P(BA-MMA-AAK)对AN相稳定和吸湿性的影响研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 009 PBA-MMA-AAK对 AN 相稳定和吸湿性的 影响研究 ❋ 李 璐 周伟良 郑启龙 肖乐勤 南京理工大学化工学院 江苏南京,210094 [摘 要] 用合成的丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸钾三元共聚物[PBA-MMA-AAK]改性硝酸铵AN, 研究其对 AN 相稳定和吸湿性的影响 结果表明当 PBA-MMA-AAK的添加量为 3% 质量分数时,可以防止 AN 在 53 ℃附近的相转变,并将 AN 84 ℃左右的转晶温度提高到100 ℃左右;75 %相对湿度时,改性后 AN 的24 h 平均吸湿率降低 10. 6 % 研究表明,PBA-MMA-AAK对 AN 的改性主要是由于以下两方面的影响一方面是钾 盐的影响;另一方面是 PBA-MMA-AAK中的疏水性链段在 AN 表面形成疏水区的影响 [关键词] AN;PBA-MMA-AAK;相稳定;吸湿性 [分类号] TJ55 引言 硝酸铵AN是一种成本低廉、来源广泛、低爆 轰性、燃烧时少烟或无烟的物质;因此,在无氯推进 剂中,它可作为高氯酸铵AP的良好替代物 [1-3] 但 AN 同时也是一种多晶的物质,在常压下具有 5 种热力学稳定的晶型在 169. 6 125. 2 ℃之间以Ⅰ 型存在;在 125. 2 84. 2 ℃ 之间以Ⅱ型存在;在 84. 2 32. 3 ℃ 之间以Ⅲ型存在;在 32. 3 - 17. 0 ℃之间以Ⅳ型存在;在小于 - 17. 0 ℃ 时以Ⅴ型存 在[4-6] 当体系温度变化时,AN 晶型、晶体结构和 晶格体积也会改变,导致 AN 的应用受到了很大的 限制 因此,找到抑制或防止 AN 晶型转变的改性 措施是解决 AN 应用问题的关键 目前,可应用于 AN 的改性剂主要有无机盐、氧 化物、表面活性剂、高分子材料等 Chien 等[7]研究 发现,用硝酸钾改性 AN,当添加量达到 5% 20% 质量分数时,可以防止 AN 的Ⅳ⇌Ⅲ互变,并且将 Ⅲ⇌Ⅱ的转晶温度提高至 100 ℃左右,但总体来说 硝酸钾的添加量比较大 赵孝彬等[8]研究发现,当 氧化镍的添加量为 3% 质量分数时,可以使 AN 的转晶温度达到 70 ℃;当氟化钾添加量达到 3% 质量分数时,AN 的转晶温度在 95 ℃ 以上 谯 娟[9]研究发现,当聚丙烯酸钾PAAK的添加量超 过 2%质量分数时,相对分子质量在 1 1031 105之间的 PAAK 能够有效地抑制 AN 发生Ⅳ⇌Ⅲ 相转变,并且使Ⅲ⇌Ⅱ转晶温度提高至100 ℃以上; 在环境为 90 % 相对湿度的条件下,当添加量达到 3 %质量分数 时, AN 的 8 h 平均吸湿率降低 11. 0%,24 h 平均吸湿率降低6. 6 % 以上文献没有涉及含有疏水性链段的聚合物对 AN 的改性 因此,本文设计将疏水性链段引入 PAAK 中,合成丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸 钾三元共聚物[PBA-MMA-AAK],并用其改性 AN,在 AN 表面形成疏水区,阻止 AN 分子对水分子 的吸附,获得相稳定作用的同时,降低吸湿性 1 试验部分 1. 1 主要药品和设备 丙烯酸AA、甲基丙烯酸甲酯MMA、丙烯酸 丁酯BA、过氧化苯甲酰BPO,引发剂、过硫酸铵 引发剂、正丁醇溶剂、氢氧化钾、亚硫酸氢钠、 AN 以上药品均为 AR 试剂 聚合反应装置150 mL 四颈瓶、温度计、滴液漏 斗、回流管、数显电动搅拌机、氮气等;恒湿器,恒 温水浴烘箱;Mettler DSC 827e 差式扫描量热仪; XRD 粉末衍射仪,D8 Anvance德国布鲁克公司 1. 2 PAAK 的制备方法 在四口烧瓶中,加入一定量的链转移剂亚硫酸 氢钠水溶液 加热升温到预定温度,用滴液漏斗分 .24. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期 ❋ 收稿日期2015-12-10 基金项目总装预研重点基金9140A 280204BQ02001 作者简介李璐1990 - ,男,硕士研究生,从事含能材料研究 E-maillilu900420@163. com 通信作者周伟良1963 - ,男,研究员,从事含能材料研究 E-mailwlzhou331@163. com 别滴加丙烯酸钾AAK单体和引发剂过硫酸铵,其 中 AAK 单体由 AA 和 KOH 中和制成 1 h 滴加完 毕 恒温反应 3 h 后出料,得到淡黄色黏稠的水溶 性的 PAAK 溶液 1. 3 PAAK 改性 AN 样品的制备 在三口烧瓶中加入一定量的去离子水和一定量 的 AN,加热搅拌使之溶解,加入一定量 1. 2 合成的 PAAK,溶解均匀,加热搅拌下蒸发溶剂结晶,然后将 晶体取出,在恒温水浴烘箱中烘干,研磨,获得干燥 的 PAAK 改性 AN 样品 改变 PAAK 的添加量为 1%、2%、3%、4% 质 量分数,得到不同添加量的改性 AN 样品1#、2#、 3#、4# 1. 4 PBA-MMA-AAK制备方法 在四口烧瓶中加入 90 % 的溶剂正丁醇、1/3 单 体AA、MMA、BA、1/4 引发剂 BPO,升温至回流 回流反应 20 min 后,滴加剩余 2/3 单体、1/2 引发剂 的混合物,控制滴加速度约 3 h 滴完 然后保温反 应30 min,加入剩余的溶剂和引发剂,继续保温反应 2 h 降温至 40 50 ℃,滴加 KOH 溶液中和,搅拌 反应 0. 5 h 后,得到白色黏稠的 PBA-MMA-AAK 1. 5 PBA-MMA-AAK改性 AN 样品的制备 在三口烧瓶中加入一定量的去离子水和一定量 的 AN,加热搅拌使之溶解,加入一定质量分数 1. 4 合成的 PBA-MMA-AAK,溶解均匀,加热搅拌下 蒸发溶剂结晶,然后将晶体取出,在恒温水浴烘箱中 烘干,研磨,得到干燥的 PBA-MMA-AAK改性的 AN 样品 改变 PBA-MMA-AAK的添加量为 1%、2%、 3%、4%质量分数,得到不同添加量的改性 AN 样 品5#、6#、7#、8# 2 结果与讨论 2. 1 相转变行为的影响 将 PAAK 改性 AN 样品进行常压 DSC 测试 通 过查阅文献可知,水含量的大小会严重影响 AN 的 相转变行为,因此本文严格控制样品的水含量 测 试前,将各种样品放入 60 ℃ 真空烘箱中烘干至恒 重,然后放入干燥器中保持样品干燥 测试条件温度范围为 20 200 ℃,升温速率 10 ℃ / min ,氮气流量 20 μL / min 结果见图 1 从图 1 可以看出,纯 AN 只有 3 个转晶峰,多次 重复试验结果表明在 84 ℃附近没有出现转晶峰 有文献报道[10],在进行 DSC 测试时,当升温速率高 于 2 ℃ / min 时,纯 AN 在 84 ℃ 附近检测不到转晶 峰,而是在 53 ℃附近会有一个转晶峰,这与本试验 结果相吻合 当 PAAK 添加量质量分数 ≥1% 时,可以抑制 AN 在 53 ℃ 附近的Ⅳ⇌Ⅲ相转变;当 PAAK 的添加量达到 3% 时,可以防止 AN 在 53 ℃ 附近的Ⅳ⇌Ⅲ相转变,并将84 ℃附近的Ⅲ⇌Ⅱ转晶 温度提高到 97 ℃左右 图 1 不同添加量的 PAAK 改性 AN 的 DSC 曲线图 Fig. 1 DSC curves of AN modified by different addition amount of PAAK 当共聚物单体质量比 mBA︰mMMA︰m AAK = 1︰1︰2 时,对不同添加量 PBA-MMA- AAK改性 AN 样品进行 DSC 测试 测试前,将各 样品放入60 ℃真空烘箱中烘干至恒重,然后放入干 燥器中保持样品干燥 结果如图 2 所示 图 2 不同添加量的 PBA-MMA-AAK 改性 AN 转晶的 DSC 曲线图 Fig. 2 DSC curves of AN modified by different addition amount of PBA-MMA-AAK 从图 2 可知,当 PBA-MMA-AAK添加量质 量分数达到1%时,同样可以抑制 AN 在53 ℃附近 的Ⅳ⇌Ⅲ相转变 当 PBA-MMA-AAK添加量质 量分数达到 4 % 时,可以防止 AN 在 53 ℃附近的 Ⅳ⇌Ⅲ相转变;同时将84 ℃附近的Ⅲ⇌Ⅱ转晶温度 提高到 96 ℃左右 通过和 PAAK 改性 AN 样品的 相转变行为对比可知,若要防止 AN 在 53 ℃附近的 Ⅳ⇌Ⅲ相转变,PBA-MMA-AAK需要的添加量更 多 这是因为 PBA-MMA-AAK中除了 AAK 链段 .34.2016 年 6 月 PBA-MMA-AAK对 AN 相稳定和吸湿性的影响研究 李 璐,等 之外,还有 BA/ MMA 链段,其中对 AN 相稳定起到 关键作用的是 AAK 链段,若要达到和 PAAK 相同的 相稳定作用,PBA-MMA-AAK需要的添加量更多 从上面分析可知,若使满足相稳定要求的 P BA-MMA-AAK的添加量降低,需要调整共聚物单 体之间的比例,将 AAK 单体的用量增加 当共聚物 单体质量比为 mBA︰mMMA︰mAAK =1︰ 1︰3 时,对不同添加量 PBA-MMA-AAK改性 AN 样品进行 DSC 测试 测试前,将各样品放入 60 ℃ 真空烘箱中烘干至恒重,然后放入干燥器中保持样 品干燥 PBA-MMA-AAK 的添加量为 1%、2%、 3%的改性 AN 样品分别为 9#、10#、11#,样品的 DSC 曲线如图 3 所示 从图 3 可知,当共聚物单体质量比 mBA︰m 图 3 PBA-MMA-AAK改性 AN 转晶的 DSC 曲线图 Fig. 3 DSC curves of AN modified by PBA-MMA-AAK MMA︰mAAK =1︰1︰3 时,添加量 3% 质量 分数的 PBA-MMA-AAK可以防止 AN 在53 ℃附 近的Ⅳ⇌Ⅲ相转变,同时将84 ℃附近的Ⅲ⇌Ⅱ转晶 温度提高到 100 ℃ 左右 因此采用单体质量比 m BA︰mMMA︰mAAK = 1︰1︰3 的共聚物 改性 AN,相稳定效果更好 这是因为 mBA︰m MMA︰m AAK = 1︰1︰3 的 P BA-MMA- AAK中对 AN 相稳定起关键作用的 AAK 链段更 多,达到相稳定作用需要的 PBA-MMA-AAK添加 量更少,因此相稳定效果更好 2. 2 吸湿性的影响 用饱和氯化钠溶液人为制造相对湿度R. H. 75%的环境,将饱和氯化钠溶液倒入干燥器的底部, 然后将干燥器放入恒温烘箱中,保持环境温度为 30 1℃ 在称量瓶中精确称量 PAAK 改性 AN 样品和 PBA-MMA-AAK[mBA︰m MMA︰m AAK =1︰1︰3]改性 AN 样品,放入恒湿器中,吸 湿一定时间后,将样品取出称质量,然后计算各吸湿 时间内的平均吸湿率,结果见表 1 和表 2 从表 1 和表 2 中可知,添加 PAAK 对 AN 吸湿 性改善效果并不明显,当其添加质量分数达到 3 % 时,可以使 AN 的24 h 平均吸湿率降低3 %;然而添 加 PBA-MMA-AAK却可以有效改善 AN 的吸湿 性,当共聚物添加质量分数达到 3 % 时,可以使 AN 的 24 h 平均吸湿率降低 10. 6 % 通过对比可知,PBA-MMA-AAK能更好地改 善AN的吸湿性因为共聚物中的极性部分和AN 表 1 PAAK 改性 AN 样品各时间段内的平均吸湿率 Tab. 1 Average moisture absorption rate of AN modified by PAAK in each period 样品 改性剂添 加量/ % 平均吸湿率/ % 1 h2 h4 h6 h8 h24 h AN00. 491. 33. 44. 86. 820. 2 1#10. 781. 43. 45. 07. 221. 2 2#20. 691. 43. 14. 66. 519. 1 3#30. 831. 63. 44. 86. 719. 6 表 2 PBA-MMA-AAK改性 AN 样品各时间段内的平均吸湿率 Tab. 2 Average moisture absorption rate of AN modified by PBA-MMA-AAK in each period 样品 改性剂添 加量/ % 平均吸湿率/ % 1 h2 h4 h6 h8 h24 h AN00. 470. 961. 842. 854. 5214. 20 9#10. 410. 831. 752. 714. 4613. 60 10#20. 420. 921. 722. 674. 3713. 10 11#30. 400. 811. 692. 544. 2812. 70 .44. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期 分子结合在一起,而非极性部分为疏水性链段,可以 在 AN 表面形成疏水区,阻止 AN 分子对水分子的 吸附,从而使 AN 的吸湿率降低 2. 3 XRD 表征 将原料 AN、PBA-MMA-AAK改性 AN 样品 9# 和 11#在常温下进行 XRD 检测,观察晶型变化 结 果如图 4 所示 图 4 PBA-MMA-AAK改性 AN XRD 图 Fig. 4 XRD curves of AN modified by PBA-MMA-AAK 从图 4 可以看出,9#和 AN 出峰位置基本一致, 峰相对强度有所变化;而 11#与 AN 相比,出峰位置 明显发生变化 查看 XRD 标准图谱可得,当 AN 处 于Ⅲ 相时,其主要出峰位置在 19. 50、22. 73、 26. 19、27. 68、31. 41、34. 00、37. 10、39. 71 比 较可知,11#的出峰位置和 AN 处于Ⅲ相的出峰位置 比较吻合,说明 11#常温下以Ⅲ相存在,不发生Ⅳ⇌ Ⅲ相转变,这与 11#转晶的 DSC 曲线是一致的 2. 4 PAAK 和 PBA-MMA-AAK改性 AN 机理 探讨 AN 转晶主要与 NO - 3 的转动、体系的氢键网络 有关 当体系温度升高,NO - 3 的转动加快,氢键网 络受到削弱,就有可能发生转晶 因此,为了抑制或 防止 AN 发生转晶,需阻碍 NO - 3 转动,并且加强体 系的氢键网络,使 AN 晶体结构无法向另一种结构 转变,从而达到晶型稳定的目的[11] PAAK 和 PBA-MMA-AAK对 AN 有很好的相 稳定作用 一方面是由于 K + 对 NH + 4 的取代作用 由于 K + 半径比 NH + 4 半径略小,因此 K + 取代 NH + 4 会造成 AN 晶胞体积减小,晶体结构更加牢固,NO - 3 的振动受到阻碍,并且体系的氢键网络得到加强;随 着体系中 K + 含量增加,AN Ⅳ⇌Ⅲ之间的转变受 阻、Ⅲ⇌Ⅱ之间的转晶温度有所上升;当 K + 的添加 量达到一定值时,可以有效地防止 AN 发生Ⅳ⇌Ⅲ 相转变,并且使Ⅲ⇌Ⅱ之间的转晶温度提高 另一 方面是由于聚合物中的极性基团羧基与 AN 中的 NH + 4 发生离子偶极作用,使体系的氢键网络增强, NO - 3 转动受到阻碍,AN 不易发生晶型变化[9,11] 从 PAAK 和 PBA-MMA-AAK对 AN 吸湿性的 影响可知,PBA-MMA-AAK对 AN 的吸湿性改善 比 PAAK 更有效,其机理是由于共聚物中的极性部 分 AAK 和 AN 分子结合在一起,而非极性部分 MMA/ BA 为疏水性的链段,可以在 AN 表面形成疏 水区,阻止 AN 分子对水分子的吸附,从而使 AN 的 吸湿率降低 机理如图 5 所示 图 5 PBA-MMA-AAK改性 AN 机理图 Fig. 5 Mechanism diagram of AN modified by PBA-MMA-AAK 3 结论 1将疏水性链段引入 PAAK 中,用合成的 P BA-MMA-AAK对 AN 进行改性,不仅能够防止 53 ℃附近的Ⅳ⇌Ⅲ转变,并可将84 ℃附近的Ⅲ⇌Ⅱ转 晶温度提高到 100 ℃左右 2合成的 PBA-MMA-AAK不仅对 AN 具有较 好的相稳定作用,还能较好地改善 AN 的吸湿性 3共聚物单体的组成、共聚物分子量及 AN 改 性的工艺对 AN 相稳定和吸湿性的影响较大 4PBA-MMA-AAK具有相稳定和改善吸湿性 双效作用的机理为一方面是钾盐的影响;另一方面 是 PBA-MMA-AAK中的疏水性链段在 AN 表面形 成疏水区的影响 参 考 文 献 [1] 吕春绪. 工业炸药理论[M]. 1 版. 北京兵器工业出版 社,2003. 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Consequently, PBA-MMA-AAK can be used as phase stabilizer of AN mainly because of the existence of potassium and the hydrophobic segments of PBA-MMA-AAK which form a hydrophobic region on the surface of the ammonium nitrate. [KEY WORDS] ammonium nitrate AN; PBA-MMA-AAK;phase stabilization; moisture absorption .64. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 3 期