TNB/1,4⁃DNI共晶炸药的制备与表征

采用溶剂挥发法制备获得1,3,5⁃三硝基苯/1,4⁃二硝基咪唑(TNB/1,4⁃DNI)共晶炸药,通过单晶X射线衍射表征共晶结构,其晶体属于正交晶系,P2_(1)2_(1)2_(1)空间群,晶胞参数:a=6.4068(5)Å,b=10.4569(8)Å,c=20.7164(17)Å,α=β=γ=90°,ρ=1.776 g·cm^(-3),Z=4。采用差示扫描量热法(DSC)分析其热性能,结果表明其熔点为84.4℃,明显低于单组份TNB(123.5℃)和1,4⁃DNI(91℃)的熔点,且TNB/1,4⁃DNI共晶炸药经熔融冷却能够重新形成纯共晶炸药。采用经验氮当量法计算得到TNB/1,4⁃DNI共晶炸药的爆速为7704 m·s^(-1),爆压为26.08 GPa,明显优于常用熔铸炸药TNT的爆轰性能。因此,TNB/1,4⁃DNI共晶炸药可作为一种新型熔铸炸药。

CL⁃20/1,4⁃DNI共晶及共晶组分的声子谱和热力学性质的第一性原理研究

声子谱在研究固体热力学性质和化学分解反应微观过程中起着重要作用,对声子谱的研究有助于揭示含能材料的初始热解机理以及爆轰性能和感度的微观物理机制。采用色散校正的密度泛函理论方法,计算了六硝基六氮杂异戊兹烷(CL‑20)/1,4‑二硝基咪唑(1,4‑DNI)共晶及共晶组分的声子谱和热力学性质,通过分析声子态密度确定了声子模式存储和传递能量的方式,提出了热能流动方向,预测了引发键及撞击感度顺序。结果表明,ε‑CL‑20和CL‑20/1,4‑DNI共晶由声子态密度预测的引发键均为CL‑20分子上的N─NO2键,而1,4‑DNI晶体的初始热分解涉及咪唑环的开环反应。通过对比CL‑20和1,4‑DNI分子分别在共晶和共晶组分中的声子态密度,发现共晶中二者的热稳定性均得到改善,从而导致共晶的热稳定性优于共晶组分。根据“入口模”声子数和特征振动频率Δωd预测的撞击感度顺序均为:ε‑CL‑20>CL‑20/1,4‑DNI>1,4‑DNI,与实验测定结果相一致。由声子谱计算的共晶及共晶组分的热力学参数,在相同温度下,其顺序为CL‑20/1,4‑DNI>ε‑CL‑20>1,4‑DNI。低频声子对恒容热容(CV)的贡献最大,由能量转移引起的化学键断裂可能经历了多声子向上泵浦过程。

由1,4-DNI热重排制备2,4-DNI的研究

研究由1,4二硝基咪唑在氯苯中经过热重排制备2,4二硝基咪唑的工艺过程,讨论了反应时间、反应温度对2,4二硝基咪唑得率的影响,得到较优的条件:反应温度为125℃,反应时间为3.5～4h,得率95%。

CL-20/1,4-DNI共晶形成的热力学

为了获得共晶形成的热力学判据,为结晶溶剂和过程参数的筛选和优化提供理论指导,开展了六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)/1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI)共晶形成的热力学研究。分别以丙酮、乙酸乙酯和甲醇为结晶溶剂,采用高效液相色谱(HPLC)测定了CL-20和1,4-DNI在纯溶剂的溶解度,以及CL-20在不同浓度(0.04,0.06,0.08,0.10,0.12,0.16,0.20,0.24 g·mL^-1)1,4-DNI溶液中的溶解度,绘制得到CL-20/1,4-DNI/溶剂三元相图;基于溶液化学中的平衡理论,通过对溶解度数据的拟合,计算得到共晶的溶度积Ksp、络合常数K11及反应自由能ΔG0等热力学参数。结果表明,共晶组分在溶剂中的溶解度越大且组分间溶解度差异越小,其三元相图中的共晶区域越大、形状越对称。三种溶剂中共晶区域由大到小的顺序为:丙酮>乙酸乙酯>甲醇,且在丙酮和乙酸乙酯中共晶区域形状更对称;热力学参数的计算结果显示,在三种溶剂中,丙酮最有利于CL-20/1,4-DNI共晶的形成,其次是乙酸乙酯;不同温度下丙酮溶剂中的三元相图和热力学参数表明,降低结晶温度有利于CL-20/1,4-DNI共晶的析出。

1,4-二硝基咪唑的合成及其热分解

用二步反应合成1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI),即先用乙酸酐对4-硝基咪唑3位上的N进行N-酰化,再通过硫酸-乙酸酐-硝酸钠混合液对酰化产物进行硝化合成1,4-二硝基咪唑,通过正交实验对合成工艺进行了优化,得到了较优的工艺条件:4-硝基咪唑、浓硫酸、硝酸钠、乙酸酐的摩尔比为2:3:8:15,反应温度30～40℃,反应时间3 h.用DSC研究了1,4-DNI的热分解.

1,4-二硝基咪唑的制备与晶体结构

以咪唑作为原料,经两步反应,得到1,4-二硝基咪唑,并于室温下培养出单晶。通过X射线单晶结构分析法测定其晶体结构。结果表明,晶体属于正交晶系,空间群为P212121,晶体学参数为:a=5.832 3(13)nm,b=9.562(2)nm,c=10.302(2)nm,V=574.5(2)nm3,Z=4,DC=1.828 g/cm3,F(000)=320。

1,4-二硝基咪唑的制备工艺研究

以浓硫酸-硝酸铵-醋酐为混合硝化体系,通过用醋酐法制备1,4-二硝基咪唑.并通过反应时间、反应温度、硝酸铵加入量、醋酐加入量单因素实验和硝酸铵的正交实验得到了合成1,4-二硝基咪唑较优的工艺条件:自制4-硝基咪唑精品11.3g,醋酐70ml,浓硫酸8ml,酰化温度大约35℃～40℃,酰化时间1h,硝酸铵20g,反应温度为30℃～35℃,反应时间为1.5h,1,4-二硝基咪唑得率为73%.并对样品进行了熔点测定,为92℃～94℃;采用红外光谱进行了表征,验证了所得反应产物.

外电场中1,4-二硝基咪唑-N-氧化物感度的理论研究

为探明外电场中炸药感度的变化规律,借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理论方法,研究了外电场方向和强度的变化对1,4-二硝基咪唑-N-氧化物(1,4-DNIO)炸药潜在引发键的键长、硝基电荷、键离解能及撞击感度、静电火花感度和冲击起爆压力的影响。结果表明,在无电场和外电场作用下,N─NO2是最可能的引发键,其次是N→O,最后是C─NO2键。沿N→O、C─NO2键轴正方向和N─NO2负方向的外电场使N→O和C─NO2键离解能减小、N─NO2键离解能增大、H50增大、撞击感度降低;与上述反方向的外电场对引发键强度和撞击感度的影响正好相反。引发键键长、AIM电子密度、硝基电荷、键离解能和H50的变化量分别与外电场强度之间呈良好的线性关系,大多数情况下,相关系数R2>0.9500。外电场对电火花感度和冲击起爆压力的影响不大,外电场由-0.010 a.u.变化到0.010 a.u.,变化值分别小于0.5 J和0.15 MPa。

1,4-二硝基咪唑的溶解性能、热性能和感度

为得到1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI)的理化性能,用重力法测定了1,4-DNI在4种不同溶剂(丙酮、乙酸乙酯、甲醇、乙醇)中的溶解度,用溶解度数据估算了1,4-DNI的标准溶解焓、标准溶解熵和标准吉布斯自由能,探究了1,4-DNI在不同溶剂中的结晶形貌;通过差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)研究了1,4-DNI的热性能,用Kissinger法计算了其表观活化能;测试了1,4-DNI的机械感度。结果表明,1,4-DNI在4种溶剂中的溶解度均随温度的升高而增加,其溶解是一个非自发的吸热过程,溶解度值由大到小的顺序为:丙酮>乙酸乙酯>甲醇>乙醇;用丙酮和乙酸乙酯作溶剂,采用冷却结晶法得到的晶体结晶品质优于甲醇和乙醇,结晶产率和纯度也较高;当升温速率为10K/min时,1,4-DNI的熔融温度为95.0℃,分解峰温为167.6℃,热重变化的温度范围为134.7~340.8℃,总失重率为94%,其表观活化能为119.26kJ/mol;1,4-DNI实测撞击感度大于20J,摩擦感度为60N。

微波辅助合成2,4-二硝基咪唑

由1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI)重排为2,4-二硝基咪唑(2,4-DNI),以微波加热代替常规加热,可在一定程度提高得率,并可将重排时间由4～50h缩短为10min。研究了加热用微波功率、加热时间、溶剂及1,4-DNI浓度对2,4-DNI得率的影响。重排适宜的反应条件是:微波功率375W,加热时间10min,氯苯为溶剂,1,4-DNI的浓度为10%,这时所得2,4-DNI的得率可达95%,熔点265～268℃(分解)。