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技術 窒素含有酸化剤用の結合剤

出願人 レイセオンカンパニー
発明者 デッパート,トーマスエム.シャンホルツ,カールスミス,デイヴィッドアール.
出願日 2015年2月23日 (6年9ヶ月経過) 出願番号 2017-507674
公開日 2017年7月13日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2017-518955
状態 特許登録済
技術分野 火薬、マッチ等 高分子組成物
主要キーワード 推進部材 構造仕様 エネルギー組成 デウェッティング 目標指標 マイクロポロシティ 軍需品 流体柱
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月13日)のものです。
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図面 (2)

課題・解決手段

エネルギー組成物およびその製造方法について開示した。組成物は、高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤の粒子と、該粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤とを有する。示された結合剤は、ルイス酸である。

概要

背景

エネルギー組成物は、バインダと呼ばれるゴム状(rubbery)マトリクス内に分散された固体粒子を含む。エネルギー組成物において使用される一般的な粒子は、燃焼プロセス酸化性化学種を提供し、および/または分解の際にエネルギー開放する化合物である。組成物構造特性は、バインダと固体粒子の表面の間の結合強度による影響を受ける。酸化剤は、粒子状物質の主要部分を構成するため、バインダと酸化剤粒子表面の間の結合は、組成物の構造特性に大きく影響する。

複合エネルギー組成物用の、多くの効果的な結合剤が存在し、過塩素酸アンモニウムAP)は主要な酸化剤である。そのような組成物において、APは一般的な酸化剤であり、多くの種類の化合物と化学的に反応する。しかしながら、反応性の低い窒素含有酸化剤が主要な固体酸化剤となる、推進剤用の有効な結合剤は、知られていない。エネルギー組成物において使用される2つの一般的な窒素含有酸化剤は、シクロテトラメチレンテトラニトラミンHMX)およびシクロトリメチレントリニトラミンRDX)である。

通常、効果的な結合剤は、酸化剤表面を被覆し、化学的に反応して、粒子の周りに包囲膜を形成し、バインダと化学的にまたは接着的に結合する。その後、結合剤膜が酸化剤表面に対して十分な親和性を有する場合、応力下でのバインダ/酸化剤の分離が抑制される。結合剤は、酸化剤が混合組成物に組み込まれる前に、またはある場合には、組成物の混合操作中に、酸化剤粒子上にコーティングされる。

概要

エネルギー組成物およびその製造方法について開示した。組成物は、高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤の粒子と、該粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤とを有する。示された結合剤は、ルイス酸である。

目的

例えば、固体推進剤は、用、民事用および宇宙用途用のミサイルおよびロケットに、推進力を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤の粒子と、前記粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤と、を有する組成物であって、前記結合剤は、ルイス酸である、組成物。

請求項2

前記ルイス酸は、ボロン含有モノマまたはボロン含有高分子である、請求項1に記載の組成物。

請求項3

前記高分子バインダは、ヒドロキシル終端ポリブタジエングリシジル-アジド高分子ポリエーテルポリエステル、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項1に記載の組成物。

請求項4

前記窒素含有酸化剤は、シクロテトラメチレンテトラニトラミンシクロトリメチレントリニトラミン硝酸アンモニウムアンモニウムニトラミド、四酸化窒素、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項1に記載の組成物。

請求項5

前記結合剤は、化学結合または接着結合により、前記窒素含有酸化剤に結合される、請求項1に記載の組成物。

請求項6

前記ルイス酸は、金属カチオンを含む化合物である、請求項1に記載の組成物。

請求項7

前記ルイス酸は、以下の構造:を有するボロン含有モノマであり、ここで、x、yおよびzは、それぞれ独立に、水素アクリレート基ハロゲン化アシル基、アミド基アミン基カルボキシラート(carboxylate)基、カルボキシラートチオール基エステル基エーテル基ヒドロキサム酸基ヒドロキシル基硝酸基ニトリル基リン酸基ホスフィン基ホスフィン酸基シラン基硫酸基スルフィド基亜硫酸基チオレート基アルカン基、アルケン基アルキン基アリール基アジド基アセタール基アルデヒド基ジエン基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項1に記載の組成物。

請求項8

前記ルイス酸は、以下の構造:を有するボロン含有高分子であり、ここで、nは、1から20の整数であり、xおよびyは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項1に記載の組成物。

請求項9

高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤粒子と、前記窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部に結合され、包囲膜を形成するルイス酸結合剤と、を有する組成物。

請求項10

前記ルイス酸結合剤は、以下の構造:を有するボロン含有コポリマであり、ここで、nは、1から20の整数であり、mは、1から20の整数であり、x、yおよびzは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項9に記載の組成物。

請求項11

前記窒素含有酸化剤粒子は、約50から約200μmの間の範囲の平均直径を有する、請求項9に記載の組成物。

請求項12

さらに、ポリイソシアネートを有する、請求項9に記載の組成物。

請求項13

前記ルイス酸は、エノン化合物である、請求項9に記載の組成物。

請求項14

前記エノン化合物は、メチルビニルケトンである、請求項13に記載の組成物。

請求項15

組成物を製造する方法であって、ルイス酸結合剤で、窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部を被覆して、コーティングされた窒素含有酸化剤を形成する工程と、前記コーティングされた窒素含有酸化剤を高分子バインダと混合して、組成物を形成する工程と、を有する、方法。

請求項16

前記ルイス酸結合剤は、以下の構造:を有するボロン含有モノマであり、ここで、x、yおよびzは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項15に記載の方法。

請求項17

前記ルイス酸は、以下の構造:を有するボロン含有高分子であり、ここで、nは、1から20の整数であり、xおよびyは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項15に記載の方法。

請求項18

前記窒素含有酸化剤粒子は、シクロテトラメチレンテトラニトラミン、シクロトリメチレントリニトラミン、硝酸アンモニウム、アンモニウムジニトラミド、四酸化窒素、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項15に記載の方法。

請求項19

前記組成物は、推進剤または爆発物である、請求項15に記載の方法。

請求項20

さらに、前記組成物を硬化する工程を有する、請求項15に記載の方法。

技術分野

0001

本願は、エネルギー組成物に関し、特に、エネルギー組成物中の結合剤に関する。

背景技術

0002

エネルギー組成物は、バインダと呼ばれるゴム状(rubbery)マトリクス内に分散された固体粒子を含む。エネルギー組成物において使用される一般的な粒子は、燃焼プロセス酸化性化学種を提供し、および/または分解の際にエネルギー開放する化合物である。組成物構造特性は、バインダと固体粒子の表面の間の結合強度による影響を受ける。酸化剤は、粒子状物質の主要部分を構成するため、バインダと酸化剤粒子表面の間の結合は、組成物の構造特性に大きく影響する。

0003

複合エネルギー組成物用の、多くの効果的な結合剤が存在し、過塩素酸アンモニウムAP)は主要な酸化剤である。そのような組成物において、APは一般的な酸化剤であり、多くの種類の化合物と化学的に反応する。しかしながら、反応性の低い窒素含有酸化剤が主要な固体酸化剤となる、推進剤用の有効な結合剤は、知られていない。エネルギー組成物において使用される2つの一般的な窒素含有酸化剤は、シクロテトラメチレンテトラニトラミンHMX)およびシクロトリメチレントリニトラミンRDX)である。

0004

通常、効果的な結合剤は、酸化剤表面を被覆し、化学的に反応して、粒子の周りに包囲膜を形成し、バインダと化学的にまたは接着的に結合する。その後、結合剤膜が酸化剤表面に対して十分な親和性を有する場合、応力下でのバインダ/酸化剤の分離が抑制される。結合剤は、酸化剤が混合組成物に組み込まれる前に、またはある場合には、組成物の混合操作中に、酸化剤粒子上にコーティングされる。

発明が解決しようとする課題

0005

エネルギー組成物の構造特性は、固体酸化剤粒子によるバインダ特性の複雑な相互作用の結果生じる。また、組成物特性は、粒子サイズおよび体積充填、さらにはバインダ/固体結合強度に強く影響を受ける。エラストマー系バインダがバインダ/固体結合強度に対して強い場合、十分な張力を受けた組成物では、固体からバインダが分離する。分離は、時折デウェッティングまたはブランチングと称され、破壊の前にバインダに大きな伸張が生じる。構造的に、そのような組成物は、伸展性が高く、引張強度が低いという特徴を有する。しかしながら、結合剤によりバインダ/固体結合強度が上昇すると、デウェッティングが抑制または防止される結果、伸展性が低くなり、引張強度が向上する。

課題を解決するための手段

0006

一実施例では、組成物は、高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤の粒子と、粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤とを含む。結合剤は、ルイス酸である。

0007

別の実施例では、組成物は、高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤粒子と、該窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部に結合され、包囲膜を形成するルイス酸結合剤とを有する。

0008

また、別の実施例では、組成物を製造する方法は、窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部を、ルイス酸結合剤で被覆し、コーティングされた窒素含有酸化剤を形成するステップと、前記コーティングされた窒素含有酸化剤を、高分子バインダと混合して、組成物を形成するステップと、を有する。

0009

追加の特徴および利点は、本発明の技術から把握することができる。本発明の他の実施例および態様は、本願において詳しく説明され、請求項に記載の発明の一部と見なされる。本発明の特徴および利点をより良く理解するため、以降の記載および図面が参照される。

0010

本会時のさらなる完全な理解のため、添付図面および詳細な説明を用いて、以下の簡単な説明を参照する。同様の参照符号は、同様の部分を表す。

図面の簡単な説明

0011

ルイス酸結合剤を用いてエネルギー組成物を製造する一方法のブロック図である。

実施例

0012

ここでの開示は、ルイス酸結合剤を用いたエネルギー組成物、およびそのような組成物を製造する方法に関する。ある実施例では、組成物は、高分子バインダ内に分散された窒化物含有酸化剤の粒子と、該粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤とを含む。結合剤は、ルイス酸である。別の実施例では、組成物は、高分子バインダ内に分散された窒素含有酸化剤粒子と、少なくとも粒子の表面の一部に結合され、包囲膜を形成するルイス酸結合剤とを有する。さらに別の実施例では、組成物を製造する方法は、ルイス酸結合剤で窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部を被覆して、コーティングされた窒素含有酸化剤を形成するステップと、コーティングされた窒素含有酸化剤と高分子バインダとを混合して、組成物を形成するステップとを有する。

0013

以下の定義および省略形は、特許請求の範囲および明細書の解釈に使用される。本願に使用される「有する」、「含む」、「含有する」、「持つ」、「包括する」もしくは「包含する」と言う用語または他の変化形は、非排他的含有物網羅することが意図される。例えば、記載された素子を有する組成物、混合物、プロセス、方法、製品、または機器は、必ずしもこれらの素子のみを含むものに限定されず、明確に記載されていない、またはそのような組成物、混合物、プロセス、方法、製品、もしくは機器に内在する他の素子を含み得る。

0014

本願に使用される「一つの」と言う素子または部材の前の語句は、素子または部材の(存在)数に関して、非限定的なものであることが意図される。従って、「一つの」は、一つまたは少なくとも一つを含むものとして解され、さらに、素子または部材の単数形も、数が明確に単数であることを意味しない限り、複数のものを含むものとして解される必要がある。

0015

本願に使用される「発明」または「本発明」と言う用語は、非限定的なものであり、特定の発明の任意の単一の態様を表すことを意図するものではなく、明細書および特許請求の範囲に記載の全ての想定される態様を網羅する。

0016

本願に使用される要素、部材、もしくは反応体の量を修飾する「約」と言う用語は、例えば、通常の測定、および濃縮物もしくは溶液を製造する際に使用される液体の取り扱い操作において生じ得る、数学的な量の変化(変動)を表す。また、変化は、不慮のエラー、ならびに組成物を製造する際、もしくは方法を実施する際などに使用される、使用成分の製造元ソース、もしくは純度差異によっても生じ得る。ある態様では、「約」という用語は、記録された数値の10%以内を表し、あるいは記録された数値の5%以内を表す。

0017

本願に使用される、「重量%」、「重量比%」、「重量%」と言う用語は、純粋な物質の重量を、成分もしくは組成全重量で除して、100倍したことを意味する。通常、「重量」は、グラム(g)で測定される。例えば、総量が100gの組成物が25gの物質Aを含む場合、組成物は、重量比で物質Aを25%含む。

0018

本願に使用される「エネルギー組成物」と言う用語は、窒素含有酸化剤と、高分子バインダと、結合剤とを含み、任意で他の添加剤(例えば追加燃料)を含む混合物を意味する。エネルギー組成物は、燃焼されて、ロケットを含む対象および車両の推進力を発生する。エネルギー組成物の非限定的な例には、推進剤(propellants)および爆発物が含まれる。

0019

本願に使用される、「窒素含有酸化剤」と言う用語は、窒素を含有し、酸素および/もしくは電子を提供し、開放し、または放出できる化合物、物質、モノマ高分子コポリマ、または材料を意味する。本願における窒素含有酸化剤は、ルイス塩基であり、従って、ルイス酸に電子対を提供し、ルイスアダクト(adduct)を形成する。

0020

本願に使用される「結合剤」と言う用語は、窒素含有酸化剤の表面と相互作用する化合物、物質、モノマ、高分子、コポリマ、もしくは材料を意味する。本願に記載の結合剤は、ルイス酸である。結合剤は、窒素含有酸化剤の表面と化学的にまたは接着的に反応し、結合する。硬化の間、結合剤は、高分子バインダと反応する。

0021

本願に使用される「ルイス酸」と言う用語は、電子対アクセプタとなり、従ってルイス塩基と反応して、例えば、窒素もしくは酸素のようなルイス塩基により提供される電子対を共有することにより、ルイスアダクトを形成する分子、化合物、モノマ、高分子、コポリマまたは化学種を意味する。

0022

本願に使用される「高分子バインダ」と言う用語は、エラストマ高分子もしくはコポリマを意味し、これは、燃料材料粒子および酸化剤粒子を含む、高エネルギー材料の粒子を空間的に不動化させる。

0023

本願に使用される「燃料」と言う用語は、推進用酸素生成ガスと組み合わされた際に、燃焼する物質を意味する。

0024

固体推進剤は、航空宇宙産業において、広く使用されている。例えば、固体推進剤は、用、民事用および宇宙用途用のミサイルおよびロケットに、推進力を提供する通常の方法である。固体ロケットモータ推進剤は、比較的製造および使用が簡単なため、広く使用されている。また、固体ロケット推進剤は、優れた特性仕様を有する。

0025

固体モータ推進剤は、酸化剤(オキシダイザ)、燃料、およびバインダを用いて形成される。ときどき、バインダと燃料は、同一であり得る。また、これらの基本成分に加えて、各種結合剤、可塑剤硬化剤硬化触媒、および推進剤の処理、硬化を支援し、あるいは硬化推進剤の機械的特性に寄与する他の同様の材料が添加され得る。

0026

航空宇宙産業に使用される多くのエネルギー組成物は、酸化剤として、過塩素酸アンモニウム(AP)を含み、これは、通常粒子形態で導入される。凝集した形態に推進剤を維持するため、組成物の成分は、水酸基終端ポリブタジエンHTPB)バインダのような、高分子バインダにより相互に結合される。そのようなバインダは、広く使用され、市販されている。好適なバインダに分散された組成物は、製造および取り扱いが容易であり、良好な特性を示し、経済的で信頼性が高い。その結果、このタイプの固体組成物は、本産業標準となっている。

0027

通常、エネルギー組成物は、日々の使用に適すると解される各種機械的および化学的特性指標合致する必要がある。例えば、組成物は、所望の機械的特性を有する必要があり、これにより、対応するロケットまたはミサイルでの使用が可能となる。また、組成物は、使用中、推進剤グレイン内でのクラック発生を回避するため、弾性的に変形しなければならない。

0028

組成物にクラックが生じると、ロケットまたはミサイルの作動中にクラック内での燃焼が生じ得る。密閉領域での燃焼発生は、燃焼推進剤の表面積を高め、あるいは特定の位置で燃焼速度が上昇する結果となる。この燃焼速度および表面積の上昇は、過度加圧またはケーシングを介した燃焼による、ロケットモータの破損に直結する。従って、エネルギー組成物は、通常、標準化された応力および歪み試験に供される。そのような試験の間、データが記録され、応力歪み特性の目標指標が提供される。

0029

ある組成物を適用可能な仕様に合致させるため、しばしば、推進剤組成物内に結合剤を使用することが必要となる。結合剤は、固体推進剤産業において、酸化剤と燃料を相互に結合する高分子バインダマトリクスを強化するため、広く使用されている。結合剤は、固体酸化剤粒子を高分子バインダ系に導入することを支援する。結合剤を使用することにより、通常、組成物の応力および歪み特性が改善される。

0030

結合剤は、エネルギー組成物の成分であり、処理プロセス、機械的特性、弾道、安全性、エイジング温度サイクル、および低感度装備品IM推進特性に影響を及ぼす。IMは、意図しない点火または爆発に対する感度が低い、新たな軍需品要求仕様を表す。IMは、軍標準規格(Military Standard)MIL-STD-2105Dにより定められる。結合剤は、推進プロセスを改善し、固体ウェッティングにより、高い固体充填(例えば最大88%固体)が可能となり、応力−歪み曲線を改善し、推進剤におけるデウェッティング(ボイドおよびマイクロポロシティ)を回避する。

0031

固体ロケット推進剤の約80%は、酸化剤としてAPを利用している。APは、安定した多様な推進力を生成し、十分に開発された結合剤であるため、有意である。しかしながら、APは、環境的に問題があり、流体柱腐食性ガスを形成する。

0032

窒素系酸化剤は、重要な用途に使用される、別の部類の既存の酸化剤化合物である。窒素含有酸化剤の例は、硝酸アンモニウム(AN)、ならびにシクロテトラメチレンテトラニトラミン(HMX)およびシクロトリメチレントリニトラミン(RDX)のようなニトラミンを含む。窒素系酸化剤は、いくつかの利点を有し、これには、クリーン燃焼、環境フレンドリ、ならびに高いおよび低い燃焼速度が可能なことが含まれる。これらの利点があるものの、窒素含有酸化剤は、機械的な特性に劣り、有効な結合剤がなく処理が難しい。既知の結合剤、例えばAPは、窒素含有酸化剤の表面では反応しない。また、窒素含有酸化剤は、全体的に反応性が低い。

0033

従って、窒素含有酸化剤系のエネルギー組成物には、通常、結合剤は含まれず、このため、AP系組成物の高い応力および高い歪み機能を得ることができない。従って、結合剤の不存在が、複雑な機械システムにおけるこれらの適用を制限している。

0034

これに従って、本願では、窒素含有酸化剤用の好適な結合剤、これらの結合剤を含むエネルギー組成物、およびこれらを製造する方法が示される。結合剤は、ルイス酸であり、窒素含有酸化剤の窒素原子または酸素原子孤立電子対と反応する置換基を有する。ルイス酸は、モノマまたは高分子であり、窒素含有酸化剤の表面と、化学的にまたは接着的に、相互作用し、結合し、あるいは反応して、酸化剤を包囲する。その結果得られる包囲された酸化剤は、改善されたウェッティング特性を有し、高分子バインダネットワーク一体化部分となる。従って、ルイス酸結合剤が窒素含有酸化剤のエネルギー組成物に一体化され、処理プロセス、機械的特性、弾道、安全性、エイジング、温度サイクル、およびIM特性が改善される。

0035

本願に記載のエネルギー組成物は、高分子バインダに分散された窒素含有酸化剤の粒子と、該粒子の少なくとも一部の表面に結合された結合剤とを有する。結合剤は、ルイス酸であり、これは電子対アクセプタとして機能し、窒素含有酸化剤内の窒素原子または酸素原子の孤立電子対と結合を形成する。新たな組成物は、採掘および建設産業におけるエネルギー剤として、さらには航空宇宙産業用のおよびエネルギー系安全システムにおける固体推進剤として、使用できる。

0036

窒素含有酸化剤は、限定されることを意図するものではなく、ルイス塩基として機能し、および/または酸素を提供することができる、電子の孤立電子対を有する推進剤に適したいかなる酸化剤化合物をも含む。窒素含有酸化剤の非限定的な例には、塩素酸塩過塩素酸塩過酸化物硝酸塩亜硝酸塩、および過マンガン酸塩が含まれる。また、好適な窒素含有酸化剤の非限定的な例には、トリアノグアニジニウムアジドジアミノグアニジニウムアジド、モノアミノグアニジウムアジド、モノアミノグアニジン、ジアミノグアジニン、トリアミノグアジニン、アミノテトラゾール、ジアミノテトラゾール、4アミノ-3,5-ジヒドラジノ-1,2,4 (4H)-トリアゾール、ジヒドラジノテトラジン、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。窒素含有酸化剤は、前述のモノマと化合物のコポリマあっても、ホモポリマでであっても良い。他の使用に好適な窒素含有酸化剤は、ホルムアルデヒドもしくはグリオキサール系材料と、前述のアミンの1つまたは混合物を凝縮することによって調製された高窒素含有高分子である。また、他の好適な高分子系窒素含有酸化剤材料には、ポリ(グアニジン)、ポリ(アミノ置換グアニジン)、ポリ’(グアニジニウムアジド)、およびポリ(アミノ-置換グアニジニウムアジド)が含まれる。また、好適な窒素含有酸化剤の非限定的な例には、RDX、HMX、AN、アンモニウムニトラミド(AND)、四酸化窒素NTO)等、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。

0037

通常、窒素含有酸化剤は、固体粒子の形態である。粒子の平均直径は、約5から約200ミクロンの範囲であっても良い。窒素含有酸化剤粒子は、約50から約100ミクロンの間、約25から約125ミクロンの間、約100から約180ミクロンの間、の平均直径を有しても良い。ある態様では、窒素含有酸化剤粒子は、約5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、および200ミクロンの間、またはこれらの任意の範囲の平均直径を有しても良い。

0038

結合剤は、ルイス酸であり、窒素含有酸化剤の表面の少なくとも一部と反応して、化学的または接着的結合を形成する。ルイス酸は、粒子の表面と化学的に結合し、包囲膜を形成することができる。その後、組成物の硬化中に、結合剤は、バインダと反応する。

0039

本発明の結合剤は、窒素含有酸化剤と反応して、化学的結合を形成し、または接着結合を形成する、いかなるルイス酸であっても良い。ルイス酸結合剤は、例えば、ボロン化合物であり、窒素含有酸化剤と安定なアダクトを形成しても良い。ルイス酸は、ボロン含有化合物ボロン含有モノマ、ボロン含有高分子、またはボロン含有コポリマであっても良い。

0040

ルイス酸は、BF3、BCl3、およびBBr3のようなハロゲン化ボロン、五塩化アンチモン(SbF5)、ハロゲン化アルミニウム(AlCl3およびAlBr3)、TiBr4、TiCl4、TiCl3のようなハロゲン化チタン四塩化ジルコニウム(ZrCl4)、五フッ化リンPF5)、FeBr3のようなハロゲン化鉄等であっても良い。他のルイス酸には、例えばスズ、インジウムビスマス亜鉛リチウムナトリウム、亜鉛、およびこれらを含む材料のような金属カチオンが含まれる。エノン化合物は、好適なルイス酸(例えばメチルビニルケトン)である。エノン化合物は、アルケンおよびケトンの共役系からなる、いかなる化学的化合物、または官能基を含んでも良い。ルイス酸として機能する原子または反応基を含み、窒素含有酸化剤と結合できる、いかなるモノマまたは高分子を使用しても良い。好適なエノン化合物の非限定的な例には、1-ブテン-2-オン、1-ペンテン-3-オン、4メチル-4-フェニル-シクロヘクス-2-エノン、4,4-ジフェニル-シクロヘクス-2-エノン、および4,4-(ジメチルシクロヘクス-2-エン-1-オン)-2-ホウ酸、以下の構造を有するピナコールエステル

0041

が含まれる。

0042

ルイス酸は、以下の構造を有するボロン含有化合物またはモノマ

0043

であっても良い。
ここで、x、y、zは、それぞれ独立に、水素アクリレート基ハロゲン化アシル基、アミド基アミン基カルボキシラート基カルボキシラートチオール基エステル基エーテル基ヒドロキサム酸基ヒドロキシル基硝酸基ニトリル基リン酸基ホスフィン基ホスフィン酸基シラン基硫酸基スルフィド基亜硫酸基チオレート基アルカン基、アルケン基アルキン基アリール基アジド基アセタール基アルデヒド基ジエン基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである。前述のいかなる反応基も、置換され、官能化され、組み合わされても良く、1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10 の炭素を含んでも良い。

0044

一実施例では、ルイス酸は、以下の構造を有する:

0045

別の実施例では、ルイス酸は、以下の構造を有する:

0046

ルイス酸は、以下の構造を有するボロン含有高分子であっても良い:

0047

ここで、nは、1から20の整数、xおよびyは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである。前述のいかなる反応基も、置換され、官能化され、組み合わされても良く、1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10 の炭素を含んでも良い。

0048

例えば、ボロン含有高分子は、以下の構造を有しても良い:

0049

ここで、nは、約1から約20の数値である。一実施例では、nは、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0050

ある実施例では、ボロン含有高分子は、以下の構造を有する:

0051

ここで、nは、約1から約20の数値である。一実施例では、nは、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0052

別の実施例では、ボロン含有高分子は、以下の構造を有する:

0053

ここで、nは、約1から約20の数値である。一実施例では、nは、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0054

さらに別の実施例では、ボロン含有高分子は、以下の構造を有する:

0055

ここで、nは、約1から約20の数値である。一実施例では、nは、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0056

ルイス酸は、以下の構造を有するボロン含有コポリマであっても良い:

0057

ここで、nは、1から20の整数であり、mは、1から20の整数であり、x、yおよびzは、それぞれ独立に、水素、アクリレート基、ハロゲン化アシル基、アミド基、アミン基、カルボキシラート基、カルボキシラートチオール基、エステル基、エーテル基、ヒドロキサム酸基、ヒドロキシル基、メタクリレート基、硝酸基、ニトリル基、リン酸基、ホスフィン基、ホスホン酸基、シラン基、硫酸基、スルフィド基、亜硫酸基、チオレート基、アルカン基、アルケン基、アルキン基、アジド基、アセタール基、アルデヒド基、ジエン基、無水物基、3-員環基、4-員環基、5-員環基、6-員環基、またはこれらの任意の組み合わせである。前述のいかなる反応基も、置換され、官能化され、組み合わされても良く、1、2、3、4、5、6、7、8、9、または10 の炭素を含んでも良い。ある実施例では、nは、それぞれ独立に、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0058

ある実施例では、ボロン含有コポリマは、以下の構造を有するプリスチレンコポリマである:

0059

ここで、nは、1から約20の整数であり、mは、1から約20の整数である。ある実施例では、nおよびmは、それぞれ独立に、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、および20であり、またはこれらの間の範囲であっても良い。

0060

ボロン含有高分子またはコポリマの分子量は、約200から約2000の間の範囲であっても良い。ポリスチレン重合される場合、ボロン含有コポリマは、テトラヒドロフラン(THF)、ジクロロメタン(DCM)およびトルエンのような、普通の有機溶媒に可溶性である。

0061

結合剤は、約0.1から約1.0wt%の間の範囲の量で、組成物中に存在する。他の実施例では、結合剤は、約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、および1.0wt%の間の範囲の量で、組成物中に存在する。

0062

固体組成物の成分を相互に保持する結合剤は、例えば、ポリウレタンまたはポリブタジエン((C4H6)n)、のような、高分子バインダ(すなわち、重合化され固体バインダを形成する材料)であっても良く、例えば、ポリブタジエン-アクリル酸(PBAA)またはポリブタジエン-アクリル酸ターポリマ(ポリブタジエン-アクリル酸アクリロニトリル(PBAN)など);イソフォロンジイソシアネート架橋され得るヒドロキシル-終端化ポリブタジエン(HTPB);またはカルボキシル終端化ポリブタジエン(CTPB)である。バインダとして、エラストマーポリエステルおよびポリエーテルを使用しても良い。バインダは、ロケットモータ製造中に重合化され、固体推進部材を相互に保持するマトリクスが形成される。またバインダは、固体複合推進剤の燃焼中に、燃料として消費され、これも全体的な推進力に寄与する。高分子バインダの分子量は、約600から約3000g/molの範囲であっても良い。

0063

必要な場合、組成物に追加の燃料を導入しても良い。追加の燃料は、アルミニウムベリリウムジルコニウムチタン、ボロン、マグネシウム、ならびにこれらの合金および組み合わせの少なくとも一つの好適な金属または合金の粉末であっても良い。1または2以上の金属は、純金属であっても良い。一実施例では、粉末粒子は、ミクロンサイズであり、例えば500ミクロン以下の最大寸法を有しても良い。約300nm未満、または約100nm未満のような、約500nm未満の最大寸法を有するナノスケールの粉末も使用できる。組成物および製造方法、さらには金属粉末後続の処理に応じて、金属粉末は、各種形状を取ることができ、これには、球状、フレーク状、不規則形状円柱状、およびこれらの組み合わせなどが含まれる。

0064

任意の安定化剤および処理助剤(例えば触媒および硬化剤)を、組成物に添加しても良い。これらの任意の添加剤には、ジブチルスズジラウレートステアリン酸カルシウムカーボンブラック、およびスターチが含まれる。

0065

図1には、組成物を製造する一方法100のブロック図を示す。ブロック110では、窒素含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部がルイス酸結合剤でコーティングされ、コーティングされた窒素含有酸化剤が形成される。窒素含有酸化剤およびルイス酸結合剤は、好適な溶媒中に溶解され、混合される。溶媒は、ルイス酸の溶解特性に基づいて選択される必要がある。好適な溶媒の非限定的な例には、ジクロロメタンおよびトルエンが含まれる。いかなる好適なミキサーを使用しても良く、例えば、温度および圧力制御が可能なミキサーが使用される。

0066

ルイス酸結合剤および窒素含有酸化剤は、十分に均等になるように組み合わされ、窒素含有酸化剤の表面に、結合剤の薄い分子層が形成される。ブロック120では、コーティングされた窒素含有酸化剤が、高分子バインダと混合され、組成物が形成される。高分子バインダは、液体であっても良く、これは、可塑剤、酸化防止剤、安定化剤、またはこれらの任意の組み合わせのような、好適な添加剤と混合されても良い。その後、高分子バインダの混合物は、ルイス酸被覆窒素含有酸化剤と混合される。混合物の圧力は、混合中に低下され、その後、大気圧まで開放(ベント)される。方法100は、単なる一実施例である。方法100の他の実施例を使用することも可能である。

0067

次に、混合されたルイス酸結合窒素含有酸化剤と高分子バインダの混合物が硬化される。硬化処理により、混合材料粘性流体から固体エラストマに変化する。硬化処理は、ポリイソシアネートを用いて実施されても良い。硬化処理の間、ルイス酸結合窒素含有酸化剤および高分子バインダは、室温を超える温度で混合される。ポリブタジエンがバインダの場合、ポリイソシアネートにより、硬化中にポリブタジエンが形成される。

0068

ポリイソシアネートの非限定的な例には、イソフォロンジイソシアネート(IPDI)、ジメリル-ジイソシアネート(DDI)、メチレン-ジフェニル-ジイソシアネート(MDI)、ヘキサメチレン-ジイソシアネート(HDI)、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。固体エネルギー製剤への使用が知られている、他のポリイソシアネートも使用可能である。通常、ポリイソシアネートの量は、最終生成物構造仕様イソシアネートの種類、高分子の種類および分子量、ならびに固体の量に依存して変化する。ある実施例では、使用されるポリイソシアネートの量は、組成物の全重量に対して、約0.5から約4wt%の間の範囲である。

0069

組成物は、所望の最終製品移送され(例えばロケットモータ、サンプル的中弾など)、硬化するまで加熱オーブン内に配置される。硬化条件は、温度、硬化時間触媒種、および触媒量の加減により、最適推進製品が得られるように選択される。好適条件の非限定的な例には、約3から14日の間の硬化時間、および30℃から70℃の間の温度が含まれる。

0070

組成物中に追加の燃料添加剤が含まれる場合、該燃料添加剤は、硬化の前に添加される。本発明による組成物には、一般に、微量のプロポーション、例えば、フタル酸類ステアリン酸類銅塩または鉛塩、カーボンブラック、鉄含有種、アルミナルチル、ジルコニウムカーバイド、エネルギー組成物用に適用される、および一般に使用されている安定化剤化合物(例えば、ジメチルアミン、2-ニトロジフェニルアミン、p-ニトロメチルアニリン、p-ニトロエチルアニリン、およびセントリット)等のような物質が、最大2.5wt%未満添加される。これらの添加剤は、当業者には知られており、安定性貯蔵性、および燃焼特性を高めることを支援する。

0071

(実施例)
構成実施例1
本発明の組成物を調製する方法は、撹拌反応器に、約1000gの好適流体、例えばジクロロメタン、および約500gの固体酸化剤(RDX、HMX、AN、AND、NTO等)を充填する工程を有する。好適流体は、ルイス酸用の好適溶媒であり、酸化剤用の溶媒ではない。室温で撹拌したまま、混合物中に約20gのルイス酸結合剤が添加される。約1時間後、濾過または蒸発により、流体が除去される。

0072

次に、液体高分子バインダ(例えばヒドロキシル終端ポリブタジエン(HTPB)、グリシジル-アジド高分子(GAP)、ならびに産業上知られた各種ポリエーテルおよびポリエステル)、可塑剤、および酸化防止剤または安定化剤の混合物が調製され、ミキサー内で混合される。混合しながら、ルイス酸被覆酸化剤混合物が徐々に添加される。液体混合物中に、ルイス酸被覆酸化剤が十分に導入された後、混合物の圧力が、約15mmHgまで減圧され、ミキサーのパワーが無くなり、安定化するまで、撹拌が継続される。次に、撹拌が停止され、ミキサーが大気圧に開放(ベント)される。

0073

ミキサーが再始動され、選択したポリイソシアネート(例えば、イソフォロン-ジイソシアネート(IPDI)、ジメリル-ジイソシアネート(DDI)、メチレン-ジフェニル-ジイソシアネート(MDI)、ヘキサメチレン-ジイソシアネート(HDI)、または産業上知られた他のHDIの各種オリゴマ)が添加される。混合しながら、圧力が約15mmHgまで減圧される。その後、撹拌が停止され、ミキサーが大気圧に開放される。組成物は、所望の最終製品(例えばロケットまたはサンプル的中弾等)に移送され、硬化するまで加熱オーブン内に配置される。通常、硬化時間および温度は変化するが、代表的には140°Fで7日である。

0074

以下の請求項において、全ての手段(ミーンズ)またはステッププラスファンクション素子の対応する構造、材料、機能、および等価物は、具体的に記載された他の請求項に記載の素子との組み合わせで機能を発揮する、いかなる構造、材料または機能をも含むことが意図される。本発明の記載は、一例を示し説明するために提供されるものであり、本発明が、示された形態に包括され限定されることを意図するものではない。当業者には、本発明の範囲および思想から逸脱しないで、多くの修正および変更が可能であることは明らかである。実施例は、本発明の原理および実際の用途の最適な説明のため、選定され記載されており、当業者には、特定の想定される使用に適した、各種変更がされた本発明の各種実施例を理解することができる。

0075

本発明の好適実施例について説明したが、当業者には、現在および将来、特許請求の範囲の中で、各種改良および改善を行い得ることが理解される。これらの請求項は、最初に記載された本発明の適切な保護を維持するように解される必要がある。

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