMO热塑性弹性体,并进行了结构和相关性能的表征。结果表明,弹性体中叠氮基团与氨基甲酸酯形成氢键作用,氢键键合氨基与自由氨基的摩尔比为3.56∶1。弹性体的数均相对分子质量为30432;随着扩链剂含量(w(TDI+BDO))的增加,Tg逐渐升高;TDI和BDO的质量分数为20%时,Tg为-42.14℃,拉伸强度可达9.21 MPa,断裂伸长率为375%,蠕变恢复时间为200s,其最小形变值为0.1%,具有良好的抗蠕变性和蠕变恢复能力。

BAMO-GAP基ETPE的合成与性能研究

以3,3′-二叠氮甲基氧丁环均聚物(PBAMO)和4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)为硬段,聚叠氮缩水甘油醚(GAP)为软段,1,4-丁二醇(BDO)为扩链剂,采用预聚体法合成了BAMO-GAP基含能热塑性弹性体(ETPE);采用FT-IR、NMR方法对ETPE的结构进行了表征;研究了合成条件对ETPE的力学性能、相对分子质量、玻璃化转变温度以及软化点的影响。结果表明,合成的ETPE符合预期结构;异氰酸酯指数(R)大于1时生成交联体。n(PBAMO)∶n(GAP)为0.35∶0.65时,ETPE胶片的力学性能最佳;随着n(PBAMO+GAP)∶n(MDI)∶n(BDO)中BDO比例的增大,ETPE的相对分子质量得到提高,改善了胶片的力学性能,PBAMO相对含量的提高导致玻璃化转变温度升高;软化点随n(PBAMO+GAP)∶n(MDI)∶n(BDO)中BDO所占比例、R值、n(PBAMO)∶n(GAP)的增大而升高。

BAMO/AMMO共聚物基高能固体推进剂能量特性计算和分析

用"能量计算之星"程序(ECS)计算了以3,3-二叠氮甲基氧杂环丁烷(BAMO)与3-甲基-3-叠氮甲氧基氧杂环丁烷(AMMO)的嵌段共聚物(BAMO/AMMO)为黏合剂的高能固体推进剂的能量特性。研究了添加不同增塑剂(1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、N-丁基-2-硝酸酯乙基硝胺(BuN ENA))、氧化剂(高氯酸铵(AP)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)及呋咱类化合物(3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、二硝基偶氮氧化二呋咱(DNAF)、二叠氮基偶氮氧化呋咱(DAAOF))和高能燃料(铝粉(Al)、三氢化铝(AlH 3))对推进剂能量特性参数(比冲(ISP)、燃温(Tc)、氧系数(φ),等)的影响规律。结果表明:Bu NENA增塑的推进剂比冲高于DIANP或GAP增塑的BAM O/AM M O基推进剂。Bu NENA增塑的推进剂中,随着C L-20逐步替代AP,推进剂的Tc呈现先增后减的趋势。当CL-20含量大于55%时,推进剂比冲基本保持不变,趋于最大值。当C L-20完全替代AP,比冲下降。以D N AF代替C L-20可使推进剂比冲由2723.71 N·s·kg-1提高至2798.00 N·s·kg-1。以AlH 3替代Al与CL-20,同时提高体系φ时,推进剂能量得到大幅提高。

BAMO/GAP无规共聚物/N100/IPDI体系胶片性能研究

采用3,3-双叠氮甲基氧丁环(BAMO)/叠氮缩水甘油醚(GAP)无规共聚物为预聚物,多异氰酸酯(N100)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为固化剂,1,4-丁二醇(BDO)为扩链剂合成了BAMO/GAP无规共聚物/N100/IPDI体系的粘合剂胶片,并对其进行了FT-IR、DSC、TG-DTG表征和力学性能测试。实验表明,所得的粘合剂胶片拉伸强度可达0.87 MPa,断裂延伸率大于106%,玻璃化转变温度在-50℃左右,热分解起始温度为217.0℃,具有较好的热稳定性。

含能粘合剂PAMMO的合成与性能研究

以1,4-丁二醇为引发剂,以三氟化硼乙醚络合物为催化剂,以3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环(AMMO)为单体,以CH2Cl2为溶剂,按阳离子开环聚合机理,合成了含能粘合剂3-叠氮甲基-3-甲基氧丁环均聚物(PAMMO)。重点研究了催化剂用量对聚合反应的影响,结果表明,降低催化剂用量有利于实现可控聚合。采用DCS、TGA、IR等手段研究了PAMMO的结构和性能。PAMMO的玻璃化转变温度为-40.37℃。

PBT与含能增塑剂相互作用的分子动力学模拟

为了筛选与3,3-二叠氮甲基氧丁环与四氢呋喃共聚物(PBT)粘合剂相容且与PBT混合物有低玻璃化转变温度的含能增塑剂,用分子动力学(MD)方法,模拟研究了PBT粘合剂与三缩三乙二醇二硝酸(TEGDN)、1,3-二叠氮基-2-乙基-2-硝基丙烷(DAENP)、丁基硝氧乙基硝胺(Bu-NENA)、1-烯丙基-3(5),4-二硝基吡唑(ADNP)、双2,2-二硝基丙醇缩甲醛/双2,2-二硝基丙醇缩乙醛混合物(BDNPF/A,或A3,两者质量比为1∶1)5种含能增塑剂之间的相容性、PBT/增塑剂共混物的玻璃化转变温度。分析了PBT粘合剂与含能增塑剂相互作用的原因。结果表明,含能增塑剂优劣次序为Bu-NENA>DAENP>A3>TEGDN>ADNP,TEGDN、ADNP与PBT不相容;PBT/含能增塑剂的玻璃化转变温度顺序为PBT/Bu-NENA<PBT/TEGDN<PBT/DAENP<PBT/ADNP<PBT/A3。与现用的PBT增塑剂A3相比,Bu-NENA、DAENP与PBT相容性更好,且PBT/Bu-NENA和PBT/DAENP混合体系的玻璃化转变温度更低。

PBAMO/TGAP基A_nB星型ETPE的合成与性能研究

含能热塑性弹性体（ETPE）可分为线型ETPE（LETPE）和星型ETPE（SETPE）。与组分相同、分子量相似的LETPE相比，SETPE具有许多独特的优点，如较低的熔融指数和熔体粘度，加工性能和力学性能均较好，能允许添加更多的固体填料等。

PBAMO/GAP基ABA型ETPE的偶联法合成研究

1引言 新型战术武器的发展对含能材料提出了高能、钝感和低特征信号的要求。为了适应这种要求，在研的军用粘合剂大都显示出了从惰性粘合剂到含能热固性粘合剂再到含能热塑性弹性体（ETPE）的研究趋势。

硝酸酯聚醚推进剂的能量特性

采用凝胶色谱（GPC）、DSC、密度计等方法研究了端羟基聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁环（PNMM0）的分子结构、理化和安全等性能，其密度（p）、生成焓（△Hf）、玻璃化温度（T8）和摩擦／撞击感度（Hso）分别为1．26g／cm^3、-1933．74kJ／kg、-30C、0％和109．6cm，PNMMO弹性体的最大抗拉强度（σm）和最大延伸率（εm）分别为3．54～7．72MPa和253％～279％。用推进剂能量计算程序计算了PNMMO推进剂与NEPE和GAP推进剂的理论比冲。结果表明，PNMMO推进剂的理论比冲（6．86MPa）比NEPE推进剂的值68～140N·s·kg^-1，比GAP推进剂的理论比冲低3～7N·s·kg^-1。