[发明专利]富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种含能燃烧催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯及其制备方法和应用。

背景技术

固体推进剂是陆、海、空各类导弹和火箭弹完成发射和推进的含能材料，在导弹和航天技术发展中起着重要的作用，而固体推进剂燃烧性能调节是推进剂应用研究的核心之一。根据固体发动机稳定工作的需求，一般希望推进剂具有燃速可调范围宽和压强指数低的燃烧性能，而这种燃烧性主要通过添加燃烧催化剂实现。由此可见，燃烧催化剂是调节固体推进剂燃烧性能不可缺少的组分之一，是固体推进剂配方中非常关键的功能材料。因此，在现有推进剂主要成分不变的情况下，寻找性能优良的燃烧催化剂已成为提高推进剂性能的主要方向。

目前，传统双基或改性双基推进剂常选用碳及铅、铜的有机、无机盐或过渡金属的氧化物及盐作为燃烧催化剂，这些催化剂在改善推进剂燃烧性能方面均有不同程度的催化作用而使推进剂燃速提高，并获得“平台”燃烧特性；但是由于这些催化剂都属于惰性催化剂，对推进剂能量有损失，活性也较低，不能满足未来的战术导弹对固体推进剂高能量、低特征信号、钝感和少污染等要求。因此，不断探索、研究和应用新型高效的燃速催化剂，拓宽推进剂燃速范围、降低压强指数，始终是推动剂研究人员致力解决的的技术难题之一。

聚缩水甘油醚硝酸酯(PGN)含氧质量分数高，用于推进剂配方中可大大改善推进剂燃烧过程的氧平衡，燃气也较为洁净；以PGN为粘合剂的推进剂，可少用或不用感度较高的硝酸酯增塑剂，从而提高了推进剂使用的安全性。因此，PGN特别适合作为固体火箭推进剂、混合炸药、枪炮发射药的热固性能粘合剂，是近几年国内外重点研究的高能固体推进剂含能粘合剂之一。虽然PGN有其他含能粘合剂所不具备的优势，但固化后易降解的缺陷一直是其应用瓶颈，限制了其应用范围。如何进一步提高固化后PGN的老化性能是一个迫切需要解决的问题，随着高分子技术的突破，使获得高官能度、高相对分子质量的PGN成为可能，从而为解决PGN预聚物固化后的稳定性，提高其力学性能创造了条件。

富勒烯C₆₀是碳的第三种同素异形体，包括巴基球、巴基管、巴基葱三大类碳原子团簇。将富勒烯及其含能衍生物添加到固体推进剂中，能够显著提高推进剂的能量。如果将一些含能原子或基团引入到富勒烯C₆₀后，其能量还会提高。例如，现有技术CN201210219389.X公开了一种富勒烯胺铅盐衍生物及其制备方法和用途，该富勒烯胺铅盐衍生物以富勒烯C₆₀和胺为原料，以蒸馏水为溶剂，通过亲核加成反应合成得到富勒烯胺衍生物，富勒烯胺衍生物再和硝酸铅反应制成。该富勒烯胺铅盐衍生物兼具金属盐和炭黑的催化性能，为钝感改性双基推进剂提供一种综合性能优异的新型燃烧催化剂或助剂；但是，由于铅盐具有较大的毒性，污染大不环保；且燃烧分解生成的氧化铅在发动机排气中产生白色或浅蓝色烟，不利于导弹研制和隐身。同时，采用蒸馏水为极性溶剂，不利于C₆₀加成反应。因此，如何在温和条件下高选择性、高产率的合成富勒烯高分子衍生物是当前亟待解决且富有挑战性的工作。目前，还未见将含能聚合物-聚缩水甘油醚硝酸酯引入到富勒烯球上，形成一种全新的笼形含能材料添加剂-富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯及其制备方法和应用，该富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯可克服现有固体火箭推进剂加入惰性燃烧催化剂时引起的推进剂能量降低问题，并且，将其加入推进剂中，可使推进剂燃速范围变宽、压强指数降低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯，富勒烯衍生物具有式(I)所示的化学结构式：

式中：n＝2～20。

一种富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯的制备方法，包括以下步骤：

(1)丙二酸二单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯的合成：在缚酸剂存在下，以单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯与丙二酰氯为原料，通过酯化反应合成得到丙二酸二单甲基封端的聚缩水甘油醚硝酸酯；

(2)溴代丙二酸二单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯的合成：将步骤(1)中合成的丙二酸二单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯与溴代试剂原料通过溴代反应，合成得到溴代丙二酸二单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯；

(3)富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯的合成：将步骤(2)中合成的溴代丙二酸二单甲基聚缩水甘油醚硝酸酯与富勒烯原料在催化剂存在条件下，通过宾格尔反应，合成得到富勒烯聚缩水甘油醚硝酸酯。

进一步，包括以下步骤：