Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Study on the glycidyl nitrate polymerization reaction

Julia Zuzanna Merchel

Abstract

The binder, in solid rocket fuels and plastic explosives, has two main functions: a combustible component, which together with an oxidant is a factor that allows obtaining an adequate oxygen balance and structure-forming component, which gives shape, adequate mechanical strength and cohesion of the entire mixture. At present, polybutadiene with OH end groups (HTPB) is widely used as binders for rocket fuels and plastic explosives. This choice is dictated by the very good mechanical properties of the composition after crosslinking. However, this polymer has some disadvantages, the lack of explosophoric groups makes it an inert material that reduces rocket fuel energy. An alternative to HTPB are energy binders, polymers containing energy groups in their energy chains, e.g. -F, -N3, -C-NO2, -ONO2. Such energetic binders cause the energy released in the material to increase. Poly(glycidyl nitrate), PGN for short, is a high energy polymer that in its structure contains an explosophoric group - nitrate (V). The polymer chain ends have hydroxyl groups, which is why the polymer can be cross-linked with diisocyanates. PGN is formed through the polymerization of monomer - glycidyl nitrate. The main purpose of the work was to optimize the polymerization reaction of glycidyl nitrate (GLYN) and to examine the basic properties of poly(glycidyl nitrate) (PGN) obtained under optimal conditions. Glycidyl nitrate monomer (GLYN) was obtained during engineering work as a result of epichlorohydrin nitration reaction and 20 reactions of glycidyl nitrate polymerization were carried out. During the polymerization, the type of catalyst and initiator, temperature, time and amounts of substrates dosed were changed. During the research it was found that less catalyst compared to the initiator, the higher molecular weight of the obtained polymer (PGN). This dependence is true for both 1,4-butanediol and ethylene glycol as initiator. However, it does not matter which initiator was used in the glycidyl nitrate polymerization reaction. The highest yield and highest molecular weight were achieved during the polymerization reaction with the largest excess of initiator relative to the catalyst. The optimum temperature for conducting glycidyl nitrate polymerization reaction is 0-10 °C. The longer duration of the glycidyl nitrate in polymerization reaction, the higher molecular weight of the obtained PGN. During the research, the scale of GLYN polymerization was increased (from 5 to 100 g) without affecting the molecular weights of the polymers obtained and their properties. In order to learn the basic properties of the obtained PGN, a number of tests were performed and the results compared with other binders, HTPB and GAP: GPC, 1H NMR, DSC, combustion heat measurement, viscosity measurement. The sensitivity of the polymer to friction and impact was also examined. The polymer obtained under optimal conditions is characterized by the following parameters: molecular weight 2018 g/mol, glass transition temperature -32,3 °C, onset temperature decomposition 194,8 °C, max. decomposition temperature 211,5 °C, enthalpy of decomposition 2846 J/g, heat of combustion 14458 J/g, viscosity 12100 cP at 25 °C, 860 cP at 50 °C, impact sensitivity 20,6 J, sensitivity to friction 110,4 N.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Julia Zuzanna Merchel (FC) Julia Zuzanna Merchel,, Faculty of Chemistry (FC)
Title in Polish
Badania reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu
Supervisor
Paweł Maksimowski (FC/DH-EM) Paweł Maksimowski,, Department Of High-Energetic Materials (FC/DH-EM)Faculty of Chemistry (FC)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Department Of High-Energetic Materials (FC/DH-EM)
Study subject / specialization
, Technologia Chemiczna
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
10-10-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Paweł Maksimowski (FC/DH-EM) Paweł Maksimowski,, Department Of High-Energetic Materials (FC/DH-EM)Faculty of Chemistry (FC) Krzysztof Krawczyk (FC/CChT) Krzysztof Krawczyk,, Chair of Chemical Technology (FC/CChT)Faculty of Chemistry (FC)
Keywords in Polish
poli(azotan glicydylu), polimeryzacja, paliwa rakietowe
Keywords in English
poly(glycidyl nitrate), polymerization, rocket fuels
Abstract in Polish
Lepiszcze, w stałych paliwach rakietowych oraz plastycznych materiałach wybuchowych pełni dwie główne funkcje: składnika palnego, który wraz z utleniaczem jest czynnikiem umożliwiającym uzyskanie odpowiedniego bilansu tlenowego i składnika strukturotwórczego, który nadaje kształt, odpowiednią wytrzymałość mechaniczną oraz spoistość całej mieszaniny. Obecnie powszechnie w roli lepiszczy do paliw rakietowych i plastycznych materiałów wybuchowych stosuje się polibutadien z końcowymi grupami OH (HTPB), wybór ten jest podyktowany bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi kompozycji po usieciowaniu. Jednak polimer ten posiada pewne wady, brak ugrupowań eksplozoforowych powoduje, że jest to materiał obojętny, obniżający energetykę paliwa rakietowego. Alternatywą dla HTPB są energetyczne lepiszcza, polimery zawierające w swoich łańcuchach energetyczne grupy eksplozoforowe np. –F, -N3, -C-NO2, -ONO2. Takie energetyczne spoiwa powodują wzrost wyzwalanej energii w materiale. Poli(azotan glicydylu), w skrócie PGN, to wysoko energetyczny polimer, który w swojej strukturze zawiera grupę eksplozoforową - azotanową (V). Na końcach łańcucha polimeru znajdują się grupy hydroksylowe, dlatego też polimer można sieciować za pomocą diizocyjanianów. PGN powstaje poprzez polimeryzację monomeru– azotanu glicydylu. Głównym celem pracy była optymalizacja reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu (GLYN) oraz zbadanie podstawowych właściwości otrzymanego w optymalnych warunkach poli(azotanu glicydylu) (PGN). W trakcie pracy inżynierskiej otrzymano monomer azotan glicydylu (GLYN) w wyniku reakcji nitrowania epichlorohydryny oraz przeprowadzono 20 reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu. Podczas polimeryzacji zmieniano rodzaj katalizatora i inicjatora, temperaturę, czas oraz ilości dozowanych substratów. Podczas badań stwierdzono między innymi, że im mniej jest katalizatora w stosunku do inicjatora tym ciężar cząsteczkowy otrzymanego polimeru (PGN) jest większy. Zależność ta jest prawdziwa zarówno dla 1,4-butanodiolu jako inicjatora jak i dla glikolu etylenowego. Natomiast nie ma znaczenia jaki inicjator został zastosowany w reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu. Największą wydajność oraz największy ciężar cząsteczkowy zostały osiągnięte podczas prowadzenia reakcji polimeryzacji z największym nadmiarem inicjatora w stosunku do katalizatora. Optymalną temperaturą prowadzenia reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu jest temperatura z zakresu 0-10 °C. Im dłuższy czas prowadzenia reakcji polimeryzacji azotanu glicydylu tym otrzymany PGN ma większy ciężar cząsteczkowy. W trakcie badań zwiększono skalę prowadzonej polimeryzacji GLYN (od 5 do 100 g) bez wpływu na ciężary cząsteczkowe otrzymanych polimerów i ich właściwości. W celu poznania podstawowych właściwości otrzymanego PGN wykonano szereg badań i porównano wyniki z innymi lepiszczami, HTPB i GAP: GPC, 1H NMR, DSC, pomiar ciepła spalania, pomiar lepkość. Zbadano również wrażliwość uzyskanego polimeru na tarcie i uderzenie. Polimer otrzymany w optymalnych warunkach cechuje się następującymi parametrami: masa cząsteczkowa 2018 g/mol, temperatura zeszklenia -32,3 °C, temperatura onset rozkładu 194,8 °C, max. temperatura rozkładu 211,5 °C, entalpia rozkładu 2846 J/g, ciepło spalania 14458 J/g, lepkość 12100 cP w 25 °C, 860 cP w 50 °C, wrażliwość na uderzenie 20,6 J, wrażliwość na tarcie 110,4 N.
File
  • File: 1
    praca_inż_Julia_Merchel_278382.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 30188

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTf8f2171920674e979598e6c13f09c84b/
URN
urn:pw-repo:WUTf8f2171920674e979598e6c13f09c84b

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page