Химия полимеров Синтетические полимеры компоненты энергетических

Химия полимеров

Синтетические полимеры ─ компоненты энергетических материалов • Синтетические полимеры являются компонентами наполненных энергонасыщенных материалов. К типичным представителям этой группы энергетических материалов относятся смесевые твердые ракетные топлива (СТРТ) и некоторые виды смесевых взрывчатых материалов. энергонасыщенных Характерная композитов это особенность то, что таких содержание полимерного компонента в их составах, как правило, не велико, в то время как основное содержание составляют твердые порошкообразные наполнители: окислители, ВВ, металлическое горючее.

Компонентный состав смесевых топлив Содержание компонентов, мас. % Компонент Топливо ПЭКА-18 Топливо ПЭКА-54 Каучук СКДКТР 11, 5 9, 2 Перхлорат аммония 53, 5 45, 4 Алюминий 18 17 Гексоген 15 26, 3 Дополнительны е добавки 2, 0 2, 1

Свойства энергетических материалов • Технологические свойства СТРТ • Механические свойства СТРТ • Энергетические характеристики СТРТ

Технологические свойства СТРТ • Технологические свойства СТРТ определяются такими его характеристиками, как вязкость и растекаемость. Уровень вязкости топливных масс обусловливает способ и технологические режимы переработки композиции в изделие. В свою очередь, вязкость композиции зависит от величины молекулярной массы, молекулярно-массового распределения, полярности и гибкости молекул полимера, а также от способности полимера смачивать поверхность наполнителей.

Механические свойства СТРТ • Механические свойства энергетических материалов (например, прочность, деформация, модули упругости и ползучести) определяются молекулярной массой, молекулярно-массовым распределением и полярностью полимера, пространственной плотностью сетки и трехмерной способностью макромолекул полимера образовывать адгезионные связи с поверхностью частиц наполнителя.

Связующие СТРТ • Связующие в СТРТ являются, как правило, пространственно сшитыми полимерами, находящимися в высокоэластическом состоянии. Высокоэластическое состояние связующего способствует снижению уровня напряжений в заряде в результате быстрого протекания релаксационных процессов. По этой причине в качестве полимерной основы связующего обычно применяют малополярные эластомеры, имеющие низкую температуру стеклования. Для снижения температуры стеклования в состав связующего вводят пластификаторы. Введение пластификаторов одновременно улучшает реологические свойства связующих и топливных масс. Содержание пластификаторов в связующих, особенно при использовании полимеров с большой молекулярной массой, может быть очень большим (до 80 -90 мас. %).

Энергетические свойства СТРТ • Энтальпия образования полимера пластификатора • Количество и тип наполнителей и

Основные характеристики полимеров – компонентов СТРТ Характеристика Свойства топлив или технологического процесса их изготовления, зависящие от данной характеристики Энтальпия образования. Элементный состав, соотношение водород/углерод. Коэффициент избытка кислорода. Плотность Удельный импульс, температура горения, объем и состав газообразных продуктов горения Температура стеклования. Деформационно-прочностные свойства Молекулярная масса молекулярно-массовое распределение Регулярность строения молекул и Вязкость и растекаемость топливных масс при температурах переработки. Деформационно-прочностные свойства. Способность к кристаллизации полимера в составе топлива

Основные характеристики полимеров – компонентов СТРТ Характеристика Свойства топлив или технологического процесса их изготовления, зависящие от данной характеристики Вид, количество и характер распределения в макромолекуле функциональных групп, обеспечи-вающих возможность отверждения топливных масс Способ и режимы отверждения, скорость отверждения. Деформационно-прочностные свойства Содержание полярных групп Температура стеклования. Вязкость топливных масс. Адгезионное взаимодействие связующего наполнителями. Деформационно-прочностные свойства. Термодинамическая совместимость полимера с пластификаторами Возможность введения в состав связующего пластификаторов для регулирования технологических, физико-механических свойств топлива. Возможность введения в состав топлива больших количеств энергетически активных пластификаторов для увеличения его удельного импульса. Стабильность структуры и свойств топлива при производстве, хранении и эксплуатации. с

Основные характеристики полимеров – компонентов СТРТ Характеристика Свойства топлив или технологического процесса их изготовления, зависящие от данной характеристики Химическая и термическая стабильность, химическая совместимость с компонентами рецептуры Гарантийные сроки хранения, безопасность производства Взрывчатые характеристики: чувствительность, критический диаметр детонации, скорость детонации Безопасность производства и эксплуатации Низкая стоимость, доступные сырьевая и производственная базы Себестоимость готовых изделий, возможность массового изготовления

Неактивные и активные связующие • В зависимости от химического состава полимера и пластификатора, влияющего на энергетические свойства композиции, различают энергетически активные и неактивные связующие. Компоненты неактивных связующих состоят из веществ с низкой энтальпией образования, не способных к самостоятельному горению. Примером таких связующих являются полибутадиены, пластифицированные трансформаторным маслом. В состав активных связующих может входить один или несколько энергетически активных компонентов – полимеров и пластификаторов. Энергетически активные полимеры и пластификаторы могут содержать нитро-, нитратные, нитроаминные, азидные и другие группировки атомов, которые обуславливают высокую (в ряде случаев положительную) энтальпию образования. На основе активных связующих создают высокоплотные смесевые ракетные топлива с высоким единичным импульсом.

Три способа формирования пространственной сетки в связующих СТРТ • Химическое отверждение • Гелеобразование • Микрофазовое расслоение

Химическое отверждение • При химическом отверждении пространственная сетка образуется в результате химической реакции между макромолекулами отверждающими (сшивающими) полимера и агентами. Этот способ отверждения топливных масс наиболее распространен.

Гелеобразование • Процессы гелеобразования характерны для технологии пластизольных СТРТ. В качестве связующих таких топлив применяют пластизоли – коллоидные дисперсии твердых стеклообразных частиц полимера в жидком пластификаторе. Отверждение пластизольных композиций происходит в результате набухания частиц полимера в пластификаторе при повышенных температурах и последующего охлаждения. После набухания полимера образуется гомогенная эластичная полимерная матрица. Гелеобразование это процесс превращения вязкотекучего пластизоля в высокоэластический пластигель – однородный пластифицированный полимер, не обладающий пластичностью. Узлами пространственной сетки, в этом случае, является совокупность относительно прочных и стабильных межмакромолекулярных физических связей (водородная связь и диполь-дипольное взаимодействие), образующихся при наличии в полимере специфических, например, функциональных групп (карбоксильных, гидроксильных, нитрильных).

Микрофазовое расслоение • Такой способ отверждения возможен для термообратимых материалов на основе блок-сополимеров (термоэластопластов). В состав молекул блоксополимера входит 15 -30 % жестких и 70 -85 % эластичных блоков. Вследствие термодинамической несовместимости этих блоков происходит микрофазовое расслоение – жесткие блоки агрегируются в домены, распределенные в непрерывной матрице, состоящей из эластичных блоков. Домены, находящиеся при температурах хранения и эксплуатации материала в стеклообразном или кристаллическом состоянии, являются узлами пространственной сетки. Они обеспечивают прочностные, а эластичная матрица деформационные свойства материала. При нагревании домены плавятся или расстекловываются и вся композиция переходит в вязкотекучее состояние, а при последующем охлаждении – обратно в высокоэластическое.