1.3.2 嵌段叠氮共聚醚
均聚物黏合剂通常难以满足固体推进剂用黏合剂所需的全部要求,共聚是将两种或多种化合物在一定条件下聚合成一个分子链的反应,聚合物共聚可以改善加工性、柔性和强度。嵌段共聚是由化学结构不同链段交替聚合而生成的线性共聚物,可将不同聚合物的优良性质结合在一起,有效改善黏合剂的功能、特征,是调节叠氮均聚醚黏合剂性能的一种有效方法。为确保含能黏合剂的能量特性,有关嵌段叠氮聚醚黏合剂研究大多集中于高能PBAMO与其他聚合物链段的嵌段聚合。基于相同的聚合机理,常见PBAMO嵌段预聚物黏合剂有:BAMO-b-THF、BAMO-b-GAP、BAMO-b-DFAMO等。
1.BAMO-b-GAP
借鉴GAP高能、低玻璃化转变温度、常温下为液态的特点,将GAP与PBAMO嵌段共聚是制备高能含能黏合剂的一个重要途径[29]。该黏合剂制备的常规方法是:以分子量适当的端羟基聚环氧氯丙烷(PECH)为高分子起始剂,以BF3·OMe2为催化剂,对3,3-二氯甲基氧丁环进行开环聚合,得到PBCMO-PECH-PBCMO三嵌段聚合物,然后对预聚物进行叠氮化反应得到PBAMO-GAP-PBAMO三嵌段聚合物。该聚合物结晶区熔点为66 ℃,玻璃化转变温度为-35 ℃,最大放热分解温度为228 ℃。该聚合物在分子量为5 000 g·mol-1左右即显示出了热塑性弹性体的特点。常温下为固态。
2.BAMO-b-AMMO
AMMO均聚物室温下为黏稠液体,撞击感度低,热稳定性、低温力学性能均优于GAP。将AMMO与BAMO单体先后加料聚合,可得BAMO-b-AMMO嵌段共聚醚[30-33]。Manser等人利用碳阳离子活性中心顺序引发AMMO和BAMO单体,实现了阳离子活性顺序聚合,得到BAMO-AMMO-BAMO三嵌段共聚醚。所得共聚物相对分子质量分布窄,室温下呈现固态,其玻璃化转变温度与PAMMO均聚物相接近。BAMO-AMMO-BAMO共聚物中可观察到BAMO嵌段的结晶结构,其结晶形态与热处理历史相关,结晶速度与共聚物中BAMO嵌段的含量相关,熔融状态下两嵌段组分完全互溶。
3.BAMO-b-NMMO
含有叠氮基、硝酸酯基和硝胺基的含能单体生成的预聚物具有生成热高、密度大、热稳定性好等优点,它们的成功合成与应用开辟了含能材料领域的新方向,而且为合成新型含能材料提供了重要的分子设计思想。3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂丁环(NMMO)均聚物PolyNMMO常温下为淡黄色黏稠液体,不溶于水,可溶于二氯甲烷、三氯甲烷等有机溶剂,玻璃化转变温度为-30 ℃,分解温度为187 ℃,分解热为1 164 kJ·kg-1,分解活化能为164.4 kJ·mol-1。将P-双(α,α-二甲基氯甲基)苯(p-DCC)与六氟化锑酸银(AgSbF6)预先反应生成碳阳离子活性中心,然后顺序引发 NMMO 和BAMO,可得到BAMO-NMMO-BAMO三嵌段共聚物,共聚物相对分子质量分布窄,体系中存在BAMO嵌段结晶结构,其玻璃化转变温度与结晶熔融温度随共聚物结构中BAMO、NMMO含量相关,热分解起始温度约为200 ℃[34]。
4.BAMO-b-THF
BAMO单体具有较高的能量,聚四氢呋喃(PTHF)具有较低的Tg和优异的柔韧性,将BAMO与THF进行嵌段聚合是制备弹性体具有良好力学的又一种方法[35-37]。BAMO-b-THF嵌段共聚醚可以端羟基聚四氢呋喃为起始剂,BF3·OMe2为催化剂对BAMO单体进行开环聚合,通过控制投料比可得BAMO、THF单体摩尔比不同的PBAMO-PTHF-PBAMO三嵌段共聚醚。
BAMO-b-THF嵌段共聚醚中BAMO与THF摩尔比为1:1、分子量为4 000 g·mol-1时,聚合物中可以保持BAMO链段的结晶结构,共聚物室温下呈固态,具有良好的力学性能,显示出热塑性弹性体的特征。BAMO链段结晶态熔点为21 ℃,且随着聚合物分子量增加而上升。BAMO-b-THF嵌段共聚醚最大热分解峰温为241 ℃,热分解活化能为40 kcal·mol-1(1 cal≈4.2 J)。
除上述BAMO嵌段共聚物之外,基于相同聚合机理,BAMO还可与3,3-二(二氟氨甲基)氧丁环(DFAMO)生成共聚物。同样地,由于BAMO嵌段结构的结晶性能,BAMO-b-DFAMO呈现热塑性弹性体的特点,不适于用作制备固体复合推进剂的黏合剂。值得强调的是,二氟氨基预聚物作为黏合剂能够有效地提高推进剂中硼、铝燃烧效率。