硝仿(NF)高安全制备工艺研究
具有降感特性纳米硝胺炸药的可控制备及应用基础研究
具有降感特性纳米硝胺炸药的可控制备及应用基础研究硝胺类炸药(环三亚甲基三硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝胺(HMX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20))具有较高的爆热、爆速和爆压,爆轰性能比较优异,可广泛应用于混合炸药和固体推进剂中,对保证高新武器系统实现“远程精确打击、高效高能毁伤”十分有利。
然而,工业微米级RDX、HMX和CL-20的摩擦、撞击和冲击波感度都较高,在研制、生产、贮存、运输以及使用过程中经常会由于受到外界能量刺激而引发意外的燃烧或爆炸,造成重大的经济损失,甚至人员伤亡;因此,需对它们进行降感处理,以提高使用稳定性和安全性。
本课题基于纳米化降感思路,采用南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心发明的HLGB-10型粉碎机,可控制备纳米RDX、HMX和CL-20,并对纳米硝胺炸药的性能、硝胺炸药纳米化降感机理、纳米RDX/HMX在压装型PBX混合炸药和纳米RDX在改性双基推进剂中的应用进行了研究。
具体研究内容如下:首先,基于“微力高效精确施加”粉碎原理,采用HLGB-10型粉碎机,通过控制合适工艺参数成功制备出了颗粒尺寸在60nm左右、呈类球形、粒度分布范围很窄的纳米硝胺炸药(RDX、HMX和CL-20)。
提出了“膨胀撑离”防团聚原理,研究了分散液体和干燥方式对纳米硝胺炸药干燥效果的影响,确定了适合于纳米硝胺炸药的干燥条件与参数。
同时,对纳米硝胺炸药的化学纯度、晶型结构、分子结构、热分解特性、安定性和感度进行了研究,结果表明:纳米硝胺炸药的化学纯度很高,由粉碎系统引入的杂质极少,晶型结构和分子结构在纳米化过程中未发生改变。
与工业微米级硝胺炸药原料一致;纳米硝胺炸药的热分解表观活化能比工业微米级硝胺炸药原料偏低;在100℃下,纳米硝胺炸药和工业微米级硝胺炸药原料的热稳定性一致;与工业微米级硝胺炸药原料相比,纳米硝胺炸药的摩擦、撞击和冲击波感度分别降低20%、40%和50%以上,安全性大大提高。
高能氧化剂硝仿肼研究最新进展
Chemical Propellants&Polymeric Materials
高能氧化剂硝仿肼研究最新进展
马英华1,马会强1,李俊贤1,冯晓晶‘,张寿忠1,芦雷鸣2
(1.黎明化工研究院,河南洛阳471000;2.河南科技大学化工与制药学院,河南洛阳471003) 摘 要:介绍了近年来国内外高能氧化剂硝仿肼的最新研究情况。硝仿肼作为下一代新型含能
②在合成硝仿肼过程中,探索了各种因素对
收率的影响,并找出最佳条件。用水合肼代替无 水肼合成硝仿肼,经条件优化,可以较高的收率
【4】
nitroformate【J1.Journal
of PropuIsion
and
Power.2002,18(1):13l—137.
Dendage P S.Hydrazinium HNF based propellants:A Energetic
Veltmans
研究院在国家有关部门和单位的大力支持下,取
得了很多可喜的成果,归纳起来主要有以下几 点: ①分别以醋酐法和异丙醇法合成出纯品硝
仿。在研制过程中,探索出安全合成硝仿的丁艺
路线和最佳J二艺条件。针对提纯硝仿的难题,经 技术攻关,找到安全提纯纯品硝仿的方法,为合 成高纯硝仿肼及硝仿衍生物打下原料基础。
Abstract:The
recent
research
status
of high.energy oxidizer hydrazinium nitroformate
on
at
home and abroad is introduced.
The synthesis and application researches were carried
工业粉状硝铵炸药的基本工艺
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第四节 气流工艺
• (1)生产效率高。 • (2)安全性好。 • (3)劳动条件好,劳动强度小。 • (4)设备投资少,占地面积小。 • (5)产品质量高,气候适应性好。 • 但是与其他工艺相比,气流工艺也存在一些缺点,主要有: • (1)生产品种单一。 • (2)炸药的配比有时波动较大。
• (1)硝酸铵:70%通过40 目筛,水分含量不大于0.25% 。 • (2)梯恩梯:90%通过60 目筛。 • (3)木粉:全部通过32 目筛,水分含量在4%以下。 • 在原料质量满足上述要求的情况下,用此工艺可以生产出质量较好的
炸药产品。
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第一节 轮碾工艺
• 如果各种原料加工过程中的质量达不到要求,则该工艺生产出的炸药 质量就很难得到保证。对此,经过生产企业的技术人员在生产实践中 的探索,为了既保证安全生产,又能满足产品质量的要求,在以上两 种工艺的基础上,提出了一种新的轮碾工艺生产方法,即中温中砣轮 碾法。
• 该工艺的主要优点: • (1)工艺简单,技术不复杂,新工人上岗前简单培训后就能学会操
作。
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第一节 轮碾工艺
• (2)对原材料要求不高,可使用粗碎硝酸铵,梯恩梯无须粉得很碎 ,甚至可以直接投入片状梯恩梯。
• (3)可混制多个品种的炸药,设备利用率高。 • (4)混制炸药的效果好,产品质量稳定。原因是:各原料在高温、
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第二节 球磨工艺
• 球磨工艺是在常温下,利用球磨机对各种原料进行混合而制得炸药的 一种工艺。由于是常温下混合,所以亦将该工艺称为冷混法。
• 该工艺由于是常温混合,所以干燥效果差,同时球磨机的粉碎能力也 低于轮碾机,所以对原料的加工质量要求较高。硝酸铵必须经过细碎 和干燥,木粉和食盐的要求同轮碾工艺。
N,N ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)的合成工艺优化及热性能
doi:10.3969/j.issn.1001 ̄8352.2016.03.010NꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)的合成工艺优化及热性能❋刘利钊①㊀靳㊀昕②㊀王鹏程①㊀周新利①㊀陆㊀明①①南京理工大学化工学院(江苏南京ꎬ210094)②中国石油化工股份有限公司炼油事业部(北京ꎬ100728)[摘㊀要]㊀以硝仿(NF)和乌洛托品(HA)为主要原料ꎬ制备出了中间体NꎬN ̄二(三硝基乙基)胺(BTNA)ꎬ并由硝硫混酸硝化得到了目标物NꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)ꎬ收率达93.6%ꎮ采用IR㊁NMR等方法ꎬ对产品结构进行了表征ꎮ在BTNA用量相同的条件下ꎬ考察了硝硫混酸摩尔比㊁反应温度及反应时间等关键因素对结果的影响ꎬ获得了适宜的反应条件:n(H2SO4)︰n(HNO3)=1.0︰1.8ꎬ反应温度30ħꎬ反应时间20minꎮ采用差示扫描量热法(DSC)和热重 ̄微商热重(TG ̄DTG)研究了BTNNA的热性能ꎬ其分解温度为177.4ħꎬ是一种性能较好的含能材料ꎮ[关键词]㊀含能材料ꎻ硝化反应ꎻNꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)ꎻ热分解[分类号]㊀TJ55引言硝胺类炸药具有高能量的特性[1 ̄3]ꎬ是炸药领域研究的热点ꎮ含有N ̄三硝基乙基基团的硝胺类炸药具有很好的爆炸性能[4 ̄5]ꎮ熔铸炸药是指能以熔融态进行铸装的混合炸药ꎬ是当前应用最广泛的一类军用混合炸药[6]ꎬ而要使熔铸炸药的综合性能大幅度提升ꎬ必须首先解决载体炸药的问题[7]ꎮNꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)的熔点为92~94ħꎬ晶体密度为1.97g/cm3ꎬ爆速为8.657km/s(ρ0=1.925g/cm3)[8 ̄10]ꎬ撞击感度为44%ꎬ故可作为熔铸炸药载体以提升其综合性能ꎮ推进剂中氧化剂的主要作用是提供推进剂燃烧时所需要的氧ꎬ其本身具有有效氧含量高㊁生成焓高和密度大等特点ꎮ氧化剂在固体推进剂中占最大的分量ꎬ其性能直接关系着推进剂能量的大小ꎮ氧化剂对推进剂能量贡献主要取决于它与黏合剂及金属燃料氧化反应产生的热量和气体量的大小[11 ̄13]ꎮ而BTNNA具有正氧平衡(+16.5%)㊁密度大等特点ꎬ可作为推进剂的给氧组分ꎻ其次ꎬBTNNA还可作为混合炸药的给氧组分ꎬ以改善氧平衡㊁提高负氧炸药的能量[14 ̄16]ꎮ综上所述ꎬBTNNA是一种高能㊁具有正氧平衡特点的炸药ꎮ本文以硝仿(NF)和六亚甲基四胺(乌洛托品ꎬHA)为主要原料ꎬ合成出NꎬN ̄二(三硝基乙基)胺(BTNA)ꎬ最后经过硝化得到目标物BTNNAꎬ改进了BTNNA的合成工艺ꎬ获得了较高的收率ꎮ1㊀试验与方法1.1㊀试剂与仪器试剂:4ꎬ6 ̄二羟基嘧啶ꎬ分析纯ꎬ上海紫一试剂厂ꎻ浓硫酸㊁二氯甲烷㊁四氯化碳ꎬ分析纯ꎬ上海凌峰化学试剂有限公司ꎻ发烟硝酸ꎬ分析纯ꎬ国药集团化学试剂有限公司ꎻ无水硫酸镁ꎬ分析纯ꎬ成都市科龙化工试剂厂ꎻHAꎬ分析纯ꎬ郑州广耀化工原料有限公司ꎮ仪器:AvanceIII300MH核磁共振仪ꎬ德国Bruker公司ꎻUltraAMTSQquntium型高分辨质谱仪ꎬ美国Finnigan公司ꎻNicoletIS ̄10型傅里叶变换红外光谱仪ꎬ德国赛默飞世尔公司ꎻX ̄4显微熔点仪ꎬ上海精松仪电产品有限公司ꎮ1.2㊀试验过程1.2.1㊀NꎬN ̄二(三硝基乙基)胺(BTNA)的制备在冰水浴下ꎬ在装有机械搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入160mL水ꎬ再加入10mL含10gNF❋收稿日期:2015 ̄10 ̄14基金项目:国家自然科学基金资助(批准号:51374131)作者简介:刘利钊(1989-)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事含能材料合成的研究ꎮE ̄mail:llz6797@126.com通信作者:陆明(1963-)ꎬ男ꎬ教授ꎬ主要从事含能材料的设计与合成研究ꎮE ̄mail:luming@mail.njust.edu.cn(66mmol)的硝酸溶液ꎬ取3.8gHA(27mmol)缓慢滴加至反应液中ꎬ温度始终控制在16~18ħ之间ꎻ滴加完毕以后ꎬ在18ħ下恒温反应55minꎬ待反应完成之后ꎬ在常温下静置15minꎬ抽滤ꎬ水洗ꎬ得到BTNA的粗制品ꎮ用四氯化碳重结晶ꎬ得到BTNAꎬ收率91.9%ꎬm.p.91~93ħ(文献值:94.3ħ[14])ꎮ1HNMR(CDCl3ꎬ300M)δ:4.33( CH2)ꎬδ:2.94( NH)ꎮ1.2.2㊀NꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)的制备冰水浴下ꎬ在装有机械搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入50mL(1.1mol)发烟硝酸ꎬ再缓慢滴加30mL(0.6mol)浓硫酸ꎬ搅拌ꎬ温度不超过10ħꎻ将精制后的10gBTNA(29mmol)加入到硝硫混酸中反应ꎬ在水浴锅中加热至30ħꎬ恒温反应20minꎬ反应结束后ꎬ将反应液倒入冰水中ꎬ抽滤ꎬ水洗ꎬ干燥ꎬ得到BTNNA粗品ꎮ用四氯化碳重结晶ꎬ得到目标产物BTNNAꎬ收率93.6%ꎬm.p.92~94ħ(文献值94.8ħ[14])ꎮ1HNMR(DMSO ̄d6ꎬ300M)δ:6.01( CH2)ꎻ13CNMR(DMSO ̄d6ꎬ75M)δ:56.12ꎬ125.85ꎻIR(KBrꎬv/cm-1):2960ꎬ1570ꎬ1430ꎬ1400ꎬ1280ꎬ1140ꎮNꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)的合成路线见图1ꎮ2㊀结果与讨论2.1㊀反应机理探讨反应首先是硝酸的酸性离子活化HA中的Nꎬ使得与之相连的亚甲基碳带部分正电荷ꎬ在亲核反应中更加易于离去ꎻ随后NF的碳负离子进攻亚甲基碳ꎬ形成N ̄三硝基乙基基团ꎻ循环此过程ꎬ最终生成BTNA和NH4NO3ꎮ硝化反应属于亲电取代反应ꎬ硝酸在硫酸较强酸性和脱水作用下ꎬ首先发生质子化和脱水反应ꎬ生成活性中心硝酰正离子NO+2ꎬNO+2进攻富电的N原子ꎬ发生N H键断裂ꎬ生成N NO2键ꎬ最终形成BTNNAꎮ2.2㊀硝化反应的影响因素2.2.1㊀硝硫混酸摩尔比的影响㊀㊀改变硝硫混酸的摩尔比ꎬ对BTNNA收率影响较大ꎬ结果见表1ꎮ由表1可以看出ꎬ当硫酸和硝酸摩尔比为1.0︰1.8时ꎬ收率最高ꎬ达到93.6%ꎮ继续增大硫酸和硝酸的比例ꎬBTNNA收率下降ꎮ分析认为ꎬ可能是由于发烟硝酸的量增大后ꎬ生成的产物在强酸作用下一小部分发生了分解ꎮ因此ꎬ硫酸与硝酸的摩尔比为1.0︰1.8时最优ꎮ表1㊀硝硫混酸摩尔比对反应的影响Tab.1㊀Effectofthemoleratioofsulfuricandnitricacidontheyield序号n(H2SO4)︰n(HNO3)收率/%1#1.0︰1.187.42#1.0︰1.490.03#1.0︰1.893.64#1.0︰2.292.72.2.2㊀反应温度的影响改变反应温度ꎬ考察BTNNA的收率ꎬ结果如表2所示ꎮ从表2可以看出ꎬ30ħ以下时ꎬBTNNA的收率随反应温度的升高而提高ꎬ30ħ之后会有略微下降ꎬ30ħ时为最大值ꎮ表2㊀反应温度对反应的影响Tab.2㊀Effectofreactiontemperatureontheyield序号T/ħ收率/%1#2085.62#2589.13#3093.64#3592.7㊀㊀分析认为BTNNA收率下降的原因可能有:1)升高温度加强了氧化和水解等作用ꎬ几种作用相互竞争必然影响BTNNA的收率ꎻ2)硝酸易挥发㊁受热容易分解ꎬ温度升高导致部分硝酸的流失ꎬ从而降低了BTNNA的收率ꎮ因此ꎬ适宜的反应温度为30ħꎮ2.2.3㊀反应时间的影响使用5mL发烟硝酸和3mL浓硫酸ꎬ在硝化温度为30ħ的条件下ꎬ考察硝化反应的时间对目标产物BTNNA收率的影响ꎬ结果见表3ꎮ㊀㊀㊀㊀图1㊀BTNNA的合成路线Fig.1㊀SyntheticrouteofBTNNA㊀㊀由表3可知ꎬ随着反应时间的延长ꎬ前10minꎬBTNNA的收率增长较快ꎬ在20min时达到最大ꎬ随后继续延长反应时间ꎬBTNNA的收率会略有下降ꎮ因此ꎬ硝硫混酸硝化BTNA制备BTNNA的最佳的反应时间为20minꎮ表3㊀反应时间对反应的影响Tab.3㊀Effectofreactiontimeontheyield序号t/min收率/%1#1085.62#1589.13#2093.64#2592.75#3092.93㊀BTNNA的热性能在N2气氛下ꎬ升温速率为10ħ/minꎬ温度为50~250ħ条件下获得了BTNNA的DSC和TG ̄DTG曲线ꎬ如图2和图3所示ꎮ图2㊀BTNNA的DSC曲线Fig.2㊀DSCcurvesofBTNNA㊀㊀图3BTNNA的TG ̄DTG曲线Fig.3㊀TG ̄DTGcurvesofBTNNA㊀㊀从图2可以看出ꎬBTNNA在93.5ħ有吸热峰ꎬ表明其熔点为93.5ħꎬ在177.4ħ有明显的放热峰ꎬ表明其分解温度为177.4ħꎮ从图3可以看出ꎬ当温度低于120ħ时失重较少ꎬ累积失重仅为2%左右ꎻ继续升温ꎬ最大的失重峰出现在168ħꎻ当温度达到175ħ时ꎬ失重达98.8%ꎬ几乎完全失重ꎬ仅剩少量的残渣(1.2%)ꎮ4㊀结论㊀㊀1)以NF和HA为原料制备了中间体BTNAꎬ经过硝化合成了目标产物NꎬN ̄二(三硝基乙基)硝胺(BTNNA)ꎬ收率93.6%ꎬ并探究了BTNNA的较佳合成条件:n(H2SO4)︰n(HNO3)=1.0︰1.8ꎬ反应温度30ħꎬ反应时间20minꎮ2)采用DSC和TG ̄DTG研究了BTNNA的热分解性能ꎬ结果表明ꎬ其分解温度为177.4ħꎬ是一种性能较好的含能材料ꎮ参考文献[1]㊀陈洪伟ꎬ吴晓青ꎬ吴艳光.硝胺炸药颗粒包覆研究及其进展[J].天津化工ꎬ2009ꎬ23(3):9 ̄12.[2]㊀陆明ꎬ赵国政ꎬ聂福德ꎬ等.含吡啶/氨基苯环硝胺炸药的理论设计与合成[J].含能材料ꎬ2013ꎬ21(2):194 ̄199.LUMꎬZHAOGZꎬNIEFDꎬetal.Designsandsyntheticroutesofnitramineexplosivescontainingpyridine/amino ̄benzenering[J].ChineseJournalofEnergeticMaterialsꎬ2013ꎬ21(2):194 ̄199.[3]㊀陆明ꎬ聂福德.含吡啶环硝胺炸药设计与合成途径探索[J].含能材料ꎬ2010ꎬ18(6):618 ̄622.LUMꎬNIEFD.Designsandsyntheticroutesofnitramineexplosivescontainingpyridinering[J].ChineseJournalofEnergeticMaterialsꎬ2010ꎬ18(6):618 ̄622.[4]㊀HURZꎬZHAOFQꎬGAOHXꎬetal.Thermalsafetyof2ꎬ2ꎬ2 ̄trinitroethyl ̄N 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[KEYWORDS]㊀energeticmaterialsꎻnitrationꎻbis(2ꎬ2ꎬ2 ̄trinitroethyl) ̄nitroamine(BTNNA)ꎻthermaldecomposition。
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f m a i sr w a e i l. N ir o m ( or m de a a m t ras tof r NF) wa bt i d va nir in— y o y i e c in o HP. Thes r t e s o ane i tato h dr l ssr a to fD tuc ur
w e e:t molr r to ofn t i cd t r he a a i irc a i 0 DH P s 5 : l, t e m o e r to ofs f rc a i o nirc cd s 3.5 :1 . a h l a i ulu i cd t ti a i a .0
火 炸 药 学 报
1 4
Ch n s o r a fEx lsv s& P o eln s i eeJ u n l p o ie o r p l t a
第3 3卷 第 NF) 安全 制备工 艺研 究 高
毕 福 强 ,王伯 周 ,王 锡 杰 ,葛 忠 学 , 熊存 良
o s c a a t rz d b a s o V , HNM R, CNM R ,F I a d M S fNF wa h r c e ie y me n fU 。 T—R n .Th c a im f t e n t a i n e me h n s o h i to — r h d o y i r a t n wa ic s e .Th e u t h we h tf r u o 8 . y ed,t e o t lr a t n c n i o s y r l ss e c i sd s u s d o er s ls s o d t a o p t 0 1 il h p i e ci o dt n ma o i
S u y o h e r to c ni u f N ir f r t i h S c r t t d n t e Pr pa a i n Te h q e o t o o m wih H g e u iy
B — in IFu qa g,WANG —h u,WANG —i Boz o Xij e,GE Zh n — u o g x e,XI ONG n l n Cu —i g a
( 安 近代 化 学 研 究 所 , 西 西 安 7 0 6 ) 西 陕 1 0 5
摘 要 : 丙 二 酸二 甲酯 和 甲酰胺 为原 料 , 以 通过 缩 合 环 化 制 备 出 4 6二 羟 基 嘧 啶 ( HP , 后 经 硝 化 一 解 反 应 制 备 ,一 D )然 水 出 硝仿 ( ) 利用 紫 外 光 谱 、 磁 共 振 谱 、 外 光 谱 以 及质 谱 等 进 行 了结 构 表 征 。 探讨 了 DH NF , 核 红 P硝 化 一 解 的 反应 机 水 理 , 定 了 制备 硝仿 最 佳 工 艺 条件 为 : 硝 酸 ) D P) 确 ( : H 一5:、 ( 酸 ) 硝 酸 ) 3 5 1 0 反 应 温 度 4 ℃ 、 ( 1n 硫 : ( : . :. 、 5 反应 时
r w a era . a m t i1
wa y t e i d u i g NF p e a e n e h p i z d c n ii n s s s n h sz sn r p r d u d r t e o t e mie o d t s a o
间 2 收 率 为 8 . ; 过 改 进 硝 仿 的分 离 条 件 , 显 著 提 高 工 艺 的安 全 性 ; 自制 的 硝 仿 为 原 料 , 成 出 纯 度 为 h, O1 通 可 以 合
9 . 的硝 仿 肼 。 89 关 键词 : 机化 学 ; 有 硝仿 ; F; N 高安 全 性 ; 备 工 艺 制 中 图分 类号 :T 5 ;V5 1 2 J5 1 . 文 献标 志码 : A 文 章 编 号 :0 7 7 1 ( 0 O 0 0 4 0 1 0 — 8 2 2 1 ) 30 1 -4