5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50)50克量级制备放大工艺

为获得绿色低感高能炸药,研究了5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50)的50克量级制备方法。以乙二醛为起始原料,通过肟化、氯代、叠氮化、环合制得了关键中间体5,5'-联四唑-1,1'-二羟基二水合物(1,1'-BTO),1,1'-BTO与羟胺水溶液成盐直接制备出目标物TKX-50,产品经1H NMR,IR,MS,DSC和元素分析确证结构。重点考察了由1,1'-BTO制备TKX-50反应中投料比、时间及温度对收率的影响,确定了适宜的工艺条件:投料摩尔比n(1,1'-BTO)∶n(NH2OH·HCl)∶n(Na OH)=1∶2.2∶2.2,反应时间1 h,温度80℃时,单步反应收率80.1%。合成路线总收率为41.5%。

TKX-50/MDNI共晶的分子动力学模拟

为了探究5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟胺(TKX-50)与1-甲基-4,5-二硝基咪唑(MDNI)形成共晶的可能性,进一步改善其热感度,提升其应用前景,构建了5种不同摩尔比的TKX-50/MDNI共晶体系,运用Malerials Studio软件中的分子动力学模拟方法,分析了相互作用能、内聚能密度、力学性能等与组分摩尔比的关系。结果表明,在5种共晶体系中,当TKX-50和MDNI摩尔比为1∶3时,修正结合能最大,表明此时两组分间的相互作用最强,组分间的相容性和稳定性也最好,此时更有可能形成共晶;内聚能密度分析与引发键键长分析表明,当TKX-50/MDNI共晶体系中MDNI占比越大时,体系的内聚能密度越大,引发键最大键长越小,体系的热感度更低,降感效果更好;力学性能分析表明,MDNI的引入可以在一定程度上改善TKX-50的刚性,增强延展性,且TKX-50和MDNI摩尔比为1∶1时,力学性能改善效果最佳。

含5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵推进剂的能量特性计算

利用国军标方法 GJB/Z84-1996及CAD系统软件,在标准条件(pc/p0=70∶1)下计算了含5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50)的复合改性双基(CMDB)推进剂、端羟聚丁二烯(HTPB)推进剂、硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂及聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂的能量特性。结果表明,TKX-50单元推进剂的理论比冲为2623.7 N·s·kg-1,比RDX单元推进剂的理论比冲高6.5 N·s·kg-1。TKX-50是CMDB推进剂中RDX的较好替代物。当TKX-50取代HTPB推进剂中的AP和GAP推进剂中的HMX和AP时,TKX-50基HTPB推进剂和TKX-50基GAP推进剂的理论比冲均存在能量的最优值。当TKX-50取代NEPE推进剂中的AP和HMX时,TKX-50基NEPE推进剂的理论比冲先增后降再增,最大增加20.4 N·s·kg-1。

5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵的合成及其性能

以二氯乙二肟、叠氮化钠和二甲基甲酰胺(DMF)为主要原材料,通过两步反应先制备1,1'-二羟基-5,5'-联四唑(1,1'-BTO),再与盐酸羟胺反应合成目标化合物5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50),收率73.2%。用Gaussian软件在B3LYP/6-31++G水平下对该离子盐的结构进行模拟,发现其晶体中存在较强的分子间和分子内的氢键作用。这种氢键作用有效提高了TKX-50的密度,达到1.918 g·cm-3。基于该密度,计算出该含能盐爆速9698 m·s-1,爆压42.4 GPa,摩擦感度和撞击感度分别为120 N和20 J,性能优于奥克托今(HMX)和六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)研究进展

1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(TKX-50)是目前引起广泛关注的新型含能离子盐。综述了TKX-50相关研究进展,包括其分子合成、晶体结构及相变、热力响应特性、爆轰性能、安全性、相容性及毒性。TKX-50因具有易合成、能量高、机械感度低和毒性低的优点而有一定的应用潜质。但是,与传统的CHNO含能材料相比,TKX-50具有不同的晶体组成、晶体中粒子间相互作用、热力性质及其内在本质,其不太理想的热安定性和相容性将限制其应用。这表明,以TKX-50为代表的含能离子盐的热力响应机制和释能机制可能不同于传统CHNO含能材料,有待于进一步研究。

TKX-50基混合炸药的爆轰及安全性能

为了研究5,5′?联四唑?1,1′?二氧二羟胺盐(TKX?50)基混合炸药的爆轰及安全性能,以F2314氟橡胶为粘结剂,采用淤浆捏合法制备了典型TKX?50基混合炸药。按照国军标(GJB?772A-1997)和自建的标准测试方法对炸药的爆轰性能(爆速、爆压、爆热、圆筒比动能)和安全性能(撞击感度、冲击波感度、热刺激感度)进行了测试,并将实测性能与PBX?9501等炸药进行了对比分析。结果表明,在爆轰性能方面,与PBX?9501相比,制备的TKX?50基混合炸药实测爆速值为9037 m·s-1(密度1.860 g·cm-3),但其爆热(5055 J·g-1)、爆压(26.4 GPa)和做功能力(1.377 kJ·g-1)较低。在安全性能方面,TKX?50原材料经重结晶后撞击感度可显著降低,最低撞击能由5J提高至32J,TKX?50基混合炸药的冲击波感度(L50=15.1 mm)低于HMX基混合炸药(L50=22.6 mm)。此外,TKX?50的热分解温度(240℃)、5 s爆发点(277℃)均低于HMX(285℃,327℃),以TKX?50为基的混合炸药在热刺激下更容易发生剧烈反应。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐的晶形计算及控制

利用Materials Studio软件中Growth Morphology方法模拟计算了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)的晶体形态和结晶习性,分析了主导晶面的表面结构特征;采用实验方法验证了模拟计算方法。结果表明,各稳定晶面在分子间距离、晶面电荷分布上存在很大区别。选择分子结构中具有负电子作用基团的晶体生长控制剂对其晶体形貌进行控制,可缩短快生长面和慢生长面之间生长速率的差距,减小晶体的形状系数。选择分子结构中含有富电子芳环的离子型表面活性剂为晶形控制剂,制备出了晶体形貌规整、呈多面体颗粒状、长径比明显变小的TKX-50晶体,试验结果验证了理论预测的正确性。

高压下1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐的振动光谱及同位素效应（英文）

用密度泛函理论方法研究1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(HATO)晶体在高压(<40GPa)下性质。在GGA-PW91计算水平并结合超软势基组对HATO晶体结构进优化,其优化结构能再现实验结果。分子间O…H间距随压力的增加而显著减小;但O—H和N—H键长呈现非单调变化。基于不同压力下的优化晶体结构,利用非周期性计算并经校正因子0.9679校正,求得相应压力下的红外和拉曼谱。预测最强拉曼峰对应于C—C伸缩和NH2对称变形,位于1580cm-1,与实验结果一致。虽然阴离子不含氢原子,但阳离子的氘代仍对阴离子的振动光谱产生影响。高压导致分子间氢键增强,导致参与氢键的O—H和O—D振动的拉曼波数减小。氘代后,ND2的拉曼位移的最明显变化是ν2伸缩振动波数在高压下急剧增加,导致ND2ν2/ν3在高压下发生偶合。计算出的ν1至ν3振动的同位素效应比ν(NH2)/ν(ND2)均为1.36~1.38,与由折合质量所求得的值相一致。氘代和压力的变化可引起不同振动模式的偶合。

不同刺激方式下TKX-50的反应性

为详细了解5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵(TKX-50,HATO)在不同刺激方式下的反应性,采用程序升温法(DSC-TG)、聚光点火实验、密闭爆发器实验、雷管起爆和脉冲等离子体起爆5种方式对TKX-50的燃烧和爆炸反应性进行了对比研究。结果表明,TKX-50在逐步升温加热刺激下,起始分解温度为218.87℃,分解过程是由固相直接分解为气相,分解后残余率为2.85%,放热量为2273.91J/g;TKX-50燃烧反应时间持续5.5s左右,先后经历热解反应期(0~3s)、燃烧期(3~4s)和反应结束期(4~5.5s)3个阶段,分解后有部分固体残留;TKX-50燃烧持续时间为0.91ms,燃烧压力最大值为164.2MPa,燃烧速度最大值为433.45MPa/ms;采用雷管起爆测得TKX-50的爆热值为4900J/g,脉冲等离子体起爆测得其爆热值为5320J/g,爆轰产物主要为CO_(2)、CO、CH_(4)、N_(2)O、NH_(3)、C单质等。以上结果表明TKX-50在不同的刺激方式下反应性具有较大的区别,在持续受热以及等离子体刺激下反应更完全。

TKX-50合成方法改进

以乙二醛为原料,经肟化合成了乙二肟、后经氯化合成了二氯乙二肟、后经叠氮化-环合反应合成1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二水合物、最后经过中和反应合成了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(TKX-50)。总收率为63%,并采用核磁共振、红外、质谱表征了其结构。优化并确定了反应最佳条件:叠氮化-环合反应时,以丙酮-水作为混合溶剂,反应温度为0℃,反应1.5 h后用乙醚萃取,萃取液不经过任何处理直接通入氯化氢气体进行环合反应得到1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二水合物,收率为88%;酸碱中和反应时,以乙酸乙酯为溶剂,反应温度为50℃,反应2 h,抽滤并冰水水洗得到TKX-50,收率为94%。

TKX-50热分解氮气形成机理的分子动力学模拟

为研究新型富氮含能化合物5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50)高能钝感背后的微观机制,采用从头算分子动力学方法模拟了TKX-50在不同压力及温度下的分解过程,通过分析主要产物N_2的生成路径,揭示了TKX-50热分解随温度与压力变化的规律。模拟显示TKX-50分解的主要产物为H_2O和N_2。其中N_2存在三条主要的生成路径,两条来源于唑环环裂过程,另一条与铵盐和唑环的相互作用相关联。唑环环裂直接生成N2的过程受温度影响较大,温度越高,断裂速度越快,对压力不敏感。铵盐与唑环相互作用生成N_2的过程则依赖于扩散,扩散速率与温度呈正相关,与压力呈负相关。三条反应路径的共同作用使得TKX-50的反应速率宏观上呈现随温度升高而升高,随压力升高而下降的趋势。

TKX-50/GO复合含能材料的制备及热分解特性

为了研究5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟胺(TKX-50)/氧化石墨烯(GO)纳米复合含能材料的热分解性能,采用液氮喷雾冷冻干燥法,制备了TKX-50/GO复合材料;通过扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线衍射仪(XRD),对样品的形貌、结构以及表面元素含量进行了表征和分析;采用热重-差示扫描量热法(TG-DSC)分析了复合材料的热分解性能;采用Kissinger法计算了其表观活化能。结果表明,采用液氮冷冻喷雾干燥法制备的TKX-50/GO复合材料具有纳米级层状网络结构;与TKX-50相比,TKX-50/GO复合含能材料的第一阶段分解峰峰温向低温方向移动12.0、12.5、12.2℃,第二阶段分解峰峰温向低温方向移动12.5℃和16.4℃,随着GO含量的增加,第二阶段分解峰变得不明显,TKX-50/GO5两个分解阶段重叠,表观活化能从146.2kJ/mol提高到163.3、168.5和172.9kJ/mol。GO提高了复合含能材料的活化能垒,使分解峰温提前,缩短了反应区间时间,从而提高了能量释放速率,促进了TKX-50/GO复合材料的热分解。

氧化石墨烯对TKX-50含能材料热性能的影响

为了研究氧化石墨烯(GO)对5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟胺(TKX-50)热性能的影响,分别向TKX-50添加1 wt%,3 wt%,5 wt%的GO,采用热重-差示扫描量热法(TG-DSC)分析了TKX-50的热分解性能;采用Kissinger法和Ozawa法计算了表观活化能和指前因子.结果表明:与TKX-50相比,添加GO后TKX-50的两段分解峰值温度均提前,两步分解部分重叠;GO加快了TKX-50的反应进程,缩短了反应区间,能量释放速率提高;添加GO使TKX-50的表观活化能从146.16 kJ·mol^-1提高到163.25 kJ·mol^-1,168.50 kJ·mol^-1和172.97 kJ·mol^-1,提高了TKX-50的热稳定性.

TKX-50分解自催化特性鉴别及热安全性研究

5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟胺(TKX-50)作为一种新型富氮高能化合物被广泛研究和应用.为研究其分解反应的特征和热安全性,本文利用线性升温法、等温法、中断回归法等研究了TKX-50的自催化特性,同时利用热分析动力学软件AKTS对线性升温和中断回归后TKX-50的绝热诱导期和自加速分解温度进行预测.结果表明,TKX-50的热分解过程具有自催化分解的特性,且一旦具有热履史,会使其绝热诱导期和自加速分解温度降低,增加了爆炸的危险性.研究结果为评价TKX-50在生产、储运和使用过程中的热安全性提供了必要的理论基础.

TKX⁃50在甲酸/水混合溶剂中生长形貌的分子动力学模拟

为了研究甲酸/水混合溶剂对含能离子盐5,5´-联四唑-1,1´-二氧二羟铵(TKX-50)生长形貌的影响,采用分子动力学方法计算了TKX-50晶面与甲酸/水混合溶剂之间的相互作用能。使用修正的附着能模型预测了TKX-50在不同体积比的甲酸/水(1/4,1/3,1/2,1/1和2/1)混合溶剂中的生长形貌,并且模拟了温度对TKX-50生长形貌的影响。结果表明,改变混合溶剂中甲酸的体积比,能够显著改变TKX-50的晶习。当甲酸/水的体积比为1/2,温度为298 K时,TKX-50的晶体形貌更接近球形。径向分布函数分析表明,TKX-50的(110)晶面与混合溶剂分子间同时存在氢键、范德华力和静电力。

HATO及其特征基团的热分解特性

为详细了解5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵(HATO)及其特征基团的热分解特性,采用快速扫描傅里叶变换红外光谱法(RSFT-IR)、差示扫描量热法(DSC)分析了HATO的凝聚相热分解特性;利用固体原位红外池/RSFT-IR技术在升温速率2.5、5.0、10.0℃/min下研究了HATO的特征基团随时间(温度)的变化;采用Coats-Redfern法计算得到了HATO的C—C键、N—O-键、四唑环的热分解动力学参数;基于HATO及其特征基团的热分解特性,推测了HATO的热分解机理。结果表明,HATO及其特征基团的热分解受二维扩散机理控制,热分解过程分为两个阶段,第一阶段分解速率较快,第二阶段分解速率较慢且最终分解比较完全;HATO的C—C键、N—O-键、四唑环的活化能分别为159.94、195.05、134.75kJ/mol;热分解过程为四唑环先断裂,然后伴随C—C键、N—O-键的断裂分解完全;HATO的热分解机理为:首先发生分子间质子转移,其次四唑环上的N—N键断裂和羟胺化合物进行分解,最后断裂碎片发生交联反应或继续受热分解为气体小分子达到分解完全。