摘 要

中性聚合物键合剂（NPBA）是由美国化学家Kim C S发明的一种高分子键合剂，其在实际应用中可以极大地提升某些高能固体推进剂的性能。本实验中通过丙烯腈和丙烯酸羟乙酯两种单体在丙酮溶剂中的共聚反应来合成NPBA，通过研究粘均分子量和羟值来对该共聚反应进行优化。通过引发剂（AIBN）、链转移剂(β-ME)的作用原理，以及两种单体的竞聚率来设计出优化实验。最终通过一系列的实验得出在反应温度为65℃，丙烯腈(AN)和丙烯酸羟乙酯(HEA)质量比为5:5加料比下，合成分子链上两种单体的分布较为均匀，粘均分子量大小为5000的产物所需要的条件。

关键词：中性聚合物键合剂；羟值；粘均分子量

Abstract

Neutral Polymer Bonding Agent (NPBA) is a polymer bonding agent invented by American chemist Kim C S, which can greatly improve the performance of certain high energy solid propellants in practical applications. In this experiment, NPBA was synthesized by copolymerization of acrylonitrile and hydroxyethyl acrylate in acetone solvent. The copolymerization reaction was optimized by studying the viscosity average molecular weight and hydroxyl value. The optimization experiment was designed by the principle of action of initiator (AIBN), chain transfer agent (β-ME), and the reactivity ratio of the two monomers. Finally, through a series of experiments, the distribution of the two monomers in the synthetic molecular chain is relatively uniform at a reaction temperature of 65 ° C and a mass ratio of acrylonitrile (AN) and hydroxyethyl acrylate (HEA) of 5:5. The conditions required for a product having a viscosity average molecular weight of 5,000.

Key Words: NPBA；Hydroxyl value；Viscosity average molecular weight

目 录

学位论文原创性声明 I

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1固体推进剂简介 1

1.1.2固体推进剂的脱湿现象 1

1.2 中性聚合物健合剂（NPBA） 1

1.2.1 NPBA的产生背景 1

1.2.2 NPBA的作用机理 2

1.3 NPBA目前研究现状 2

1.4 AN-HEA的共聚反应 3

1.4.1实验方法 3

1.4.2分子量的要求 3

1.4.3羟值的要求 3

第二章 实验部分 5

2.1 实验药品和设备 5

2.2实验设计 5

2.2.1 合成实验原理 5

2.2.2 合成反应实验设计 7

2.2.3 实验步骤 9

2.3本章小结 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 NPBA产物的红外光谱图分析 12

3.2排除聚丙烯酸羟乙酯的干扰 12

3.3影响因素讨论 13

3.3.1链转移剂用量对分子量的影响。 13

3.3.2滴加时间对羟值的影响 14

3.3.3原料配比对羟值的影响 20

3.4本章小结 22

第四章 结论 23

4.1 实验结论 23

4.1 未来与展望 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1固体推进剂简介

固体推进剂是一种高能固体燃料，在实际应用中，它可以通过燃烧释放的大量能量来为火箭系统，卫星和战略导弹等提供动力^[1]。从组成结构上，固体推进剂可以分为均相固体推进剂，例如传统的双基推进剂，它是由高分子硝化纤维素和多元醇硝酸酯所组成；还有一种是非均相固体推进剂，例如复合固体推进剂，它是由紧密混合的燃料，氧化剂和聚合物粘合剂组成的一系列非均相含能材料^[2]。

在固体推进剂的发展中，提高能量密度一直是主要目标。因此可以通过加入某些高能材料（HEMS），如六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）、二硝酰胺铵（ADN）等可以提高推进剂的比冲量或密度比冲量^[3]。硝酸酯增塑的聚醚推进剂（NEPE推进剂）是当今世界上应用的比冲最高的固体推进剂，标准理论比冲达270s，密度达1.86g/m^3[4]。它集合了复合推进剂与双基推进剂优点，既有双基推进剂的高能和复合固体推进剂的良好的力学性能。所以未来推进剂的发展将是以研究类似NEPE这种综合性能良好推进剂为研究方向 ^[5]。

1.1.2固体推进剂的脱湿现象

在固体推进剂中，粘合剂的作用是粘接推进剂中的所有组分，使各组分均匀分布，产生良好的力学性能^[6]。但是在外力负载下，粘合剂和固体氧化剂填料之间的键合作用会减弱，这个过程叫做脱湿。脱湿会降低推进剂的力学性能和破坏材料组织结构中的体积单元^[7]。在宏观表征上，推进剂的基体本身会出现一些微小的孔洞和细微的裂纹^[7]。

“脱湿”现象主要是发生在基体与填料之间的界面处，使其界面处的粘合作用降低。所以可以通过添加键合剂的方法来增强其键合作用，增强其力学性能。

1.2 中性聚合物健合剂（NPBA）

1.2.1 NPBA的产生背景

NEPE推进剂是一种高能燃料。它是由20世纪70年代末由美国赫克力斯公司研制，80年代初开始使用的一种新型硝胺类固体推进剂。由于NEPE具有良好的综合性能，所以一经问世就得到了广泛的关注。但是由于NEPE的粘合剂是由聚乙二醇(PEG)和高能硝酸酯组成，导致常用的小分子键合剂容易溶解在这种强极性粘合剂中。因此普通的键合剂在粘合剂和基体填料中起到键合作用，导致无法改善其力学性能。

为了解决常用小分子键合剂会溶解在强极性粘合剂中而无法起到键合作用的问题，人们想到可以采用高分子键合剂来对NEPE推进剂进行改良。于是在20世纪90年代，美国化学家Kim发明了中性聚合物健合剂（NPBA），为提供了解决NEPE推进剂的健合剂的依据，并且在实践中也得到了检验^[8]。这种键合剂使推进剂的初始模量、抗张强度大幅度提高，同时还保持了较好的延伸率，使得NEPE推进剂的性能大大提高，从而解决了NEPE推进剂的应用问题^[9]。

1.2.2 NPBA的作用机理

在键合剂分子当中，一条分子链上含有多种活性不同的基团。它们中的一部分基团是对聚合物的基体有亲和作用，通常来说它们是与粘合剂之间发生化学反应从而形成化学键或氢键，来加强键合剂和基体之间的相互作用。还有一部分基团是对氧化剂填料键合剂有亲和作用，通过与填料的表面产生物理或者化学作用，来加强与固体填料之间的结合。因此两种不同作用的两种基团可以在固体填料和基体之间形成一架“分子桥”，增加两者之间的交联作用^[10]。当推进剂受到载荷作用时，出现的轻微裂纹将会引导至黏合剂基体中，而保持固体表面颗粒的稳定，避免固体表面颗粒发生“脱湿”现象，从而大大提高了推进剂的力学性能。