新型二茂铁离子化合物的合成、结构、迁移性及其对含能化合物热分解的催化作用

二茂铁类离子化合物论文 迁移性论文
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二茂铁作为燃速催化剂可以很好地改善端羟基聚丁二烯(HTPB)/高氯酸铵(AP)复合固体推进剂的燃烧性能。目前商品化的烷基二茂铁类燃速催化剂由于分子量小,添加了它们的HTPB/AP推进剂在加工和储存过程中会发生迁移、挥发、被氧化、结晶等现象,导致燃速催化剂在推进剂中分布不均匀,推进剂燃烧不稳定,严重影响了各类导弹中推进剂药柱的使用寿命。为解决这些问题,本文引入含能离子型化合物的概念,通过调节二茂铁季铵盐氮原子上的碳链长度,并与含能阴离子配对,合成了一系列含能离子型二茂铁化合物,以期降低中性二茂铁化合物的迁移性和挥发性,提高推进剂的能量水平。本文的研究工作如下:以单核和双核二茂铁季铵盐为阳离子源,以1,1,2,3,3-五氰基丙烯酸吡啶盐、1,1,2,5,6,6-六氰基-3,4-二氮己二烯酸四乙基铵盐、斯蒂芬酸钠盐作为阴离子源,以水和少量甲醇作为溶剂,设计合成了 48种新型二茂铁类含能离子化合物,通过1H NMR,13CNMR,FT-IR,UV/Vis,EA表征了它们的结构,部分化合物通过X-射线单晶衍射进行了进一步表征,所测结果表明所合成的化合物与目标产物结构一致。并测定了这些化合物的电化学性质、热稳定性、迁移性、挥发性和对固体推进剂主组分的燃烧催化作用。通过循环伏安法测试了所合成化合物的电化学性质。实验数据显示,化合物1-48的EPa均比中性分子NBF、TBF、Catocene的高出200mV以上,说明所合成的化合物不宜被氧化。化合物1-8的氧化还原电位小于或等于80 mV,且Ipa/Ipc在1.0~1.5之间,因此它们是氧化还原可逆体系;除此之外的化合物,AEP值均大于80mV,是不可逆的氧化还原体系。通过TG和DSC技术研究了所合成化合物的热稳定性。结果显示,大部分化合物的热稳定性良好。相同条件下,五氰酸根类化合物的热分解温度高于六氰酸根类化合物的热分解温度;阴离子相同时,双核二茂铁类离子化合物的热稳定性优于单核二茂铁类化合物的热稳定性;对于结构相似的同类化合物来说,不同长度烷基链对化合物的热稳定性影响不大。迁移性实验结果显示:TDI交联的HTPB/二茂铁离子化合物的混合物在70 ℃下恒温7-30天,这些新化合物有一定的迁移。恒温30天后,所合成的含能离子化合物迁移率为0-1.25%,远小于相同条件的中性化合物卡托辛迁移率(38.14%)。在阴离子部分相同时,阳离子部分碳原子个数越多,其迁移率越高,这是由于碳原子个数增多,分子极性也逐渐减小,分子间作用力也有一定减弱。双核二茂铁类化合物由于分子量较大,其迁移率较小,迁移率大小顺序为:双核二茂铁类化合物<单核二茂铁类化合物;对于不同阴离子而言,其迁移率大小顺序为:多酚类化合物<六氰酸根类化合物<五氰酸根类化合物。多酚类化合物由于含有较多的硝基和氧原子,因此分子内和分子间有较丰富的氢键,使得分子更加稳定。70℃恒温24h热重数据显示,多酚类化合物的失重率在0.1%-4.3%之间,小于中性分子卡托辛的失重率(4.4%),双核类离子化合物的挥发性小于单核类离子化合物。燃烧催化性能评价结果表明:在AP中添加不同质量分数的新化合物,AP其本身在的晶型转变温度并未发生明显变化,但其低温分解阶段和高温分解阶段的放热变的更加集中,放热范围由原来的170 ℃左右逐渐缩窄为100 ℃左右,放热量增大,通过比较放热量确定了化合物的最佳添加比例。其中化合物45-47以5 wt.%添加到AP中,其放热量达-1514.5~-1727.7J·g-1,催化效果优于同等条件下的卡托辛;所合成的化合物添加到RDX中时,多数化合物使RDX的分解峰温提前,放热量增大,其中化合物44使得RDX的分解过程释放出热量最多,达-1599.2 J.g-1,是RDX本身放热量的两倍多;所合成的化合物添加到HMX中时,部分化合物能够使HMX分解峰温提前,但放热量没有明显增大,催化效果并不明显。综上所述,所合成的化合物均具有低的迁移性和挥发性,并且对推进剂主组分AP和RDX有较好的催化效果,是一类潜在的二茂铁燃速催化剂。
摘要第3-5页
Abstract第5-7页
主要化合物代码以及命名第10-12页
第1章 绪论第12-26页
    1.1 引言第12页
    1.2 二茂铁类燃速催化剂的应用及研究进展第12-22页
        1.2.1 商品化的二茂铁类燃速催化剂存在的问题第13-14页
        1.2.2 小分子型二茂铁类燃速催化剂第14-16页
        1.2.3 大分子型二茂铁类燃速催化剂第16-19页
        1.2.4 二茂铁配合物类燃速催化剂第19-20页
        1.2.5 离子型二茂铁类燃速催化剂第20-22页
    1.3 二茂铁类燃速催化剂的催化和迁移机理第22-23页
    1.4 设计目标及主要工作第23-26页
        1.4.1 设计思路第23-24页
        1.4.2 主要工作第24-26页
第2章 新型二茂铁离子化合物的合成与结构表征第26-54页
    2.1 引言第26页
    2.2 试剂与仪器第26-27页
        2.2.1 试剂第26页
        2.2.2 主要仪器第26-27页
    2.3 合成部分第27-42页
        2.3.1 原料的制备第27页
        2.3.2 以1,1,2,3,3-五氰基丙烯酸为阴离子的二茂铁季铵盐的制备第27-32页
        2.3.3 以1,1,2,5,6,6-六氰基-3,4-二氮己二烯酸为阴离子的二茂铁季铵盐的制备第32-37页
        2.3.4 以斯蒂芬酸为阴离子的二茂铁季铵盐的制备第37-42页
    2.4 结构表征第42-51页
        2.4.1 晶体结构描述第42-49页
        2.4.2 红外分析第49-51页
        2.4.3 紫外分析第51页
    2.5 小结第51-54页
第3章 新型二茂铁离子化合物的电化学性质、热稳定性、迁移性和挥发性研究第54-72页
    3.1 引言第54-55页
    3.2 实验试剂与仪器第55页
        3.2.1 实验试剂第55页
        3.2.2 实验仪器第55页
    3.3 实验过程及实验结果分析第55-69页
        3.3.1 电化学性质研究第55-62页
        3.3.2 热稳定性测试第62-65页
        3.3.3 迁移性实验研究第65-68页
        3.3.4 挥发性实验研究第68-69页
    3.4 小结第69-72页
第4章 新型二茂铁类离子化合物对含能化合物热分解的催化作用第72-88页
    4.1 引言第72页
    4.2 实验试剂与仪器第72-73页
        4.2.1 实验原料第72页
        4.2.2 实验仪器第72-73页
    4.3 实验过程及实验数据分析第73-87页
        4.3.1 新型二茂铁类离子化合物对AP热分解的催化作用第73-78页
        4.3.2 新型二茂铁类离子化合物对RDX热分解的催化作用第78-82页
        4.3.3 新型二茂铁类离子化合物对HMX热分解的催化作用第82-87页
    4.4 小结第87-88页
总结第88-90页
参考文献第90-98页
附录第98-120页
致谢第120-122页
攻读硕士期间科研成果第122页
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论文编号ABS3781151,这篇论文共122页
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