含能配合物型燃速催化劑的制備、表征及性能研究

李瑛（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽 712000）

燃速催化劑是調(diào)節(jié)和改善固體推進(jìn)劑彈道性能不可缺少的組分之一，是固體推進(jìn)劑配方中非常關(guān)鍵的功能材料。 提高能量是固體推進(jìn)劑研究發(fā)展過程中一直追求的主要目標(biāo)， 而在推進(jìn)劑中使用含能催化劑后，可提高推進(jìn)劑的能量。 本文以碳酰肼含能配合物為研究的重點(diǎn)進(jìn)行分析。

1、含碳酰肼含能配合物的制備和表征

碳酰肼是一種白色晶體， 屬于肼的衍生物， 分子式為NH2 NHCONHNH2。 由于其良好的配位能力和較強(qiáng)的還原性，在含能材料領(lǐng)域中得到了較廣泛的應(yīng)用。

1.1、原料及實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑：金屬碳酸鹽為分析純，苦味酸，碳酰肼為工業(yè)品，精制后用于配合物的合成。

1.2、結(jié)構(gòu)表征測(cè)試儀器及條件

元素分析中碳、氫、氮元素含量由德國Elementar Vario Micro CUBE 型全自動(dòng)微量元素分析儀測(cè)定。 紅外特征光譜圖（FT－IR）用Bruker Equinox 55 型傅立葉變換紅外光譜儀， 采用KBr 壓片法， 在4000cm－1—400cm－1 波長(zhǎng)范圍內(nèi)分析得到， 分辨率為4cm－1。

1.3、典型操作

（1）苦味酸碳酰肼鈷、銅含能配合物的典型操作：

在水浴加熱的條件下，將9.16 g（0.04 mol）的苦味酸粉末分散在100 mL 蒸餾水中， 并把0.022 mol 相應(yīng)的金屬碳酸鹽粉末加入上述溶液中，再加入少許碳酸鹽粉末反應(yīng)完全后，留取濾液（A）。 將9.68g（0.08mol）的碳酰肼溶于100 mL 的蒸餾水中，加入少量苦味酸粉末酸化該溶液，使其完全溶解，得到的溶液（B）。 把溶液A 逐滴滴加到溶液B 中，將反應(yīng)物倒出后過濾、洗滌烘干。

（2）苦味酸碳酰肼鉛含能配合物的制備的典型操作：

在水浴加熱的條件下，將6.62g（0.02 mol） 硝酸鉛溶解于80 mL 、1mol/L 的碳酰肼水溶液中， 完全溶解后留取濾液 （A）。 將9.16 g（0.04 mol）的苦味酸粉末分散于100 mL 蒸餾水中，加熱至60 ℃、攪拌條件下用氫氧化鈉溶液中和，至體系形成黃色透明溶液，過濾后，得到的溶液（B）。 把溶液B 逐滴滴加到溶液A 中反應(yīng)，將反應(yīng)物抽濾，洗滌烘干。

通過對(duì)這3 種配合物的紅外特征峰進(jìn)行了指配， 在這3 種目標(biāo)配合物中均有明顯的C＝O、C－NO2 和N－H 的特征吸收峰存在，證明這3 種配合物均含有碳酰肼和苦味酸分子，且配體與金屬離子發(fā)生了鍵合。

2、含能配合物型催化劑的性能研究

2.1、含能配合物對(duì)AP熱分解特性的影響

為了研究制備的目標(biāo)配合物型催化劑對(duì)于AP 熱分解特性的影響，將目標(biāo)催化劑與AP 按照1∶1 的質(zhì)量比混合，運(yùn)用DSC測(cè)定混合物的熱分析特征量。

（1） 純AP 的DSC 曲線有一個(gè)吸熱峰和兩個(gè)放熱峰， 其中245.9 ℃處的吸熱推測(cè)是由AP 的晶型轉(zhuǎn)換引起的，AP 由斜方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄怠?301.2 ℃左右的放熱峰是AP 的第一個(gè)分解階段（低溫分解），經(jīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成NH3 和HClO4。在446.3 ℃下的放熱峰是AP 的第二個(gè)分解階段 （高溫分解），AP 完全分解為氣體產(chǎn)物。

（2）催化劑Co（CHZ）（PA） 使AP 的晶型轉(zhuǎn)變溫度僅發(fā)生了微小的改變；AP 的低溫和高溫分解峰無論從峰型還是峰值都發(fā)生了明顯的變化， 其中AP 初始分解溫度從288.4 ℃降低到281.1℃，低溫和高溫分解峰出現(xiàn)了合并，只在314.6 ℃出現(xiàn)了大的放熱峰。 以上說明催化劑Co（CHZ）（PA）的存在為AP 的轉(zhuǎn)晶過程提供了一定的能量補(bǔ)給，對(duì)低溫分解過程催化效果不明顯。

2.2、含能配合物對(duì)HMX熱分解特性的影響

為了研究制備的目標(biāo)配合物型催化劑對(duì)HMX 熱分解特性的影響， 將目標(biāo)催化劑與HMX 按照1∶1 的質(zhì)量比混合， 運(yùn)用DSC 測(cè)定混合物在10℃/min 升溫速率下的熱分析特征量。 純HMX 的DSC 曲線有一個(gè)吸熱峰和一個(gè)放熱峰，其中195.9 ℃處的吸熱是由HMX 的晶型轉(zhuǎn)換引起的。 緊接著在290.0 ℃左右的強(qiáng)烈放熱峰是分解峰， 這個(gè)過程伴隨著大量的熱量放出。 采用DSC 法研究了制得的6 種含能配合物對(duì)氧化劑AP 和HMX 的催化熱分解作用。 催化劑對(duì)兩種氧化劑都表現(xiàn)出了一定催化效果，其中催化劑Cu（CHZ）（PA） 和Cu（DAT）（PA）對(duì)AP 的熱分解影響最為顯著，將AP 的初始分解溫度分別提前了30.8 ℃和33.8℃。 催化劑Co （CHZ）（PA） 和對(duì)HMX 的熱分解影響最顯著，將HMX 的初始分解溫度分別提前了81.2℃和82.3 ℃。

結(jié) 論

含能燃速催化劑不但能增加推進(jìn)劑的比沖， 還可以降低推進(jìn)劑煙霧特征信號(hào)和二次焰信號(hào)， 是今后燃速催化劑的一個(gè)研究方向。 以碳酰肼為配體，以鈷、銅、鉛為中心離子，以苦味酸為外界陰離子，制得6 種含能配合物。 用元素分析和紅外光譜法測(cè)定了分子的組成和特征基團(tuán)， 結(jié)果表明這些產(chǎn)品均為目標(biāo)配合物，為今后探索新型的高能、綠色高效的含能配合物型燃速催化劑奠定了基礎(chǔ)。

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