微流控结晶系统制备窄分布微米级硝胺炸药

为了在安全临界尺度下实现炸药结晶的调控与批量生产,基于微流控技术组建了ZS-1型微流控结晶系统,并选用二甲亚砜(DMSO)和去离子水分别作为溶剂与反溶剂,通过改变两相流量比、炸药相浓度与总流量等结晶过程参数,在微尺度下进行了环三亚甲基三硝胺(RDX)的粒度控制研究和环四亚甲基四硝胺(HMX)的粒度与晶型控制研究,探索了结晶参数的高通量筛选。在ZS-1型微流控结晶系统上进行了微米级RDX的批量制备实验。结果表明,经系统重结晶细化的RDX样品的D_(50)为3.35μm,跨度(粒径分布)为0.956,纯度为99.80%,平均粒径较原料RDX缩小了22.2倍,且产量可达每小时百克量级,验证了微尺度下窄分布微米级炸药批量制备的可行性。

含能材料桌面式在线分析检测系统的研究

为了能对含能材料结晶过程中重要参数实现原位在线检测,设计并构建了能够实现多种检测功能的微流控结晶过程在线检测系统(MCPMS)。该系统集成了在线光谱仪、激光器、工业电感耦合元件图像传感器相机与激光粒度仪等多种在线检测装置,可对微反应器的混合效果、炸药结晶关键过程参数(晶体溶解度、介稳区宽度等)以及含能材料晶体形貌等多个重要因素与性能进行分析检测。利用该系统分析了混沌对流微混合器的混合过程,表征了共轴聚焦流微混合器的混合强度。以六硝基茋(HNS)炸药为例,基于涡流微混合器测定了HNS的结晶热力学与动力学参数;基于测定的粒径分布数据研究了HNS基高聚物黏结炸药的晶体生长动力学;基于微筛孔混合器分析了延期药常用氧化剂铬酸钡的晶体厚度与光学性质间的联系。该系统具备良好的功能性与实用性。

微流控合成与制备含能材料新进展

微流控(Microfluidics)是指在数十到数百微米的微尺度上操作和控制流体的科学和技术。与微流控概念密切相关的还有微反应器、流动化学、微化工等。这些领域研究的侧重点有所不同,但共性都是基于化学芯片、微通道、微结构等形成的微尺度流体开展工作。南京理工大学“微纳含能器件工业和信息化部重点实验室”的朱朋、沈瑞琪课题组,近期发展了多种微流控形式,构建了具有在线检测、快速筛选与小批量制备等功能的高通量微流控系统,用于合成与制备高品质含能材料。

微流控技术合成叠氮类起爆药工艺研究

为提高起爆药合成工艺的本质安全性,设计和组建了基于混沌流混合芯片的微流控制备系统,利用在微尺度条件下流体的高效混合,制备出2种典型离子盐叠氮类起爆药:叠氮化铅(LA)和叠氮化银(SA);研究了不同流速、晶型控制剂对LA起爆药的影响;对比了微流法和常规法2种工艺制备的SA,并研究了微流法SA的撞击敏感性和静电敏感性。结果表明:不同的反应流速对LA的晶体形貌和粒径分布产生影响;在微反应体系中合成的SA粒径分布在712.4~1106.4nm之间,平均粒径为871.6nm,相对较窄,并且对撞击和静电钝感。研究表明基于微流控技术的连续流合成工艺是一种安全有效、快速制备叠氮类起爆药的方法。

桌面式高通量微反应系统制备氢氟酸改性锆粉

为连续化高安全性地实现锆粉的感度控制,构建了一个桌面式高通量微反应系统,并验证了利用该系统制备氢氟酸改性锆粉的可行性。通过调节流体流速比、流量及氢氟酸浓度,对改性锆粉的形貌与结构进行了研究。采用热分析法与静电火花感度测试对改性锆粉的热性能与安全性进行了分析。研究结果表明:桌面式高通量微反应系统可以实现形貌良好的锆粉改性制备,并达到每小时百克量级的处理量,改性后锆粉的表面主要由含氟氧化锆层与氢化锆层组成;氢氟酸改性锆粉的氧化速率更快,反应完全所需的时间更短,氧化增重较原料锆降低了4.0%,50%发火能量E_(50)由原料锆粉的1.42 mJ提升至8.98 mJ,静电火花感度明显降低。

HNS溶解度与介稳区的光流控测定方法研究

为了获得炸药晶体的溶解度、介稳区宽度等结晶热力学参数,提出了一种基于光流控的炸药结晶热力学参数的测定方法,并以六硝基茋(HNS)炸药为样本验证了该种方法的适用性。以5 K为步长,测定了HNS自318.15 K至353.15 K,在体积比为10∶0,7∶3,5∶5,3∶7,0∶10的DMSO/DMF溶剂体系下的溶解度及HNS在以上DMSO/DMF溶剂体系,318.15 K至333.15 K下的介稳区宽度。采用Apelblat模型、λh模型对收集到的溶解度数据进行拟合,研究了溶剂体系对介稳区宽度的影响,并对结晶参数进行了筛选。根据经典成核理论计算了HNS的表观成核级数m,并对HNS的降温结晶成核机理进行了分析。结果表明,基于光流控的结晶热力学参数测定方法对HNS晶体有着很好的适用性。随着温度的升高与体系内DMSO体积比例的增加,HNS的溶解度增大。随着体系内DMSO体积比例的增加,介稳区宽度变窄。得到最佳结晶条件:以纯DMSO作为溶剂,溶液温度设置为333.15 K,溶质浓度为0.029 g·mL-1。m的值约为4,受起始温度的影响不大,可以推测HNS的成核机制属于连续成核。

微孔阵列芯片的设计、制备与乳化反应性能研究

为了探索一种连续安全可控的乳化炸药微流控合成策略,采用微机电系统(MEMS)制造工艺,设计制备了10,20,30,40μm四种孔径的硅基微孔阵列芯片并构建了乳化炸药微流控反应装置。研究发现,影响乳胶基质分散相液滴粒径的主要因素是微孔孔径和连续相流速,探究了孔径尺寸、油水两相流速对乳化液滴粒径分布和放热性能的影响规律。结果表明,当微孔孔径为30μm、连续相流速为0.5 mL·min^(-1)时,基质中分散液滴的粒径分布最窄,D_(50)=8.169μm。微孔阵列芯片能够批量生成均一度较高的液滴,为乳化炸药制备过程中的乳化阶段提供了新的选择。