博文

固体推进剂中的含氟聚合物

已有 5665 次阅读 2020-5-7 07:46 |个人分类:含能材料与安全|系统分类:科普集锦| 含能材料, 固体推进剂, 含氟聚合物

之前的博文后来发现图片不能正常显示，而且不能在原博文上进行修改，现在重新上传了图片，重新进行发布，谢谢

我们都知道燃烧需要三要素

燃料、助燃剂和点火能量。

一般的助燃剂就是氧气，比如2两左右的铝（108g，4mol）在氧气中充分燃烧可以释放的热量3300kJ。相比而言，同等质量的（108g）的梯恩梯炸药（TNT）只能产生454kJ的热量（不借助外界氧的情况下）。然而，有一种比氧气还要强很多的氧化剂，那就是氟气（服气！）。我们现在知道，氟是自然界电负性最强的元素，而氟气也是氧化性最强的单质。比如上面说的同样质量铝（108g，4mol）在氟气中充分燃烧的话可以释放6000kJ，大约是与氧气反应时的两倍。

尽管1810年已经认为存在氟这种元素，但由于它的强大氧化性，其单质在相当长的一段时间很难被制备出来，被称作“死亡元素”！而前赴后继的先行者很多都被氟深深伤害甚至因而去世。

拓展阅读：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/24992780
科学家为了周期表里的这个元素，付出了最惨烈的代价，SME情报员

直到1886年，法国化学家亨利·莫瓦桑总结前人（包括自己的老师）的宝贵经验与教训，才采用低温电解的方法分离出氟单质。

图：2006年，莫瓦桑获得诺贝尔化学奖100周年之际，法国发行的纪念邮票

铯（还原性最强）和氟气（氧化性最强）

在含能材料领域，像富氧的化合物（如高氯酸铵，NH₄ClO₄）一样，富含氟的化合物也可以作为氧化剂与燃料（比如铝）混合在一起，构成蕴含大量化学能的物质。富含氟的化合物（本文主要介绍的是聚合物）很多，最为著名的之一就是聚四氟乙烯（英语：Polytetrafluoroethylene，缩写为 PTFE），俗称特氟龙（商标名Teflon），其含氟量高达76%（质量分数），就是我们经常见到的不粘锅的涂层材料。然而，就像不粘锅厂家宣传的那样，这种材料几乎不溶于任何有机溶剂里（不过受高温会分解，分解产物有害），要想和铝均匀地混在一起，一般会采用球磨粉粹的方法，有一定的危险性（Combustion and Flame 161(1): 311–321）。

含PTFE/Al的固体推进剂药柱表面燃烧

此外，含氟的聚合物还有聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，PVDF，含氟量59%）、氟橡胶（比如Viton a，含氟量66%）、氟塑料（比如THV，四氟乙烯，六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物，含氟量73%）等。这些含氟聚合物均可溶于特定一些有机溶剂，使得与铝粉等燃料的混合变得更加容易。而且，利用这些含氟聚合物“胶水”，将铝粉等燃料混合成“含能墨水”，利用含加热平台（挥发里面的有机溶剂）的打印机就能制作出“固体推进剂”药条。

doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.12.031

墨水直接打印到加热平台上，得到的各种复合材料，及其微观结构、力学性能

三种氟化物制备的复合含能材料，它们的力学性能、点火与燃烧特性不大相同，这取决于氟化物本身的力学性能、含氟量、以及含氢量（可产生氟化氢，也伤了很多人）。其中氟化氢（HF）的产生可能有利于铝的点火（可能是削弱了铝粉氧化层）；但是氟化氢与铝的反应释热相较于CF_x较低，使得含氢较多的氟化物（比如PVDF）与铝的燃烧温度较低。