2008年12月 内蒙古科技大学学报 Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology December,2008 Vo1.27,No.4 第27卷4期 文章编号:1004—9762(2008)04—0341—05 新型高分子键合剂的合成及其性能的研究 王延铭 一,赵庆华 ,孙翔宇 ,田福利 (1.内蒙古科技大学生物与化学工程学院,内蒙古包头014010;2.内蒙古大学化学化工学院,内蒙古呼和浩特 010021;3.中国航天科工六院,内蒙古呼和浩特010000) 关键词:键合剂;抗拉强度;延伸率 中图分类号:0621.25 文献标识码:A 摘要:为解决推进剂的脱湿问题合成出了3.烯丙基.5,5一二甲基海因(ADMH),并将其分别与两组单体进行反应 物配比不同的共聚,得到6个共聚物键合剂.将其应用到NEPE推进剂(酯增塑聚醚高能推进剂)的某个配方 中,进行了力学性能测试.试验结果表明,ADMH可有效提高推进剂在常温、高温和低温时的最大抗拉强度、最大延 伸率和断裂延伸率;6个聚合物键合剂可大幅度提高最大抗拉强度,但对延伸率的提高还有待研究. The synthesis of several macromolecule bonding agents and the study on their properties WANG Yan.ruing ,ZHAO Qing.hua ,SUN Xiang-yu ,TIAN Fu—li (1.Biological and Chemical Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2. Chemistry and Chemical Engineering School,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China;3.The Sixth Academy of China Aero— space Science and Industyr Corporation,Hohhot 010000,China) Key words:bonding agent;tensile strength;elongation ratio Abstract:3一allyl-5,5-dimethyl was synthesized to solve the dewetting problem of propellants.Six copolymer bonding agents were pre— pared after 3-allyl-5,5-dimethyl copolymerized with two groups of monomers respectively at diferent proportion.Then the bonding a— gents were used in a certain NEPE propellant to test their mechanical properties.The results show that ADMH can improve the maxi・ mum tensile strength,the maximum and fraction elongation ratio of the propellants at room temperature,high temperature and low tern— perature effectively.The six polymer bonding agents can improve the maximum tensile strength of the propellants greatly,hut further study should be done to improve the elongation ratio of the propellants. 在固体推进剂向高能化方向发展中,在固体推 推进剂中加入合适的键合剂 J.本文以5,5一二甲基 海因为原料合成出了3一烯丙基.5,5一二甲基海因单 进剂配方中引入含能材料如含能粘合剂、含能增塑 剂、高能氧化剂等是提高能量的主要途径.但随着高 能氧化剂(主要是黑索金、奥克托金等)的加入,就 会使固体填料与粘结剂界面的粘结性能变差,对推 进剂的力学性能、燃烧性能和储存性能十分不利.比 较突出的是当推进剂承受一定的载荷时容易发生 体,并将其与两组配给物,一组为甲基丙烯酸B.羟 乙酯与丙烯腈,一组为丙烯酸B.羟乙酯与丙烯腈, 分别进行配比不同的共聚反应,得到每组3个,共计 2组6个共聚产物.将合成出的海因单体和6个高 分子聚合物分别作为键合剂应用到NEPE推进剂 “脱湿”现象,即固体推进剂在受一定应力作用时易 发生断裂¨。 .解决这一问题的有效方法之一是在 (酯增塑聚醚高能推进剂)的某个配方中,制备 成固体推进剂方坯,进行了力学性能测试. } 收稿日期:2008—09—05 作者简介:王延铭(1974一),女,内蒙占临河人,内蒙古科技大学讲师,硕士 342 内蒙古科技大学学报 2008年l2月 第27卷第4期 l 实验 1.1实验试剂及仪器 实验所采用试剂除5,5.二甲基海因>99%,烯 丙基溴为化学纯外,其余试剂均为分析纯. 分析产物采用的红外光谱仪为美国Nicolet公 司magna5550型仪器,元素分析仪为德国Elementar 公司的Vario ELlll型仪器,质谱仪为美国HP公司的 5890/5972MSD型仪器,核磁共振仪为德国Bruker 公司的avance DPX一400型仪器,凝胶渗透色谱仪 采用的是美国waters公司的2410型RI检测器, 2487型UV检测器和515型恒流泵。 1.2单体3.烯丙基-5,5.二甲基海因的合成 化学反应方程式如下: 《 {+BrCHzCH=CH: H2C=HCH ̄CN\-c/ NI‘ 'N H 、cH3 CH3 在装有搅拌器和回流冷凝管的250 mL三口烧 瓶中加入10 mL无水甲醇、6.4 g 5,5-二甲基海因、 6.1 g烯丙基溴和25 mL含2.8 g氢氧化钾的水溶 液.水浴加热到60℃,搅拌条件下反应3 h.将所得 无色透明溶液室温减压干燥,再将所得固体物质用 石油醚重结晶,得白色片状晶体 l5】.产率为 43.58%~61.40%.测其熔程为7O~71 qC. 1.3共聚物的合成 第一组:将制得的单体3.烯丙基5,5.二甲基海因与 甲基丙烯酸B.羟乙酯和丙烯腈进行反应物配比不同的 共聚,合成出聚合物a m聚合物b,聚合物e(表1). 表1 第一组聚合物的主要参数 Table1 Parameters of No.1 group of polymers 表2第二组聚合物的主要参数 Table2 Parameters of No.2 group of polymers 第二组:将3一烯丙基_5,5一二甲基海因与丙烯酸 8一羟乙酯和丙烯腈进行反应物配比不同的共聚,合 成出聚合物a ,聚合物b ,聚合物C (表2). 2结果与讨论 2.1 对海因产物的结构测试 为了检验所制得海因产物的结构式,对其做了 元素分析、红外光谱、核磁共振谱及质谱分析. 元素分析结果见表3. 表3 4-烯丙基.5。5-二甲基海因的元素分析数据 Table3 The element analysis result of 3・allyl-5.5-dim- ethylhydantoin(ADMH) 测量值与理论值相符,说明其化学式为 C8H12N202. 红外分析结果见图1. r 红外谱图在3 200 elTl 处出现了N—H伸缩振 动吸收峰,在2 978 em 处出现了CH 的伸缩振动 吸收峰,在1 700 em 处出现了C一0的伸缩振 动吸收峰,在1 450 em 处出现了N—H的弯曲振 动吸收峰,在908,992cm-1处出现了一CH:的弯 曲振动吸收峰. 核磁谱图分析结果见图2,3. 核磁谱图各吸收峰的归属为:1.32 ppm(6H, S,一CH3),3.98 ppm(2H,d,CH2),5.05 ppm(2H, 四重峰,一CH2),5.76 ppm(1H,m,CH一). 质谱分析结果见表4. 表4 3.烯丙基.5。5-二甲基海因的质谱数据 Table4 MS of 3-allyl-5.5-dimethylhydantoin(ADMH) m/z=168为分子离子吸收峰,m/z=153为失 去一甲基后的离子吸收峰,m/z=41为烯丙基离子 吸收峰.MS(m/z)所测定的分子离子峰与分子计算 值一致,各种离子碎片的实测值和计算值基本相符. 王延铭等:新型高分子键合剂的合成及其性能的研究 343 wa、’ ̄nunlber,era- 图1 3-烯丙基-5,5二甲基海因的红外谱图 Fig.1 IR of 3-allyJ-5。5-dimethylhydantoin V HN/ NcH cH=c}i1 5_76 。 …l l 9.5 8 5 7 5 6 5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 O.5×l i 图2 3-烯丙基一5。5二甲基海因的核磁谱图 Fig.2 1HNMR of 3-allyl-5.5-dimethylhydantoin 3 o 2 6 l 。 ,, ●I ●_ 宝1,8 : × 1.4 . 4 58 1e8 1.o _ ● l l 6 0 ㈧ 70 。 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 图3 3-烯丙基-5。5二甲基海因的质谱谱图 Fig.3 MS of 3-allyl-5。5-dimethylhydantoin(ADMH) 内蒙古科技大学学报 2008年12月 第27卷第4期 元素分析、红外光谱和核磁共振谱及质谱分析 可证明所得物质就是目标产物3一烯丙基-5,5.二甲 基海因. 个高分子聚合物键合剂在经过相容性实验,确认其 与推进剂各组分有良好的相容性之后,应用到 NEPE推进剂的某个配方中,制备成固体推进剂方 2.2键合剂力学性能的测试 把所制得的1个单体(也可用作键合剂)和6 Table 5 坯,分别在2O,70和一40℃进行力学性能测试,所 得结果列于表5,6,7. 表5 20 ̄C的最大抗拉强度盯 、最大延伸率8 和断裂延伸率£ Maximum tensile strength。maximum and fraction dongation ratio at 20 ̄C 从表5数据可以看出,在常温下ADMH使推进 提高了93.5%;但这三个聚合物同时也使得推进剂 剂的最大抗拉强度提高了19.4%,最大延伸率提高 了35.7%,断裂延伸率提高了33.1%.聚合物使最 的最大延伸率和断裂延伸率大幅度下降.而第二组 中,聚合物a ,b 和c 则在最大抗拉强度上分别提高 了100.0%,135.5%和135.5%.推进剂的最大延伸 大抗拉强度成倍的提高,第一组聚合物中,聚合物a 使最大抗拉强度提高了96.8%,聚合物b使最大抗 拉强度提高了103.2%,聚合物C使最大抗拉强度 Table 6 率和断裂延伸率也有较大幅度下降,但降低程度明 显低于第一组相对应的聚合物. 表6 7OqC的最大抗拉强度盯 、最大延伸率£ 和断裂延伸率£ Maximum tensile ̄rength,maximum and fraction dongation ratio at 70 oC 从表6数据可以看出,在较高温下ADMH使推 进剂的最大抗拉强度和延伸率提高得更多.其中抗 拉强度提高了43.5%,最大延伸率提高了37.5%, 断裂延伸率提高了51.2%.第一组聚合物使最大抗 拉强度提高幅度也很大,分别为26.1%,30.4%和 30.4%;延伸率下降幅度仍然很大.第二组聚合物使 最大抗拉强度提高幅度也很大,分别为82.6%, 100.O%和104.3%;延伸率下降幅度也很大,但降 低程度还是明显低于第一组相对应的聚合物. 表7 —4O℃的最大抗拉强度盯 、最大延伸率£ 和断裂延伸率8 Table 7 Maximum tensile strength。maximum and fraction elongation ratio at一40 oC 王延铭等:新型高分子键合剂的合成及其性能的研究 345 从表7数据可以看出,在低温时ADMH使推进 剂的最大抗拉强度和延伸率提高的幅度不如常温和 (3)两组键合剂相比,第二组明显比第一组的 性能要好,可使推进剂的最大抗拉强度提升幅度更 高温.但是两组聚合物使最大抗拉强度提高幅度很 大,分别为83.5%,86.8%和86.8%,以及104.4%, 115.4%和164.8%;延伸率下降幅度比常温和高温 要低很多. 结合表5,6和7来看,在2O℃时,加入第二组 键合剂的推进剂与加入第一组键合剂的推进剂相比 大,而最大延伸率以及断裂延伸率下降幅度要低得 多. (4)与空白样相比,两组高分子聚合物键合剂 的应用使推进剂的最大抗拉强度大幅度提高,但造 成推进剂延伸率有较大的下降,所以对该键合剂还 有待于做进一步的完善. 参考文献: [1]Kincaid J F,Reed R.Bonding agent for HMX EP3.US: 4350542,1982—09—21. 最大抗拉强度提高了1.6%一21.7%;最大延伸率 下降幅度降低了22.2%~52.5%;断裂延伸率下降 幅度降低了48.4%一87.0%;70 qC时,加入第二组 键合剂的推进剂与加入第一组键合剂的推进剂相比 三种机械性能提升率分别为44.8%一56.7%, 40.3%一75.6%,31.3%一59.5%;一40 oC时,则分 别提高了11.4%~41.8%,0.5%一92.3%,0.02% ~[23 Consaga J P.Bonding agent for composite propellants [P].US:4944815,1990—07—31. [3] Oberth A E.Polymeric-Based Propellants Manufacture, Hazards and Testing[P].ACS:88110,1969. [4] Sun Yuyu,Sun Gang.Novel Regenerable N-Halamine Polymeric Biocides。Ⅲ.Grafting Hydantoin—Containing 35.2%.机械性能有明显提升. 3 结论 (1)ADMH作为键合剂使推进剂在常温、低温、 高温下的最大抗拉强度、最大延伸率和断裂延伸率 都有不同程度的提高. (2)不同温度下的力学性能测试结果表明,在 Monomers onto Synthetic Fabrics[J 3.Journal of Ap・ plied Polymer Science,2001,81(2):1517—1525. [5 3 Sun Yuyu,Sun Gang.Novel Regenerable N-Halamine Polymeric Biocides.I.Synthesis,Characterization,and Antibacterial Activity of Hydantoin—Containing Polymers 常温和低温下聚合物键合剂使推进剂的最大抗拉强 度提高幅度要大于高温状态. 、 、 [J3.Journal of Applied Polymer Science,2001,80 (6):2460 2467. 、 ) , 、 (上接第340页) [123 Liu J,Wan M X.Self-assembled conducting polypyrrole of Polyaniline Nanofibers by Adjusting the Oxidant Red- OX Potential[-J].Adv Mater,2007,19:465-469. micro/nanotubes ̄J].J Mater Chem,2001,11:404, 407. [16; Deng Junying(邓俊英),Zhang Zhiming(张志明),Yu Liangming(于良明),Wan Meixiang(万梅香).Self- assembled ployaniline micro/nanotubes doped with [13]Wan M X,Wei Z X,Zhang Z M,Zhang L J,Huang K,Yang Y S.Studies on Nanostructures of Conducting hydrofluoric acid[J].Acta Polymerica Sinica(高分子 学报),2007,(3):277.281. f-Assembly of Polyaniline— [17-] Zhang L J,Wan M X.SelPolymers via Self-assembly Method[J].Syn Met, 2003,135~136:175—176. [142 Zhang Z M,Wang L Q,Deng J Y,Wan M X.Self-as. sembled nanostructures of polyaniline doped with poly From Nanotubes to Hollow MicrospheresE J-].Adv Funct Mater.2003,13:815—820. (3-thiopheneacetic acid)[J].React Funct Polym, 2008,68:1081—1087. [183 Zhang L J,Wan M X.Nanoscaled polyaniline fibers prepared by ferric chloride as an oxidant ̄J-].Macroml Rapid Commun.2006.27:366.37 1. [153 Ding H J,Wan M X,Wei Y.Controlling the Diameter