一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂及其制备方法

本发明属于推进剂，具体是涉及一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂及其制备方法。

背景技术：

1、传统的液态碳氢燃料难以满足当前航空航天动力系统对高能量特性的需求。开发高能量特性推进技术成为各国研究的热点。通过添加铝、镁和硼等高能固体颗粒的方法能够显著提高传统液体碳氢燃料能量特性，并且颗粒粒径越小，能量密度和燃烧性能越好。然而颗粒团聚和沉降的趋势依旧存在，影响燃烧的稳定性，从而影响推进剂的实际性能。为减轻这种担忧，向液体燃料中加入胶凝剂，通过其强大的三维凝胶网络稳定金属颗粒是一种可行的策略。相对液体和固体推进剂，凝胶推进剂表现出一系列优势，包括更高的密度比冲，流量可调节，储存期间安全和稳定可靠等，从而成为航空航天应用备受关注的产品。

2、关于凝胶推进剂配方的研究，人们已进行了大量的探索。根据组成可分为无机和有机胶凝剂。无机胶凝剂因其惰性不参与燃烧，往往会造成燃烧损失，同时对发动机再启动构成挑战。因此，有机胶凝剂在凝胶推进剂领域得到了更大的重视和更广泛的应用。在有机胶凝剂领域，可以根据其分子特征进一步细分：大分子聚合物和小分子胶凝剂。聚合物胶凝剂由于化学交联，表现出更高的稳定性，能够容纳更多的金属颗粒，从而提高凝胶推进剂能量特性。然而基于聚合物的凝胶推进剂面临雾化困难的挑战，导致燃烧效率降低。相反，小分子胶凝剂通过较弱的氢键作用制备的凝胶推进剂拥有更好的雾化和燃烧能力。尽管如此，小分子凝胶推进剂对外力的高度敏感性，使其稳定性相对较差。此外，这些凝胶推进剂装载金属的能力也十分有限。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是克服现有技术中凝胶推进剂稳定性和流变特性难以兼具、金属颗粒含量偏低及推进剂能量性能偏低等缺陷，将大分子聚合物和小分子胶凝剂各自的优点结合起来，以一种混合凝胶的形式制备富含高能燃料颗粒的煤油凝胶推进剂，使其兼具良好的稳定性和剪切稀化特性。

2、本发明的内容包括一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，包含以下质量配比的组分：

3、煤油：45～70％；

4、混合胶凝剂：1～5％；

5、高能燃料：20～50％；

6、助溶剂：1～5％；

7、表面活性剂：0.1～1％；

8、混合胶凝剂为改性纤维素和蓖麻油衍生物的混合物，改性纤维素的取代度小于3，改性纤维素和蓖麻油衍生物之间包括氢键架构。

9、更进一步地，改性纤维素包括辛酰纤维素、月桂酸纤维素和棕榈酸纤维素一种或组合，蓖麻油衍生物包括thixatrol st、thixcin r、thixatrol plus和thixatrol 289中的一种或组合。

10、更进一步地，改性纤维素为辛酰纤维素，蓖麻油衍生物为thixatrol st。

11、更进一步地，改性纤维素与蓖麻油衍生物的质量比为(1～2)：(2～1)。

12、更进一步地，高能燃料包括硼、铝中的一种或几种，高能燃料的粒径为0.1～5μm。

13、更进一步地，助溶剂包括甲醇、无水乙醇、异丙醇和正己醇中的一种或组合。

14、更进一步地，表面活性剂包括吐温80、司班80、油胺和磷酸中的一种或组合。

15、一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂的制备方法，包括以下步骤：

16、s1、将改性纤维素和蓖麻油衍生物作为混合胶凝剂加入煤油中，同时加入助溶剂，搅拌至混合胶凝剂完全分散或溶解，得到煤油溶胶；

17、s2、向煤油溶胶中加入表面活性剂和高能燃料，搅拌均匀，室温下静置凝胶后，得到煤油凝胶推进剂。

18、更进一步地，制备煤油溶胶的搅拌温度为60～80℃，搅拌速度为1500～2300rpm，搅拌时间为20～60min。

19、更进一步地，向煤油溶胶中加入表面活性剂和高能燃料，搅拌速度为2300～300rpm，搅拌时间为10～30min，搅拌均匀后，室温下静置凝胶，静置时间为5～20min。

20、本发明的有益效果：

21、(1)本发明提供的煤油凝胶推进剂利用改性纤维素与蓖麻油衍生物混合后的协同氢键构建三维凝胶网络，可以稳定高含量高能燃料颗粒，从而显著提高煤油凝胶推进剂的能量特性，实现聚合物胶凝剂和小分子胶凝剂优点的结合，本发明提供的煤油凝胶推进剂存储时具有优异的稳定性，同时较好的流变性使其拥有不错的雾化燃烧性能，本发明实施例中的煤油凝胶推进剂实测热值最高为48.48mj/kg，最大密度为纯煤油密度的1.59倍，且基本能够在静置状态下稳定存储半年。

22、(2)本发明使用的混合胶凝剂为改性纤维素和蓖麻油衍生物的混合物，在保证煤油凝胶推进剂流变特性的同时，显著提高其稳定性，二者之间具有协同氢键架构。在改性纤维素的羟基氧原子周围存在富电子区，而在蓖麻油衍生物的亚氨基氢原子附近存在缺电子区，当富电子区和缺电子区靠近时，表现出氢键相互作用的高倾向性(中性)，在聚合物改性纤维素上存在氢键供体，在小分子蓖麻油衍生物上存在氢键受体，使得混合胶凝剂中形成多个连续的氢键，尤其是在选用辛酰纤维素和thixatrol st作为混合胶凝剂时，氢键键长小于表明存在很强的氢键相互作用。这种协同氢键架构下形成的三维凝胶网络，有效地提高凝胶推进剂的稳定性，能够容纳更多铝、硼等高能燃料颗粒，实现了高含量高能燃料颗粒的负载，从而显著提高了煤油凝胶的能量性能(热值和密度)，同时，氢键的容易断裂使得煤油凝胶推进剂又拥有不错的剪切稀化特性，可实现雾化燃烧，适用于航空航天推进系统。

23、(3)本发明中使用改性纤维素实现纤维素在凝胶推进剂中的应用。纤维素由于分子量大、来源丰富、成本低且易于改性，是一种广泛使用的大分子凝胶材料，但纤维素分子内的亲水性羟基极大地限制了其与碳氢燃料(如没有)的互溶性，本发明采用改性纤维素，引入长链烷烃得到在煤油中溶解性强的纤维素酯，通过加入改性纤维素改善煤油凝胶推进剂的稳定性，静态稳定性测试结果表明，在没有改性纤维素的情况下，煤油凝胶在重力下流动，而改性纤维素的加入阻止了这种流动，均未出现相变，稳定性增强，同时，通过扫描电镜可以观察到本发明的混合胶凝剂具有致密精细的凝胶网络，使其拥有优异的动态稳定性。

技术特征：

1.一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，包含以下质量配比的组分：

2.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述改性纤维素包括辛酰纤维素、月桂酸纤维素和棕榈酸纤维素一种或组合，所述蓖麻油衍生物包括thixatrol st、thixcin r、thixatrol plus和thixatrol 289中的一种或组合。

3.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述改性纤维素为辛酰纤维素，所述蓖麻油衍生物为thixatrol st。

4.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述改性纤维素与所述蓖麻油衍生物的质量比为(1～2)：(2～1)。

5.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述高能燃料包括硼、铝中的一种或几种，所述高能燃料的粒径为0.1～5μm。

6.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述助溶剂包括甲醇、无水乙醇、异丙醇和正己醇中的一种或组合。

7.如权利要求1所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂，其特征是，所述表面活性剂包括吐温80、司班80、油胺和磷酸中的一种或组合。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是，制备所述煤油溶胶的搅拌温度为60～80℃，搅拌速度为1500～2300rpm，搅拌时间为20～60min。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征是，向所述煤油溶胶中加入表面活性剂和高能燃料，搅拌速度为2300～300rpm，搅拌时间为10～30min，搅拌均匀后，室温下静置凝胶，静置时间为5～20min。

技术总结
本发明公开了一种协同氢键构筑的金属基煤油凝胶推进剂及其制备方法，属于推进剂技术领域。本发明提供的推进剂包含以下质量配比的组分：煤油：45～70％；混合胶凝剂：1～5％；高能燃料：20～50％；助溶剂：1～5％；表面活性剂：0.1～1％；混合胶凝剂为改性纤维素和蓖麻油衍生物的混合物，改性纤维素和蓖麻油衍生物之间包括协同氢键架构。本发明的煤油凝胶推进剂通过协同氢键构建三维凝胶网络，可以稳定高含量高能燃料颗粒，从而显著提高煤油凝胶推进剂的能量特性，实现聚合物胶凝剂和小分子胶凝剂优点的结合，存储时具有优异的稳定性，同时较好的流变性使其拥有不错的雾化燃烧性能，实测热值最高为48.48MJ/kg，最大密度为纯煤油密度的1.59倍，且基本能够在静置状态下稳定存储半年。

技术研发人员：黄利亚,龚名荃,张家瑞,杨和,梁坤
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11