舒君玲，龐愛民，王小強(qiáng)，張一帆，楊 威

(1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽(yáng) 441003；2.應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽(yáng) 441003； 3.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽(yáng) 441003)

0 引言

氣體發(fā)生劑是由火藥(推進(jìn)劑)演化而來(lái)，最初黑火藥被用作氣體發(fā)生劑[1]。根據(jù)產(chǎn)氣劑種類，煙火型氣體發(fā)生劑分為疊氮類和非疊氮類。非疊氮類主要有唑類、胍類、嗪類、呋咱類、硝銨類、偶氮類、碳酰肼、氨基脲類等[2-7]，疊氮類氣體發(fā)生劑主要為疊氮化鈉。疊氮化鈉(Sodium Azide,SA)，作為較早使用的煙火式氣體發(fā)生劑，具有感度低[8]、燃溫低、燃速調(diào)節(jié)范圍大、產(chǎn)氣量大、產(chǎn)生的氣體是潔凈無(wú)毒的氮?dú)獾忍攸c(diǎn)。早在20世紀(jì)90年代，對(duì)疊氮化鈉熱分解機(jī)理及催化劑、燃速調(diào)節(jié)劑進(jìn)行過(guò)大量研究[9-14]，并成功應(yīng)用在汽車安全氣囊用氣體發(fā)生器[15-18]。隨著疊氮化鈉氣體發(fā)生劑低溫、低燃速、潔凈性能進(jìn)一步發(fā)展，疊氮化鈉作為小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輔助氣動(dòng)源，用于導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)、陀螺儀、衛(wèi)星推力器[19]、民航飛機(jī)增壓器等對(duì)溫度敏感性及氣體成分要求高的精密儀器。

疊氮化鈉燃溫、燃速、穩(wěn)定性能與熱分解溫度、活化能和誘導(dǎo)期等有關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)疊氮化鈉熱分解進(jìn)行了大量結(jié)構(gòu)化學(xué)、化學(xué)熱分析動(dòng)力學(xué)等理論研究，純疊氮化鈉及多組分配方熱分解性能參數(shù)如表1和表2所示。Secco[20]認(rèn)為，疊氮化鈉熱分解從晶面向中心移動(dòng)，在未分解疊氮化鈉與白色殘?jiān)g有明顯的界限。英國(guó)劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的Walker[21]認(rèn)為熱分解開始于斜方六面體晶體的邊緣并向平行于鈉和疊氮根離子位面向內(nèi)推進(jìn)，分解與未分解疊氮化鈉界面可由在不同聚集狀態(tài)下鈉分解產(chǎn)物的三種顏色區(qū)域顯示。印度的Krishna Mohan和Pal Verneker[22-23]，對(duì)Ba2+、SO42-離子摻雜對(duì)疊氮化鈉的熱分解的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為異價(jià)離子對(duì)疊氮化鈉熱分解影響較小。Torkar[24]認(rèn)為熱分解是由離子擴(kuò)散速率控制的，離子擴(kuò)散與異價(jià)離子半徑及價(jià)態(tài)有關(guān)。McGill[25]認(rèn)為離子價(jià)態(tài)越高、半徑越大對(duì)晶格進(jìn)行拉伸造成晶格缺陷數(shù)增加，單質(zhì)鈉從晶格缺陷處逸出，從而增加分解速度。Jacobs[26]認(rèn)為電子轉(zhuǎn)移對(duì)熱分解有重要影響，摻雜能夠促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。柴玉萍[27]研究發(fā)現(xiàn)疊氮化鈉熱分解前期失重很慢、很少，達(dá)到分解溫度或誘導(dǎo)期后放熱反應(yīng)十分劇烈，認(rèn)為疊氮化鈉熱分解遵從鏈反應(yīng)。

本文研究了單組分聚氨酯、硼改性酚醛樹脂兩種有機(jī)碳多孔骨架結(jié)構(gòu)包覆對(duì)疊氮化鈉熱分解的影響，尋求一種低燃溫、低燃速、潔凈、性能穩(wěn)定等綜合性能良好的催化劑。

表1 純疊氮化鈉熱分解性能參數(shù)

表2 多組分疊氮化鈉配方熱分解性能

1 試驗(yàn)

1.1 原材料包覆

如表3所示，分別設(shè)計(jì)樣品A、B，將原材料在5 L混合機(jī)中混合1 h，使單組分聚氨酯和硼改性酚醛樹脂兩種高分子多碳有機(jī)物對(duì)疊氮化鈉顆粒充分包覆，利用美國(guó)FEI Quanta 650型環(huán)境掃描電鏡對(duì)原材料包覆結(jié)果進(jìn)行觀察。表中，SA為疊氮化鈉(sodium azide)；MS為硬脂酸鎂(magnesium stearate)。如圖1，為硼改性酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)，硼改性酚醛樹脂為改進(jìn)型高分子量、低游離酚熱固型酚醛樹脂，粉末狀，固化溫度160～180 ℃，相對(duì)分子質(zhì)量為800左右，凝膠速度71 s/160 ℃，游離酚含量<4.98%，分解溫度515 ℃。合成聚氨酯的單體為已二酸二新戊醇酯(C16H30O6)和異氟爾酮二異氰酸酯(C12H18N2O2)，單體質(zhì)量配比為1∶1，合成過(guò)程如公式(1)、公式(2)，該聚氨酯氧平衡值為-2.133，儲(chǔ)存形式是固含量為31%的溶液，溶劑為異丙醇和乙酸乙酯體積比為7∶3的混合液。配方組分分子結(jié)構(gòu)式見圖1。原材料性能參數(shù)見表4。

表3 配方組分

其中，R1、R2分別為

圖1 硼改性酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)

表4 原材料性能參數(shù)

1.2 熱分析

對(duì)疊氮化鈉樣品配方進(jìn)行DSC-TG試驗(yàn)，儀器設(shè)備為德國(guó)NETZSCH STA449F3。采用升溫法進(jìn)行疊氮化鈉熱分解的研究，樣品A質(zhì)量為0.3～0.7 mg，樣品B質(zhì)量為0.3～0.5 mg，升溫速率分別為2、5、10、20 K/min，加熱溫度范圍40～500 ℃。將儀器升溫到實(shí)驗(yàn)溫度，加入試樣，獲得DSC-TG曲線，利用ASTM E698和Ozawa 法計(jì)算了熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)表觀活化能Ea。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 包覆結(jié)果

(1)單組分聚氨酯包覆結(jié)果

單組分聚氨酯包覆SEM圖如圖2所示。由SEM圖觀測(cè)可知道，單組分聚氨酯的溶劑乙酸乙酯經(jīng)過(guò)烘箱加熱蒸發(fā)掉，單組分聚氨酯與疊氮化鈉經(jīng)過(guò)充分混合后，以塊狀包覆在疊氮化鈉表面，小顆粒氧化鐵均勻分布在大顆粒疊氮化鈉表面，三價(jià)Fe3+具有磁性，SEM測(cè)試中出現(xiàn)部分磁偏轉(zhuǎn)。

(2)硼改性酚醛樹脂包覆結(jié)果

熱固性硼改性酚醛樹脂呈白色粉末狀，顆粒大小為75～187.5 μm，比疊氮化鈉顆粒小1倍，以固態(tài)顆粒的形式包覆疊氮化鈉顆粒，圖3為硼改性酚醛樹脂包覆疊氮化鈉顆粒SEM圖。

圖2 單組分聚氨酯包覆SEM圖

圖3 硼改性酚醛樹脂包覆SEM圖

2.2 熱性能分析

2.2.1 變溫?zé)岱纸鈩?dòng)力學(xué)結(jié)果

使用TG-DSC聯(lián)用儀測(cè)試單組分聚氨酯混合物體系和酚醛樹脂混合物體系兩個(gè)樣品在不同升溫速率下的變溫?zé)岱纸馇€，見圖4、圖5。由熱分解曲線可見，熱分解初始階段，樣品幾乎不分解，隨著加熱溫度升高至DSC熱分解曲線峰溫處，樣品TG失重曲線出現(xiàn)同步急劇下降。

(a)2 K/min (b)5 K/min

(c)10 K/min (d)20 K/min

(a)2 K/min (b)5 K/min

(c)10 K/min (d)20 K/min

2.2.1 變溫?zé)岱纸鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)

(1)反應(yīng)速率

對(duì)兩個(gè)樣品TG失重曲線進(jìn)行處理，將失重信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量轉(zhuǎn)化率φ，進(jìn)行歸一化處理，得φ與時(shí)間t的關(guān)系曲線，φ(t)=m(t)/m(t0)，其中，m(t)為t時(shí)刻失重量，m(t0)為最終的總失重量。見圖6，樣品在不同溫度下的熱分解曲線都呈“S”型。對(duì)于同一樣品，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率增大，反應(yīng)所需時(shí)間縮短。

(a)單組分聚氨酯

(b)硼改性酚醛樹脂

(2)熱分解溫度

對(duì)兩個(gè)樣品DSC熱分解曲線進(jìn)行分析，如圖7所示。結(jié)果表明，升溫速率對(duì)單分子聚氨酯熱分解溫度有影響，升溫速率越快，熱分解溫度越高。與表1中純疊氮化鈉熱分解溫度平均值430 ℃相比，升溫速率為2 K/min時(shí)，樣品A熱分解溫度最低為393 ℃；升溫速率為20 K/min時(shí)，樣品A最高熱分解溫度為414 ℃，單組分聚氨酯熱分解溫度最高下降37 ℃，沒(méi)有明顯降低疊氮化鈉熱分解溫度。

升溫速率對(duì)硼改性酚醛塑酯熱分解溫度有影響，升溫速率越快，熱分解溫度越高。與表1中純疊氮化鈉熱分解溫度平均值430 ℃相比，升溫速率為2 K/min時(shí)，樣品B熱分解溫度最低為374 ℃；升溫速率為20 K/min時(shí)，樣品B最高熱分解溫度為404 ℃，硼改性酚醛樹脂最高降低疊氮化鈉熱分解溫度56 ℃，促進(jìn)疊氮化鈉熱分解。

(a)單組分聚氨酯

(b)硼改性酚醛樹脂

3 分析與討論

利用熱分解實(shí)驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)對(duì)熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)活化能進(jìn)行定量研究，計(jì)算活化能最常用的是變溫法Kissinger法、ASTM E698法、Ozawa法及恒溫法Avrami-Erofeev方程等，這些方法計(jì)算表觀活化能結(jié)果較一致。本文利用ASTM E698 法和Ozawa 法計(jì)算了熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)表觀活化能Ea。

(3)

(4)

表5 單組分聚氨酯、硼改性酚醛樹脂熱分解參數(shù)計(jì)算

ASTM E698和Ozawa法線性擬合結(jié)果如表6所示。由ASTM E698和Ozawa法計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單組分聚氨酯混合物體系表觀活化能分別為385.3、396.5 kJ/mol；硼改性酚醛樹脂混合物體系表觀活化能分別為275、286 kJ/mol，兩種方法計(jì)算結(jié)果較一致。與表1中純疊氮化鈉熱分解活化能值163 kJ/mol相比，硼改性酚醛樹脂和單組分聚氨酯都提高了疊氮化鈉熱分解表觀活化能，使疊氮化鈉熱分解更穩(wěn)定，達(dá)到熱分解所需能量更高，這與實(shí)驗(yàn)中，加入硼改性酚醛樹脂和單組分聚氨酯后配方需要更多點(diǎn)火能量結(jié)果一致。

表6 線性擬合結(jié)果

(a)ASTM E698 (b)Ozawa

(a)ASTM E698 (b)Ozawa

4 結(jié)論

(1)單分子聚氨酯對(duì)疊氮化鈉熱分解促進(jìn)作用不明顯；硼改性酚醛樹脂降低了疊氮化鈉熱分解溫度，促進(jìn)了疊氮化鈉的熱分解。

(2)硼改性酚醛樹脂和單組分聚氨酯均提高了疊氮化鈉熱分解活化能，提高了疊氮化鈉的穩(wěn)定性，這與點(diǎn)火試驗(yàn)初始狀態(tài)需要更多點(diǎn)火能量結(jié)果一致。