纳米纤维素纤维在高能太根发射药中的应用

为了改善高能太根发射药的力学性能,在高能太根发射药配方的基础上,添加少量(质量分数0.5%,1.0%,1.5%,2.0%)由湿木浆纤维素得到的纳米纤维素纤维(CNFs),制备了含CNFs的高能太根发射药。采用扫描电镜、热重分析仪和差示扫描量热仪研究了添加CNFs前后高能太根发射药的表面结构和热分解性能。采用简支梁冲击试验机和密闭爆发器试验研究了含CNFs高能太根发射药的冲击强度及能量性能。结果表明,少量添加CNFs可明显提高高能太根发射药的低温冲击强度,对热分解性能影响很小。与高能太根发射药(参比样)相比,添加0.5%CNFs的高能太根发射药,在-40℃低温和20℃室温下,冲击强度分别提高了30.4%和8.9%。随着CNFs含量增加,火药力逐渐降低,余容逐渐上升,燃速逐渐减小,压力指数小幅度上升。当CNFs的添加量为0.5%时,高能太根发射药的火药力为1191.91 k J·kg~(-1),余容为0.870 L·kg~(-1),压力指数为1.06,分别较参比样减少了1.9%、增加了5.1%和增加了4.2%。     

纳米纤维素纤维的表面改性及其对硝化纤维素膜力学性能的影响

采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（TEMPO）氧化-机械法制备纳米纤维素纤维（CNF）,通过碱化处理,剥离其带有羧基的表层,以硝酸/二氯甲烷混合物为硝化剂对CNF表面进行硝酸酯化改性,改性产物(NCNF)可稳定悬浮和均匀分散于丙酮中。采用红外光谱、元素分析和透射电子显微镜对NCNF的结构与性能进行分析与表征。将NCNF作为增强相添加到硝化纤维素中,采用溶液浇铸法制备纳米复合膜,并对纳米复合膜的拉伸性能进行测试。测试结果表明：添加质量百分比为3.5%的NCNF可使膜的拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率3个指标均得到显著提高。同时,将以上结果与长径比较低的纳米纤维素晶须（CNW）纳米复合膜的拉伸性能进行了对比分析,分析结果表明CNF比CNW对硝化纤维素膜拉伸性能的改善效果更好。     

纳米纤维素晶须/硝化纤维素复合材料的制备与力学性能研究

以硫酸水解得到的纳米纤维素晶须（CNW）悬浮液为原料,以二氯甲烷和硝酸的混合物为硝化剂制备了能够稳定分散在丙酮中的表面硝酸酯化的改性CNW. 采用元素分析、红外、X射线衍射等手段对改性物的结构进行了表征和分析。将改性CNW与硝化纤维素混合,通过溶液浇铸法制备了一系列硝化纤维素纳米复合材料膜片。考察了改性CNW的添加量对膜片拉伸性能的影响规律。结果表明：当改性CNW的添加量为2.0%、3.5%、5.0%和7.0%时,硝化纤维素纳米复合材料膜片的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率都得到了不同程度的提高。其中,当改性CNW的添加量为3.5%时,膜片的综合力学性能最好,与空白膜相比,拉伸强度提高了21.7%,拉伸模量提高了32.7%,断裂伸长率提高了123.6%.     

硝化壳聚糖/n-Al复合材料的共振制备和燃烧特性

为有效缓解纳米铝粉（n-Al）颗粒团聚并改善其燃烧性能,利用具有蜂窝状网络结构且高能低感的硝化壳聚糖（NCh）为包覆剂,通过声共振法制备了结构均匀的二元纳米复合材料NCh/n-Al,同时采用XRD、SEM、TEM和激光点火研究了其形貌结构和燃烧性能,并与硝化棉（NC）/n-Al复合材料进行了对比。结果表明,制备的NCh/n-Al复合材料形貌均匀、分散性良好;相比于n-Al及NC/n-Al,NCh/n-Al点火延迟时间分别缩短了6和20 ms,火焰面积增大了近1倍;NCh/n-Al的燃烧更加充分,残渣主要包括Al₂O₃和极少量未燃烧的Al及碳渣,且粒径明显较小。     

NGO/NC复合含能材料的制备及热分解性能

为了提高硝化纤维素(NC)的热分解性能,以硝化石墨烯(NGO)作为含能燃烧催化剂与NC进行复合,制备了NGO/NC复合含能材料。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和场发射扫描电子显微镜(SEM)分别研究了NGO/NC复合含能材料的结构和形貌,采用同步热分析仪(TG-DSC)研究了NGO对NC热分解的催化性能。结果表明,当NGO的添加量为1%时,NC的结构不会明显改变,NGO/NC复合含能材料为多孔的三维网络状,且NC的表观分解热由339 J·g~(-1)增加至2132 J·g~(-1),放热峰温度由201℃提高至213℃,质量损失为96%,表明NGO的加入提高了热稳定性,增加了表观放热量。     

DIANP对NC溶塑作用的实验与模拟

用动态流变实验和扫描电子显微镜观察对比研究了1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)和硝化甘油(NG)溶塑硝化纤维素(NC)的速率和效果,用分子动力学模拟方法对DIANP、NG、NC的溶度参数和DIANP、NG在NC中的扩散系数进行了模拟计算,采用介观动力学模拟方法得到了NC/DIANP和NC/NG共混体系的介观形貌。结果表明,与NG相比,DIANP溶塑NC速率较快,二者在NC中的扩散系数分别为1.39×10~(-10)m~2·s~(-1)和2.24×10~(-10)m~2·s~(-1)。相对于NG,DIANP溶塑效果更好,两种共混体系的显微形貌特征与介观动力学模拟结果具有很高的一致性。溶度参数计算结果表明,DIANP的分子间作用力大小与NC较为相似,而NG溶度参数的范德华力和静电力分量所占的比例与NC接近。     

高大毛壳对硝化纤维素的降氮机理

针对废旧火药存在严重的安全隐患问题,通过对硝化纤维素(Nitrocellulose, NC)生产的废液处理池及其周边进行采样、富集、驯化和分离纯化,获得5株能够降低NC含氮量的微生物,并对其中降氮效果最佳的高大毛壳进行时间优化实验,发现随着时间的延长,NC含氮量可从13.06%降至10.83%,X射线光电子能谱结果显示NC表面氮元素含量逐渐降低;利用傅里叶变换红外光谱、显微共聚焦拉曼仪和凝胶渗透色谱仪对NC分子结构和分子量进行表征,红外光谱表明高大毛壳与O—NO₂发生水解反应,导致NC在3 400 cm^-1左右的—OH峰强逐渐增大,拉曼光谱图显示NC含能基团(O—NO₂)的强度发生了显著降低,同时通过凝胶色谱发现,高大毛壳可使NC的数均分子质量和重均分子质量分别降低2.34%和6.40%。为进一步确定作用于NC的生物酶,利用胞外酶、胞内酶的分离以及硫酸铵梯度沉淀实验,证明0～30%硫酸铵沉淀的胞外酶能够有效降低NC的含氮量;高大毛壳对降低NC含氮量的显著作用,使其在废旧火药的再利用、高渐增发射药的生物脱硝等方面具有广阔的...     

GAP-ETPE/NC共混聚合物的制备与性能

采用溶液共混工艺,将聚叠氮缩水甘油醚(GAP)型含能热塑性弹性体(ETPE)与硝化纤维素(NC)进行物理共混,制得不同质量比的GAP-ETPE/NC共混聚合物。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和广角X-射线衍射仪(WXRD)表征制备的共混聚合物结构,动态力学热分析(DMA)、万能材料试验机、邵氏硬度仪和热重分析(TG)研究其热学和力学性质。结果表明,制备的GAP-ETPE/NC共混聚合物具有明显的叠氮型聚醚聚氨酯弹性体和硝化纤维素特征,相容性较好,热稳定性较单纯NC有一定改善。NC含量增大,有利于共混聚合物结晶程度的提高,使其表现出较高的模量和强度,GAP-ETPE含量增大时,共混聚合物的延伸率和低温力学性能得到显著改善。其中当GAP-ETPE/NC质量比从5/5变化到3/7时,共混聚合物抗拉强度由20.7 MPa增加至39.2MPa,断裂伸长率由141%降至40.6%。     

含不同燃速催化剂的NC/GAP复合球形药的制备与热分解性能

为了改善燃速催化剂在固体推进剂药柱中的分散均匀性,提高其催化效率,采取内溶法分别制备了含燃速催化剂Fe_2O_3、Cu O、CNTs以及Cu_2Cr_2O_5的硝化纤维素/聚叠氮缩水甘油醚复合球形药,并对其形貌、粒径、塑化性能、热分解性能等进行了测试与分析。结果表明,采取内溶法工艺制备的含燃速催化剂NC/GAP复合球形药,圆球化程度高,流散性好,球形药颗粒粒径可控;燃速催化剂以物理共混的方式引入NC/GAP复合球形药,对NC和GAP的分子结构未产生影响。另外,燃速催化剂的加入促进了NC/GAP球形药的热分解。含Fe_2O_3、CuO、CNTs以及Cu_2Cr_2O_5的复合球形药比纯NC/GAP球形药的起始热分解温度分别降低12.15,15.38,15.42℃和13.97℃,其中CuO和CNTs的催化效果较明显。     

硝化纤维含能材料热物性参数的测量与分析

为了确定硝化纤维(含氮量11.89%～13.5%)的热物性参数,进行热分析计算,揭示其反应动力学机制,采用激光闪射法和差示扫描量热法对含氮量12%的硝化纤维的热物性参数进行了测量。给出了其熔点以下25～140 ℃的热扩散率、比热容及热导率的数值。结果表明,随着温度的升高,比热容逐渐增大,而热导率和热扩散率有所减小,但变化幅度并不显著。在热分析计算时,这些参数可近似为一组平均值: c_p=1.131 J·g-1·K-1,D=0.413 mm²·s-1,λ=0.142 W·m-1·K-1。     

硝化棉的抗静电性能

以硝化棉作为原料,选择碳系导电填料,通过液相共混复合法,制备了抗静电硝化棉薄膜。用高阻计和静电感度测试仪、电子万能试验机及场发射扫描电子显微镜分别表征了抗静电硝化棉薄膜的抗静电性能、力学性能以及微观形貌。结果表明,当添加1％的碳系导电填料时,抗静电硝化棉薄膜的表面电阻率和体积电阻率分别为：2．2×109Ω和7．5×109Ω· m,相比纯硝化棉,分别降低了6个数量级和3个数量级。其静电火花感度为2．31 J,相比纯硝化棉,增大了14％,显示最佳抗静电性能。力学性能参数有所提高,说明导电填料的加入,不会削弱硝化棉本身的力学性能。制品内部形成的均匀导电网络会使静电荷消散。     

精制棉成熟度及硝化工艺对高氮量NC硝化均匀性的影响

为研究精制棉质量、硝化工艺对高氮量硝化纤维素(NC)硝化均匀性的影响规律,采用H_2SO_4-HNO_3-H_2O体系对不同成熟度的精制棉进行硝化处理,通过改变硫酸-硝酸比、硝化时间制备了高氮量NC,利用偏光显微镜测试NC的含氮量及硝化均匀性,探讨了不同成熟度和硝化工艺对高氮量NC的氮量及硝化均匀性影响规律,同时将不同均匀性的NC经胶化压制成典型的发射药,对比了相应药粒侧断面的微观形貌。结果表明,精制棉成熟度高时,制备的高氮量NC均匀性优于成熟度低的产品;硫硝比为2.7时,制备的NC含氮量高、硝化均匀性较好;以成熟度大于70%的精制棉为原料,制备NC的硝化均匀性指标-均方差约2.3;30~35min硝化效果最佳,延长硝化时间对氮量影响不大,均匀性反而降低。表明,以成熟度高的精制棉为原料,通过控制硝化体系中硫硝比和硝化时间,可得到均匀性较好的NC,用其压制单基发射药的胶化和压伸成型质量可得到明显改善。     

硝化棉一级自催化分解反应动力学参数数值模拟

提出了计算硝化棉（ＮＣ）一级自催化分解反应动力学参数的数值模拟方法。根据热重（ＴＧ）曲线分析结果,建立了描述ＮＣ失重５０％前、后随时间变化的一级自催化反应微分动力学方程和一级反应微分动力学方程。     

改性双基推进剂中HMX含量的高效液相色谱测定

建立了一种准确测定硝化棉（NC）与奥克托今（HMX）共存分离的高效液相色谱（HPLC）分析方法，样品制备采取乙腈溶解水析出法；HPLC外标法测定HMX的含量，结果表明在HMX含量为21％时相对偏差为0．82，加标回收率为99．62％。