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課題・解決手段

本願では、エネルギー組成物およびその製造方法が開示される。組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤と、を有し、前記ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

概要

背景

例えば複合固体ロケット推進剤および他の複合推進剤のようなエネルギー組成物は、バインダと称される、ゴム状マトリクス内に分散された固体粒子を有する。燃焼プロセス酸化性化学種を提供する固体粒子、および/または分解の際にエネルギー開放する固体粒子は、「酸化剤」と称される。過塩素酸アンモニウムAP)のような過塩素酸塩含有酸化剤、および硝酸塩含有酸化剤は、エネルギー組成物に使用される。エネルギー組成物の構造的特性は、バインダと固体酸化剤粒子の表面の間の結合強度により影響を受ける。固体粒子は、組成物において粒子状物質の主要部を構成するため、バインダと酸化剤粒子表面の間の結合は、組成物の構造的特性に大きな影響を及ぼす。

酸化剤粒子およびバインダに加えて、エネルギー組成物は、結合剤を含む。通常、結合剤は、酸化剤表面を被覆したり、化学的に反応して粒子の回りに包囲膜を形成したり、バインダと化学的にまたは接着的に結合したりして、例えば膜が形成される。結合剤が酸化剤表面と十分な親和性を有する場合、これは、応力下でのバインダ−酸化剤粒子の分離を抑制する。

概要

本願では、エネルギー組成物およびその製造方法が開示される。組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤と、を有し、前記ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

目的

効果

実績

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請求項1

組成物であって、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤と、を有し、前記ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する、組成物。

請求項2

前記高分子バインダは、水酸基終端ポリブタジエングリシジルアジドポリマー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3

さらに、燃焼速度触媒を有する、請求項1に記載の組成物。

請求項4

前記過塩素酸塩含有酸化剤粒子は、過塩素酸アンモニウム粒子である、請求項3に記載の組成物。

請求項5

前記ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の構造:を有し、ここで、x、y、zおよびz’は、それぞれ独立して、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ン酸基カルボン酸チオール基エステル基エーテル基ハロゲンヒドロキサム酸基水酸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硫化物基、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シクロアルキル基シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、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6

前記ルイス錯体は、以下の一般式:~B-O~を有する、請求項1に記載の組成物。

請求項7

当該組成物は、推進剤組成物または爆発物組成物である、請求項1に記載の組成物。

請求項8

前記推進剤組成物または爆発物組成物の燃焼速度は、前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤を含まない同様の組成物よりも大きい、請求項7に記載の組成物。

請求項9

前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の周囲の包囲膜である、請求項1に記載の組成物。

請求項10

前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子は、前記高分子バインダに化学的にまたは接着的に結合される、請求項1に記載の組成物。

請求項11

前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、モノマーホモポリマー、またはコポリマーである、請求項1に記載の組成物。

請求項12

組成物であって、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を有し、前記接触生成物は、以下の一般式:~B-O~で表されるルイス錯体を有する、組成物。

請求項13

前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、以下の一般式:(RBR’)nを有し、ここで、nは、1から20の整数であり、Rは、フェロセニルまたは置換フェロセニルであり、R’は、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項12に記載の組成物。

請求項14

前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、以下の一般式:R2B2R’2を有し、ここで、Rは、フェロセニルまたは置換フェロセニルであり、R’は、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである、請求項12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、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を形成するステップ、を有し、前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する、方法。

請求項16

前記ルイス錯体は、以下の一般式:~B-O~を有する、請求項15に記載の方法。

請求項17

前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、以下の構造:を有し、ここで、x、y、zおよびz’は、それぞれ独立して、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、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

前記組成物は、推進剤組成物または爆発物組成物である、請求項15に記載の方法。

請求項19

さらに、燃焼速度触媒を有する、請求項15に記載の方法。

請求項20

前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子は、前記高分子バインダに化学的にまたは接着的に結合される、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、特に過塩素酸塩組成物結合剤に関する。

背景技術

0002

例えば複合固体ロケット推進剤および他の複合推進剤のようなエネルギー組成物は、バインダと称される、ゴム状マトリクス内に分散された固体粒子を有する。燃焼プロセス酸化性化学種を提供する固体粒子、および/または分解の際にエネルギー開放する固体粒子は、「酸化剤」と称される。過塩素酸アンモニウムAP)のような過塩素酸塩含有酸化剤、および硝酸塩含有酸化剤は、エネルギー組成物に使用される。エネルギー組成物の構造的特性は、バインダと固体酸化剤粒子の表面の間の結合強度により影響を受ける。固体粒子は、組成物において粒子状物質の主要部を構成するため、バインダと酸化剤粒子表面の間の結合は、組成物の構造的特性に大きな影響を及ぼす。

0003

酸化剤粒子およびバインダに加えて、エネルギー組成物は、結合剤を含む。通常、結合剤は、酸化剤表面を被覆したり、化学的に反応して粒子の回りに包囲膜を形成したり、バインダと化学的にまたは接着的に結合したりして、例えば膜が形成される。結合剤が酸化剤表面と十分な親和性を有する場合、これは、応力下でのバインダ−酸化剤粒子の分離を抑制する。

発明が解決しようとする課題

0004

エネルギー組成物の構造的特性は、固体酸化剤粒子とバインダ特性との複雑な相互作用から生じる。組成物の特性は、粒子サイズ、体積充填、およびバインダ−固体結合強度に大きく影響される。バインダがバインダ−固体結合強度に対して強い場合、十分な引張応力下では、組成物は、バインダが酸化剤粒子から分離されるような影響を受ける。分離は、ときに、脱湿潤化またはブランチ化と称され、破壊の前にバインダに大きな伸張が生じる。構造上、そのような組成物は、高伸張性および低引張強度により特徴付けられる。しかしながら、結合剤により、バインダ−酸化剤粒子の結合強度が上昇すると、脱湿潤化が抑制または防止され、伸張性が低下し、引張強度が向上する。

0005

また、バインダおよび結合剤に加えて、過塩素酸塩および硝酸塩含有酸化剤組成物は、例えば、酸化鉄(Fe2O3)または銅クロマイト(CuCr2O4)のような、燃焼速度触媒を有する。フェロセンおよびフェロセン誘導体は、そのような燃焼速度触媒を含むAP組成物の燃焼速度を大幅に高めるが、フェロセンおよびフェロセン誘導体には、問題がある。これらは、揮発のため時間とともに濃度が変化し、貯蔵の間、酸化し、摩擦や衝撃の感度が著しく上昇するからである。

課題を解決するための手段

0006

ある実施形態では、組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤と、を有し、前記ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

0007

別の実施形態では、組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を有する。接触生成物は、以下の一般式
~B-O~
で表されるルイス錯体を有する。

0008

さらに別の実施形態では、組成物を製造する方法は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を形成するステップを有する。前記ホウ素化フェロセニル誘導体結合剤は、前記過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

0009

追加の特徴および利点は、本発明の技術を介して実現される。本発明の他の実施形態および態様は、詳細に説明されており、請求項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、記載および図面が参照される。

0010

本願では、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が開示される。ある実施形態では、組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤を含み、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、過塩素酸または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

0011

別の実施形態では、組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を含む。接触生成物は、以下の一般式を有するルイス錯体を含む:~B-O~。

0012

さらに別の実施例では、組成物を製造する方法は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、高分子バインダ、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤の接触生成物を形成するステップを有する。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の少なくとも一部の表面に結合され、ルイス錯体を形成する。

0013

特許請求の範囲および明細書の解釈の際に、以下の定義および略語が使用される。本願において、「有する」、「含む」、「持つ」、「含有する」と言う用語、またはこれらの変化形は、非排他的な含有を網羅することを意図する。例えば、要素のリストを含む組成物、混合物、プロセス、方法、製品、または機器は、これらの要素のみであることに必ずしも限定されるものではなく、リスト化されていない、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固有の、他の要素を含む。

0014

本願において、素子または成分の前の「一つの」という用語は、素子または成分の数(すなわち存在)に関して、非限定的であることを意図する。従って、「一つの」は、1つまたは少なくとも1つを含み、単数形であることが明確に意図されない限り、素子または成分の前の単数形表記は、複数の場合を含む。

0015

本願において、「発明」または「本発明」は、非限定的な用語であり、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

本願において、使用構成成分、成分、または反応体の量を修飾する「約」と言う用語は、例えば、濃縮物または溶液を調製する際に使用される典型的な測定および液体取り扱い手順を介して、生じ得る数値の変動(ばらつき)を表す。また、ばらつきは、測定手順、製品差、ソース、または組成物の製造の際に使用され、あるいは方法を実施する際に生じる成分の純度等、における不慮のエラー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%以内を意味する。別の態様では、「約」と言う用語は、記録された数値の9、8、7、6、5、4、3、2、または1%以内を意味する。

0017

本願において、「重量百分率」、「重量%」および「wt%」という用語は、化合物または組成物の全重量除算され100倍された、純粋な物質の重量を意味する。通常、「重量」は、グラム(g)で測定される。例えば、25gの物質Aを含み、全重量が100gの組成物は、25wt%の物質Aを含有する。

0018

本願において、「エネルギー組成物」と言う用語は、過塩素酸塩含有酸化剤粒子または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、結合剤と、任意の他の添加物(例えば追加の燃料または触媒燃焼剤)とを含む混合物を意味する。エネルギー組成物は、燃焼して、ロケットを含む輸送手段および対象物推力を発生する。エネルギー組成物の非限定的な例には、推進剤および爆発物が含まれる。

0019

本願において、「過塩素酸塩含有酸化剤」と言う用語は、過塩素酸(ClO4)を含む塩または化合物を意味する。本願において、「硝酸塩含有酸化剤」と言う用語は、硝酸(NO3)を含む塩または化合物を意味する。過塩素酸塩含有酸化剤および硝酸塩含有酸化剤は、ルイス塩基であり、従って、ルイス酸と化学的に結合して、ルイス錯体を形成する。

0020

本願において、「ルイス酸」と言う用語は、電子対アクセプタとなり、すなわち電子提供ルイス塩基と反応してルイス錯体を形成する分子、化合物、モノマーポリマー、またはコポリマーを意味する。ルイス錯体は、ルイス塩基とルイス酸の間の電子共有により形成される、相互作用または化学的結合である。

0021

本願において、「燃料」と言う用語は、推力のため、酸素生成ガスと反応した際に燃焼する物質を意味する。

0022

固体推進剤は、特に航空宇宙産業において使用される。例えば、固体推進剤は、事用、民生用、および宇宙用途ミサイルおよびロケットに動力を供給する共通の方法である。固体ロケットモータ推進剤は、製造および使用が比較的単純なため、広く使用されている。また、固体ロケット推進剤は、優れた特性特徴を有する。

0023

本願において、推進剤および爆発物のようなエネルギー組成物は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子と、高分子バインダと、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤と、任意の燃料および/または触媒燃焼剤とを含む。また、各種可塑剤硬化剤硬化触媒、および処理、推進剤の硬化支援する、または硬化された推進剤の機械的な特性に寄与する他の同様の材料を、添加しても良い。

0024

高分子バインダは、相互に密着した状態で組成物を保持または繋ぎ止める。高分子バインダの一例は、水酸基終端化(末端ポリブタジエンHTPB)である。好適なバインダに分散させた場合、エネルギー組成物は、製造および取り扱いが容易となり、良好な特性特徴が得られ、経済的で高信頼性となる。

0025

エネルギー組成物は、通常、ルーチン使用において許容できると考えられる、各機械的および化学的特性仕様合致する必要がある。例えば、組成物は、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ように、所望の機械的性質を有する必要がある。また、組成物は、使用中、弾性的に変形し、推進剤の粒界内でのクラック発生を抑制する必要がある。組成物にクラックが生じた場合、ロケットまたはミサイルの作動中、クラック内で燃焼が生じる可能性がある。密閉領域での燃焼の結果、燃焼推進剤の表面積が増加し、あるいは特定の位置での燃焼速度が上昇する。この燃焼速度および表面積の上昇は、過剰加圧またはケースを介した燃焼により、直接、ロケットモータの不具合つながり得る。従って、エネルギー組成物は、通常、標準的な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、応力および歪み特性目標指標が提供される。

0026

化学物質の構成を利用可能な仕様に合致させるため、推進剤組成物内に結合剤が使用される。結合剤は、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強化する。結合剤は、固体過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子を、高分子バインダシステムに導入することを助長する。結合剤を使用することで、組成物の応力および歪み特性が改善される。従って、結合剤は、処理、機械的特性弾道、安全性、エージング温度サイクル、および低感度軍需品IM)推進剤特性に影響を及ぼす。IMは、意図しない着火または爆発に対して低感度となるための、新たな軍需品の要求仕様を表す。IMは、軍用規格MIL-STD-2105Dにより定められる。結合剤は、推進剤処理を改善し、固体湿潤により、高い固体負荷(例えば最大88%の固体)が可能となり、応力−歪み曲線が改善され、推進剤における脱湿潤化が回避される(ボイドおよびマイクロポロシティ)。

0027

従って、本願では、過塩素酸塩および硝酸塩含有酸化剤処方剤における結合剤、処理助剤、および弾道調整剤として機能する、ホウ素化フェロセン誘導体が開示される。また、これらの化合物は、複合推進剤の機械的特性を高める。ある態様では、推進剤組成物または爆発物組成物の燃焼速度は、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤を含まない同様の組成物よりも大きい。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、ルイス酸として機能し、従って、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子(ルイス塩基)から電子を受容し、安定な結合、またはルイス錯体を形成する。従って、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の上に、単なるコーティングを形成するわけではない。その代わりに、結合剤は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の表面の少なくとも一部を、化学的に結合する。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、追加で、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子の周囲に、包囲膜または接着膜を形成し得る。ルイス酸/塩基化学を用いて、ホウ素化フェロセン誘導体が提供され、これは、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤とともに真の結合剤となる。得られる包囲酸化剤は、改善された湿式特性を有し、高分子バインダネットワーク一体化部分となる。硬化の後、結合剤は、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子となり、その後、化学的または接着的に、高分子バインダと結合される。

0028

過塩素酸塩含有酸化剤は、限定的なものを意図するものではなく、過塩素酸塩を含むいかなる化合物または塩であっても良い。好適な過塩素酸塩含有酸化剤の非限定的な例には、AP、過塩素酸ナトリウム過塩素酸カリウム、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。

0029

硝酸塩含有酸化剤は、限定的なものを意図するものではなく、硝酸塩を含むいかなる化合物または塩であっても良い。好適な硝酸塩含有酸化剤の非限定的な例には、硝酸ナトリウム硝酸カリウム硝酸アンモニウム、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。

0030

通常、過塩素酸塩含有酸化剤および硝酸塩含有酸化剤は、固体粒子の形態である。粒子の平均直径は、約5から約200μmの範囲であっても良い。粒子は、約50から約100μmの範囲、約25から約125μmの範囲、または約100から約180μmの範囲の平均直径を有しても良い。ある態様では、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、200、210、220、230、240、および250μm、またはこれらの間の任意の範囲の平均直径を有する。

0031

過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子は、約10から約90wt%の間の量で、組成物中に存在する。他の実施形態では、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子は、約70から約87wt%、またはこの範囲の任意の量で組成物中に存在する。

0032

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、ルイス酸であり、過塩素酸塩含有酸化剤粒子または硝酸塩含有酸化剤粒子と反応して、化学的結合を形成する。ある態様では、ホウ素化フェロセン誘導体は、粒子の表面の少なくとも一部と結合または反応して、化学的結合またはルイス錯体を形成する。化学的結合またはルイス錯体は、ホウ素−酸素結合であっても良く、これは、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤(ルイス酸)のホウ素原子が、過塩素酸塩または硝酸塩(ルイス塩基)の酸素原子から電子を受容した際に形成される。ルイス錯体は、以下の化学式を有しても良い:~B-O~。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤が過塩素酸塩含有酸化剤と反応した場合、ルイス錯体は、以下の化学式を有する:~B-ClO4~。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤が硝酸塩含有酸化剤と反応した場合、ルイス錯体は、以下の化学式を有する:~B-NO3~。また、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤が、粒子の表面と化学的に結合した場合、包囲膜が形成される。次に、後続の組成物の硬化の間、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、高分子バインダと反応し得る。

0033

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、モノマー、ホモポリマー、またはコポリマーであっても良い。ホウ素化フェロセン誘導体は、以下の構造を有し得る:

0035

例えば、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の構造を有し得る:

0036

別の非限定的な例では、ホウ素化フェロセン誘導体は、以下の構造を有する:

0037

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤が過塩素酸塩含有酸化剤粒子と結合した後、組成物は、以下の構造を有する:

0038

ここで、x、y、zおよびz’は、それぞれ独立して、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである。

0039

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の一般式を有し得る:
R2B2R’2

ここで、Rは、フェロセニルまたは置換フェロセニルであり、R’は、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである。

0040

例えば、ホウ素化フェロセン誘導体は、以下の構造を有し得る:

0041

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の一般式を有する高分子であっても良い:
(RBR’)n

ここで、nは、1から20の整数であり、Rは、フェロセニルまたは置換フェロセニルであり、R’は、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである。

0042

例えば、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の構造を有し得る:

0043

ここでnは、1から20の整数である。

0044

別の例では、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、以下の構造を有する高分子であっても良い:

0045

ここでnは、1から20の整数であり、Rは、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、カルボン酸基、カルボン酸チオール基、エステル基、エーテル基、ハロゲン、ヒドロキサム酸基、水酸基、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、硫化物基、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、シクロアルキル基、シクロアリール基、ポリシクロアリール基、置換シクロアリール基、メタロセン基、置換メタロセン基、またはこれらの任意の組み合わせである。

0046

ホウ素化フェロセン誘導体結合剤の量は、高分子バインダのモル量に応じて変化する。ホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、高分子バインダに基づいて、約0.1から約1.0mol%の範囲の量で組成物中に存在する。他の実施形態では、結合剤は、高分子バインダに基づいて、約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、および1.0mol%の間の量、またはこれらの任意の範囲で、組成物中に存在する。

0047

固体組成物の成分をともに保持するバインダは、例えば、高分子バインダであっても良い(すなわち、重合化され、固体バインダを形成する材料)。換言すれば、高分子バインダは、燃料材料微粒子および酸化剤粒子を含む、高エネルギー材料の微粒子を空間的に固定する。

0048

高分子バインダの非限定的な例には、ポリウレタンまたはポリブタジエン((C4H6)n)、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ー(例えばポリブタジエン−アクリル酸アクリロニトリル(PBAN))、および水酸基終端化ポリブタジエン(HTPB)が含まれ、これらは、イソフォロンジイソシアネート、またはカルボキシル終端化ポリブタジエン(CTPB)で架橋されても良い。バインダとして、エラストマーポリエステルポリエーテル、およびグリシジルアジドポリマーが使用できる。バインダは、製造中に重合化され、固体エネルギー組成物成分を相互に保持するマトリクスが形成される。また、複合組成物が燃焼された際に、バインダは、燃料として消費され、これが全体の推進力に寄与する。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。

0049

高分子バインダは、約5から約90wt%の範囲の量で、組成物中に存在する。他の実施形態では、高分子バインダは、約13から約50wt%の間、またはこれらの任意の範囲の量で、組成物中に存在する。ある実施形態では、高分子バインダは、約5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、および95wt%の量、またはこれらの間の任意の範囲で、組成物中に存在する。

0050

必要な場合、組成物に追加の燃料が導入され得る。任意の燃料は、これに限られるものではないが、少なくとも一つの好適金属または合金を含む粉末であっても良い。金属または金属合金は、アルミニウムベリリウムジルコニウムチタン、ホウ素、マグネシウム、ならびにこれらの合金および組み合わせを含んでも良い。1または2以上の金属は、純金属でも良い。一実施形態では、粉末粒子は、ミクロンサイズであり、例えば、最大寸法が500μm以下であっても良い。最大寸法が、例えば約300nm未満、または約100nm未満のような、約500nm未満のナノスケールの粉末が使用されても良い。組成物、製造の方法、およびその後の金属粉末の処理プロセスに応じて、金属粉末は、各種形状を取っても良く、これには、球状、フレーク状、不規則状、円柱状、およびこれらの組み合わせなどが含まれる。組成物中には、約2から約20wt%の範囲で、追加の燃料が存在しても良い。別の実施形態では、燃料は、組成物中に、約2から約10wt%の間の任意の範囲、またはこれらの量で存在する。ある実施形態では、燃料は、約2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19および20wt%の量、またはこれらの間の任意の範囲で、組成物中に存在する。

0051

組成物には、任意の安定化剤および添加処理助剤(例えば燃焼速度触媒および硬化剤)が添加されても良い。これらの任意の添加物は、ジブチルチンジラウリン酸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を含んでも良い。好適な任意触媒の非限定的な例には、酸化鉄(例えばナノスケールの粉末)、銅クロマイト、トリフェニルビスマス(TPB)、またはこれらの任意の組み合わせが含まれる。組成物中には、約1から約10wt%の範囲の量で、追加の処理助剤が存在する。他の実施形態では、処理助剤は、約1、2、3、4、5、6、7、8、9、および約10 wt%の量、またはこれらの間の任意の範囲で、組成物中に存在する。

0052

本願の組成物を製造するため、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、好適な溶媒に溶解され、混合される。溶媒は、使用される特定のホウ素化フェロセン誘導体の溶解特性に基づいて、選定される。好適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。任意の好適ミキサーが使用でき、例えば温度および圧力が制御できるミキサーが使用できる。

0053

過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、およびホウ素化フェロセン誘導体結合剤は、十分均一に混合され、酸化剤粒子の表面に、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤の薄い分子層が形成される。次に、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子/ホウ素化フェロセン誘導体結合剤の組み合わせは、高分子バインダと混合される。高分子バインダは、液体の形態であり、最初に、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る。全ての成分を混合した後、撹拌中、混合物の圧力が下げられ、その後大気圧に開放される。

0054

次に、過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤粒子、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤、および高分子バインダの混合物は、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、いかなる好適な硬化剤により、実施されても良い。好適な硬化剤の例は、ポリイソシアネートポリマーである。硬化の間、組成物は、室温を超える温度で混合される。

0055

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)、ジメチ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。他のポリイソシアネートが使用されても良い。通常、ポリイソシアネートの量は、最終製品の構造的要求、さらには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応じて変化し、これに依存する。ある実施形態では、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。

0056

硬化剤の添加後、組成物は、所望の最終部材(例えばロケットモータ、サンプカートン等)に移され、硬化されるまで、加熱オーブンに配置される。硬化条件は、最適な製品を得るため、温度、硬化時間、および成分特性改変されるように選定される。非限定的な好適条件は、硬化時間が約3から14日の間であり、温度が30から70℃の間である。

0057

組成物が追加の燃料添加物を含む場合、添加物は、硬化前に添加される。通常、小さな割合、例えば最大2.5wt%以下で、例えば、エネルギー組成物(例えばジフェニルアミン、2−ニトロジフェニルアミン、p−ニトロメチルアニリン、p−ニトエチルアニリン、およびセントライト)等に適用される、フタル酸塩ステアリン酸塩、銅または鉛塩、カーボンブラック、鉄含有化学種アルミナルチルジルコニア炭化物、安定化剤化合物のような物質が、組成物に添加される。

0058

(好適な例)
新たな組成物を調製する方法は、好適な流体、例えば約1000gのジクロロメタンと、約500gの固体過塩素酸塩または硝酸塩含有酸化剤とを、撹拌反応器装填するステップを有する。好適な流体は、ホウ素化フェロセン誘導体結合剤の好適溶媒であるが、酸化剤にとっては溶媒ではない。室温で撹拌したまま、混合物に、約20gのホウ素化フェロセン誘導体結合剤を添加した。約1時間後、濾過または気化により、流体が除去される。

0059

次に、液体高分子バインダ(例えば、水酸基終端化ポリブタジエン(HTPB)、グリシジルアジドポリマー(GAP)、または良く知られた各種ポリエーテルおよびポリエステル)と、任意の可塑剤、抗酸化剤、または安定化剤との混合物を調製し、ミキサーで混合する。混合したまま、ホウ素化フェロセン誘導体と、過塩素酸塩/硝酸塩含有酸化剤との混合物を、徐々に添加した。液体混合物に十分に導入された後、混合物の圧力を、約15mmHgまで下げ、ミキサーのパワードローが消え、安定化するまで撹拌を続けた。次に、撹拌を止めて、ミキサーを大気圧に開放した。

0060

ミキサーを再稼働し、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)、ジメチ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)、または良く知られている他の各種HDIのオリゴマー)を添加した。撹拌したまま、圧力を約15mmHgまで下げた。次に、撹拌を止め、ミキサーを大気圧に開放した。組成物は、所望の最終部材(例えばロケットモータ、サンプルカートンなど)に移し、硬化するまで、加熱オーブンに配置した。通常、硬化時間および温度は変化するが、140°Fで7日間が代表的である。

0061

以下の請求項における対応する構造、材料、動作、および全ての手段の等価物、またはステッププラスファンクション要素は、具体的に記載された他の請求項に記載の要素と組み合わされた、いかなる構造、材料、または機能を実施するための動作をも含むことを意図する。本発明の記載は、一例を示す目的のため提供され、開示された発明に包括され、または限定されることを意図するものではない。当業者には、本発明の思想および範囲から逸脱しないで、多くの改変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適用例の最良の説明をするために選定、記載されたものであり、当業者には、特定の想定される使用に適した各種変更例を有する各種実施例の本発明を理解することができる。

実施例

0062

本発明の好適実施例について示したが、当業者には、以下の特許請求の範囲における記載の範囲内で、現在および将来にわたり、各種改善および強化を行い得ることが理解される。これらの請求項は、最初に記載した本発明の適当な保護を維持することが理解される。

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