绿色气体发生剂水合五唑金属盐及其制备方法与流程

本发明属于含能材料技术领域，涉及一种绿色气体发生剂水合五唑金属盐及其制备方法。

背景技术：

气体发生剂又称产气剂，是指燃烧后能够产生气体的各种物质，属于固体推进剂的一个门类。由于叠氮化钠基气体发生剂的发生剂工艺较成熟，目前仍主要用于安全气囊中，但其本身的剧毒性影响使用。非叠氮气体发生剂的研究日趋活跃，包括唑类、嗪类、胍类、偶氮类等可燃剂的气体发生剂。然而这些可燃剂在发生危险或者老化等的极端情况下，可能存在燃烧失控的隐患。因而，研制绿色气体发生剂势在必行。

因此，需要提供一种绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O的制备方法以解决上述问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种绿色气体发生剂水合五唑金属盐的制备方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种绿色气体发生剂水合五唑金属盐的制备方法，包括以下步骤：

1)、配备钠金属盐的乙醇和水混合溶液，配备五唑的乙醇和水混合溶液，其中，Na离子的浓度和五唑的浓度相同；

2)、将钠金属盐的乙醇和水混合溶液和五唑的乙醇和水混合溶液混合得到第二混合溶液，其中，钠金属盐的乙醇和水混合溶液和五唑的乙醇和水混合溶液的体积比为1:1；

3)、将步骤2)得到的第二混合溶液超声处理，然后过滤得到第三混合溶液；

4)、将步骤3)得到的第三混合溶液放置在恒温恒湿箱中静置，其中，恒温恒湿箱中温度为40℃-80℃，湿度为10％，溶剂快速挥发，直至溶剂挥发1/2；

5)、将温度降低至10℃，湿度100％，溶剂缓慢挥发，得到水合五唑金属盐NaN₅·H₂O。

更进一步的，步骤1)中钠金属盐的乙醇和水混合溶液中乙醇和水的体积比为4～6:6～4，步骤1)中五唑的乙醇和水混合溶液中乙醇和水的体积比为4～6:6～4。

更进一步的，步骤1)中钠金属盐为NaCl、Na ₂SO₄或NaNO₃。

更进一步的，步骤1)中Na离子的浓度为1mol/L，五唑的浓度为1mol/L。

更进一步的，步骤3)中超声处理的时间为30分钟。

更进一步的，步骤3)中用超滤膜进行过滤。

更进一步的，步骤1)中配备五唑的乙醇和水混合溶液中五唑由芳基五唑切断获得。

更进一步的，步骤2)中当第二混合溶液中有沉淀析出或变浑浊时，加入乙醇或去离子水至澄清。

有益效果：本发明的绿色气体发生剂水合五唑金属盐的制备方法简单高效，其具有金属无机框架结构，对制得的水合五唑金属盐采用热力学-质谱联用仪器进行热分解表征，可以看出，该结构的热稳定性良好，在加热到150度时，迅速分解放出大量的氮气，且无任何气体可燃性气体或有毒气体产生。

本发明还公开了一种绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O，水合五唑金属盐NaN₅·H₂O具有金属无机框架结构。

有益效果：本发明的绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O的热稳定性良好，在加热到150度时，迅速分解放出大量的氮气。无任何气体可燃性气体或有毒气体产生。本发明的水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O是一种综合性能优异的绿色环保型气体发生剂。

本发明还公开了水合五唑金属盐NaN₅·H₂O用于气体发生剂。

有益效果：水合五唑金属盐NaN₅·H₂O用于气体发生剂，热稳定性良好，在加热到150度时，迅速分解放出大量的氮气。无任何气体可燃性气体或有毒气体产生。本发明的水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O是一种综合性能优异的绿色环保型气体发生剂。

说明书附图

图1为本发明的绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O(100)晶面的结构示意图；

图2为本发明的绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O(001)晶面的结构示意图；

图3为本发明的绿色气体发生剂水合五唑金属盐NaN₅·H₂O(100)晶面的结构示意图；

图4为水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O的热分析图；

图5为实施例1的质谱检测图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

请参与图1、图2和图3所示，发明人由芳基五唑切断获得五唑负离子，分离纯化后通过与常规钠盐的复分解反应，获得具有稳定的金属无机框架结构的的水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O，该衍生物具有高能、高生成热、高气体生成量，产生气体清洁等特性，这些特性要明显优于现有的各类气体发生剂。

五唑负离子N₅^-是全部由N元素组成的含能片段，在一定条件下可分解为氮气。与可燃性气体发生剂相比，不存在引起燃烧的危险，同时不需要或仅需少量的添加氧化剂。另外，与高毒性的叠氮化合物相比，五唑负离子的毒性也较低。总之，基于五唑盐的气体发生剂，具有高爆、高生成热、高气体生成量、低毒绿色的优点，是气体发生剂的理想选择。

本发明中水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O的合成用下述方程式(I)表示：

由五唑负离子化合物制备水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O包括如下步骤：

a.配钠金属盐(Na⁺)1mol/L(1aq)的乙醇和水混合溶液，金属盐阴离子为Cl^-，SO₄^2-,NO₃^-等基团；其中，乙醇/水混合溶液的体积比为40％:60％～60％:40％。

b.配浓度为1mol/L五唑的乙醇和水混合溶液；其中，乙醇/水混合溶液的体积比为40％:60％～60％:40％。

c.将上述两份溶液等体积混合，若混合后立即有少量沉淀析出或变浑浊，则加乙醇或去离子水至澄清；

d.超声三十分钟，用超滤膜过滤；

e.放置在恒温恒湿箱中静置，湿度10％，溶剂快速挥发，直至溶剂挥发1/2；其中，恒温恒湿箱温度控制在40～80℃。

f.将温度降低至10℃，湿度100％，溶剂缓慢挥发，有晶体形成。获得的晶体经单晶衍射表征，结构如下图1、图2和图3所示，其中，水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O的单晶结构，图1为(100)晶面；图2为(001)晶面；图3为(100)晶面。

本发明提供了水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O的单晶衍射表征方法及气体发生剂的热力学性能。

请参阅图4所示，对所制得的水合五唑钠金属盐呈现出金属无机框架结构，采用热力学-质谱联用仪器进行热分解表征。该结构的热稳定性良好，在加热到150度时，迅速分解放出大量的氮气。无任何气体可燃性气体或有毒气体产生。

实施例1

五唑负离子溶液的制备

请参阅图5所示，在25mL的三口烧瓶中加入5mL甲醇/乙腈，置于低温反应器中降温冷却至-45℃，而后加入0.191g 3,5-二甲基-4-羟基芳基五唑(1mmol)，将0.966g四丁基溴化铵(3mmol)溶于1mL去离子水+1mL甲醇的混合溶液中，冷却至-45℃后加入三口烧瓶中。随后将1.645g铈铵硝酸盐(3mmol)和0.1g四水合氯化亚铁(0.5mmol)溶于3mL去离子水和3mL甲醇的混合溶液中，冷却至-45℃后滴加到三口烧瓶中，搅拌反应30min后，升温至0℃，继续反应2小时后，以质谱检测反应液，确认生成了五唑负离子。然后过滤，旋蒸，用10ml甲醇浸泡，滤去不溶副产物。滤液旋蒸干燥，得到五唑负离子固体。

实施例2

以氯化钠为例，制备五唑钠的晶体

配置氯化钠NaC的乙醇/水(体积比1：1)混合溶液，浓度为l mol/L；配置五唑的乙醇/水(体积比1：1)混合溶液，浓度为1mol/L；将上述两份溶液等体积混合，若混合后立即有少量沉淀析出或变浑浊，则加乙醇或去离子水至澄清；超声三十分钟，用超滤膜过滤；放置在恒温恒湿箱中，70℃静置，湿度10％，直至溶剂挥发1/2；将温度降低至10℃，湿度100％，溶剂缓慢挥发，有晶体形成。

实施例3

将实例2中的两种乙醇/水溶液的体积比均调为60％：40％，恒温恒湿箱温度设为40℃静置，所得晶体经过表征与实例2相同。

实施例4

假定水合五唑钠在密闭真空环境下加热分解，其分解方程如下：

水合五唑钠NaN₅·H₂O分解发生时，Na生成NaOH固体，另有少量氢气伴随产生。按单位摩尔数计算，得出1mol水合五唑钠可产生3mol气体；换算为单位质量时，1g水合五唑钠可产生0.6升气体。

实施例5

对常见的气体发生剂NaN₃、硝酸胍、硝基胍、5-氨基四唑几个化合物按实例4设定的密闭真空环境进行热分解理论分析，其结果列于表1。非叠氮类气体发生剂的理论产气量也较高，但实际不易完全分解为理想状态，而全氮阴离子这不存在这个问题。从表1可以看出，本发明的水合五唑钠金属盐NaN₅·H₂O是一种综合性能优异的绿色环保型气体发生剂。

表1