بهینه‌سازی عامل‌های مؤثر بر تهیه کوپلیمر سه‌قطعه‌ای پلی‌پروپیلن گلیکول-پلی‌گلیسیدیل نیترات-پلی‌پروپیلن گلیکول و بررسی خواص گرمایی آن

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، دانشکده شیمی و مهندسی شیمی، صندوق پستی 3454-16765

2 قزوین ، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، دانشکده شیمی، صندوق پستی 16818-34149

چکیده

فرضیه: پلی‌گلیسیدیل نیترات (PGN) به‌دلیل داشتن خواصی همچون انرژی تشکیل مناسب، چگالی، توازن اکسیژن و آنتالپی انفجار زیاد و سازگاری مناسب با سایر اجزا، در تهیه الاستومر‌های پیشرانه به‌کار گرفته می‌شود. این پلیمر افزون بر خواص مطلوب عیب‌هایی از جمله دمای انتقال شیشه‌ای زیاد، خواص مکانیکی ضعیف و مقدار جامد کل کم دارد. همچنین، الاستومر آن می‌تواند متحمل واپخت شود. برای رفع این عیب‌ها، کوپلیمرهایی از آن‌ با پلیمرهایی با خواص گرمایی و مکانیکی مطلوب تهیه می‌شود.
روش‌ها: در این پژوهش، برای اولین بار کوپلیمر سه‌قطعه‌ای پرانرژی پلی‌پروپیلن گلیکول-پلی‌گلیسیدیل نیترات-پلی‌پروپیلن گلیکول، PPG-PGN-PPG، با روش پلیمرشدن حلقه‌گشای کاتیونی پروپیلن اکسید، در مجاورت پلی‌گلیسیدیل نیترات به‌عنوان درشت‌آغازگر و بور تری‌فلوئورید اترات (BF3.OEt2) به‌عنوان کاتالیزگر تهیه شد. اثر دما و مقدار کاتالیزگر بر وزن مولکولی و بازده واکنش بررسی شد. محصول به‌دست‌آمده با روش‌های سوانگاری ژل تراوا (GPC)، ‌رزونانس مغناطیسی هسته هیدروژن (1H NMR) و کربن (13C NMR) و طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) شناسایی شد. همچنین خواص گرمایی کوپلیمر‌ با آزمون‌های گرماوزن‌سنجی (TGA) و گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) مطالعه شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، با افزایش دما از 0 به 15 درجه سلسیوس، درصد تبدیل و بازده افزایش یافت. از سوی دیگر، با توجه به دمای جوش کم پروپیلن اکسید (34 درجه سلسیوس،) و گرمازابودن واکنش، افزایش دمای واکنش به بیش از 15 درجه سلسیوس امکان‌پذیر نیست. همچنین با افزایش مقدار کاتالیزگر از %0.2 به %1 وزنی نسبت به آغازگر، وزن مولکولی پلیمر افزایش یافت و بیشترین بازده در %1 وزنی کاتالیزگر به‌دست آمد. اما، با افزایش مقدار کاتالیزگر از %1 به %1.5 وزنی، بازده و وزن مولکولی به‌دلیل پیشرفت واکنش‌های جانبی کاهش یافت. مطالعات  TGA و DSC افزایش پایداری گرمایی و کاهش دمای انتقال شیشه‌ای کوپلیمر تهیه‌شده را در مقایسه با PGN نشان داد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Optimization of Factors Affecting the Synthesis of Polypropylene Glycol/Polyglycidyl Nitrate/ Polypropylene Glycol Triblock Copolymer and Evaluation of Its Thermal Properties

نویسندگان [English]

  • Tayebe Khanlari 1
  • Yadollah Bayat 1
  • Mohammad Bayat 2
1 Department of Chemistry and Chemical Engineering, Malek Ashtar University of Technology, P.O. Box 16765-3454, Tehran, Iran
2 Department of Chemistry, Imam Khomeini International University, P.O. Box 34149-16818, Qazvin, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Polyglycidyl nitrate (PGN) is used in the manufacture of propellant elastomers due to its properties such as highly energetic composition, high density, high oxygen balance, high explosion enthalpy and suitable compatibility with other components. In addition to its desirable properties, this polymer has disadvantages such as high glass transition temperature, poor mechanical properties, and low content of total solid. Also, its elastomer can undergo decuring process. To remedy these disadvantages, its copolymers are prepared using polymers with optimal thermal and mechanical properties.
Methods: In this research an energetic polypropylene glycol/polyglycidyl nitrate/polypropylene glycol (PPG/PGN/PPG) triblock copolymer was synthesized for the first time by cationic ring-opening polymerization of propylene oxide and PGN as macroinitiator, in the presence of boron trifluoride etherate (BF3.OEt2) as the catalyst. The effect of temperature and catalyst content on molecular weight and reaction yield was investigated. The obtained product was characterized by FTIR, GPC, and 1H and 13C NMR spectroscopy. Also, the thermal properties of the copolymer were characterized by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA).
Finding: The results showed that by increasing the temperature from 0 to 15°C, the conversion and yield increased. On the other hand, due to the low boiling point of propylene oxide (34°C) and the exothermic reaction, it is impossible to increase the reaction temperature above 15°C. By increasing the catalyst content from 0.2% to 1% by weight of the initiator, the polymer molecular weight increased and the highest yield was achieved in presence of 1% by weight of the catalyst, but by increasing the catalyst content from 1 to 1.5 weight percent, yield and molecular weight have decreased due to the development of adverse reactions. Studies by TGA and DSC showed an increase in thermal stability and a decrease in glass transition temperature of the copolymer compared to PGN.

کلیدواژه‌ها [English]

  • poly glycidyl nitrate
  • propellant
  • triblock copolymer
  • propylene oxide
  • thermal properties

مراجع

  1. Mohan Y.M., Mani Y., and and Raju K.M., Synthesis of Azido Polymers as Potential Energetic Propellant Binders, Des Monomers Polym., 9, 201-236, 2006.
  2. Cican G. and Mitrache A.D., Rocket Solid Propellant Alternative Based on Ammonium Dinitramide, Incas Bull., 9, 17-24, 2017.    
  3. Moore T.L., The Solid Rocket Legacy of Thiokol’s Huntsville Division 1949-1996, 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Orlando, FL, 27-29 July, 2015.
  4. Provatas A., Energetic Polymers and Plasticisers for Explosive Formulations-A Review of Recent Advances, Defence Science and Technology Organisation Melbourne, Australia, 2000.
  5. Agrawal P., High Energy Materials: Propellant. Explosive and Pyrotechnics, Wiley-VCH Verlag GubH and Co. KGaA, Weinheim, Chapt. 4, 209-215, 2010.
  6. Chaturvedi S. and Dave P.N., Solid Propellants: AP/HTPB Composite Propellants, Arab. J. Chem., 2015. 10.1016/j.arabjc.2014.12.033
  7. Sutton G.P., Rocket Propulsion Elements, John Wiley and Sons, New York, 500, 1992.
  8. Jain S.R., Solid Propellant Binders, J. Sci. Ind. Res., 61, 899-911, 2002.
  9. Couturier R., Solid Rocket Propulsion Technology, Daveans A. (Ed.), Elsevier, Chapt. 11, 1993.
  10. Bayat Y. and Bayat M.H., Study of Thermal Analysis and Kinetic Decomposition of Polybutadiene Acrylonitrile-Acrylic Acid (PBAN), J. Therm. Anal. Calorim, 134, 1091-1100, 2018.
  11. Mosahebi-Mohamadi M., Synthesis and Characterization of Polyglycidyl Nitrate as Energetic Binder and Investigation of Properties in Composite Solid Propellant, PhD Thesis, Department of Chemistry and Chemical Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran, 2016.
  12. Pashaei F., Synthesis of Glycidyl Nitrate Monomer and Polymer as an Energetic Polymer, PhD Thesis, Polymer Engineering, Polymer Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, 2008.              
  13. Provatas A., Formulation and Performance Studies of Polymer Bonded Explosive (PBX) Containing Energtic Binder Systems, Weapons System Division Aeronautical and Maritime Research Laboratory Part 1, 1-37, 2003.
  14. Provatas A., Energetic Plasticizer Migration Studies, J. Energ. Mater., 21, 237-245, 2003.
  15. Abrishami F., Zohari N., and Zeynali V., Synthesis and Kinetic Study on the Thermal Degradation of a Triblock Copolymer of Polycaprolactone-Poly(glycidyl nitrate)-Polycaprolactone (PCL-PGN-PCL) as an Energetic Binder, J. Polym. Advan. Technol, 30, 640-647, 2019.
  16. Thelen C.J., Meitner J.G., Murbach W.J., and Van Dolah R.W., Polyglycidyl Nitrate. Part 2. Preparation and Characterization of Polyglycidyl Nitrate, NAVORD Report 2028, NOTS 686, US Naval Ordnance, 1953.
  17. ayat Y. and Mohammadi M.M., Improved Synthesis of Glycidyl Nitrate in the Presence of 5-Aminotetrazolium Nitrate: A New Method Optimised Using the Taguchi Method, Cent. Eur. J. Energ. Mater, 13, 579-591, 2016.
  18. Ingham J.D. and Nichols P.L., High Performance PGN-Polyurethane Propellants, Jet Propulsion Laboratory, Publication No. 93, 1959.
  19. Bodaghi A. and Shahidzadeh M., Synthesis and Characterization of New PGN Based Reactive Oligomeric Plasticizers for Glycidyl Azide Polymer, Propellants, Explos, Pyrotech, 43, 364-370, 2018.
  20. Willer R., Stem A.G., and Day R.S., Polyglycidyl Nitrate Plasticizers, US Pat., 5,380,777 B1, 1995.
  21. Bull H., Bunyan P.F., Cunliffe A.V., Leeming W.B.H., Marshall E.J., and Rodgers M.J., An Investigation in to the Thermal Stability of End-modified Poly-Glyn, International Annual Conference of Ict, 29th Energetic Materials, Germany, 30 June-3 July, 1998.
  22. Shee S.K, Reddy S.T, Athar J, Sikder A.K, Talawar M.B, Banerjee S., and Khan M.A., Probing the Compatibility of Energetic Binder Poly-Glycidyl Nitrate with Energetic Plasticizers: Thermal, Rheological and DFT Studies, RSC Adv., 5, 101297-101308, 2015.
  23. Paraskos A.J., Sanderson A.J., and Cannizzo L.F., Polymerization of Glycidyl Nitrate via Catalysis with BF3.THF:   Compatibility with the Activated Monomer (AM) Mechanism, IM/EM Technical Symposium, San Francisco, 15-17 November, 2004.
  24. Ang H.G. and Pisharath S., Energetic Polymers, Binders and Plasticizers  for Enhancing Performance, Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Weinheim, Chapt. 3, 2012.
  25. Bayat Y., Ghorbani M., Mohammadi M., and Jafari S., Synthesis and Characterization of PGN-PTHF-PGN as A New Triblock Copolymer, 11 th International Seminar on Polymer Science and Technol, Iran Polymer And Petrochemical Institute, Tehran, Iran 6-9, October, 2014.
  26. Abrishami F., Zohari N., and Zeynali V., Synthesis and Characterization of Poly(glycidyl nitrate- block-caprolactone-block-glycidyl nitrate) (PGN-PCL-PGN) Triblock Copolymer as a Novel Energetic Binder, Prop. Explos. Pyrotech, 42, 1032-1036, 2017.
  27. Ghorbani M. and Bayat Y., Synthesis and Characterization of Hydroxyl-Terminated Triblock Copolymer of Poly (glycidyl nitrate-block-butadiene-block-glycidyl nitrate) as Potential Energetic Binder, Polym. Sci. Ser B, 57, 654-658, 2015.
  28. Herzberger J., Niederer K., Pohlit H., Seiwert J., Worm M., and Wurm F.R., Polymerization of Ethylene Oxide, Propylene Oxide, and Other Alkylene Oxides: Synthesis, Novel Polymer Architectures, and Bioconjugation, Chem. Rev., 116, 2170-243, 2015.
  29. Ertem S.P., Yilgor E., Kosak C., Wilkes G.L., Zhang M., and Yilgor I., Effect of Soft Segment Molecular Weight on Tensile Properties of Poly(propylene oxide) Based Polyurethane-Ureas, Polymer, 53, 4614-4622, 2012.
  30. Ziaee F., Characterization and Thermal Rearrangement Investigation of 1,4-Polybutadiene by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 22, 389-398, 2009.
  31. Zhang Z., Wang G., Luo N., Huang M., Jin M., and Luo Y., Thermal Decomposition of Energetic Thermoplastic Elastomers of Poly (Glycidyl Nitrate), J. Appl. Polym. Sci., 131, 40965, 2014.
  32. Le Xin S., Xue Q.G.,  Fang Y.D., and Lei B., Thermal Degradation Comparison of Polypropylene Glycol and Its Complex with Β-Cyclodextrin, Polym. Degrad. Stab, 95, 508-515, 2010.
  33. Shanley E.S. and Melhem G.A., The Oxygen Balance Criterion for Thermal Hazards Assessment, Process Saf Prog., 14, 29 -31, 1995.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 33، شماره 1 - شماره پیاپی 165
فروردین و اردیبهشت 1399
صفحه 63-73

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار