1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐和CMDB推进剂组分的相互作用研究

采用DSC实验、推进剂固化实验和真空安定性实验等多种手段,研究了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO)和CMDB推进剂组分的相互作用。DSC分析结果表明,HATO和硝化纤维素(NC)、硝化甘油(NG)、吉纳(DINA)、黑索金(RDX)、奥克托金(HMX)和炭黑(CB)之间存在强烈的相互作用,以及3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮铅(NTO-Pb)、铝(Al)之间则无明显的相互作用。70℃条件下制备出含HATO的CMDB推进剂,DSC分析表明,受硝酸酯的作用,HATO使得CMDB推进剂的热分解峰温提前,但在155℃以下,含HATO的CMDB推进剂无明显热分解过程。真空安定性试验结果表明,100℃条件下持续加热48 h,HATO的放气量为0.30 ml/g,含HATO的CMDB推进剂的放气量为0.39 ml/g。

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐的合成与性能

以二氯乙二肟为原料,经取代反应、环化反应和复分解反应合成了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO),总收率为81.7%。研究以未经干燥的二叠氮基乙二肟为中间体,提高了操作的安全性,采用溶解度较大的锂盐为中间体,提高了复分解反应的收率。对HATO的热稳定性、机械感度、形貌和粒度分布进行了研究。结果表明,HATO的热分解峰温为249.14℃(10℃·min-1),放气量为0.3 mL·g-1(100℃,48 h),撞击爆炸概率为16%(10 kg落锤),特性落高为100 cm(5 kg落锤),摩擦爆炸概率为24%(3.92 MPa,90°),粒度为334μm。

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。

重结晶工艺对1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐热性能和机械感度的影响

为了研究不同重结晶工艺对1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO,TKX-50)热性能和机械感度的影响,分别采用降温法、溶剂-非溶剂法,制备了6种不同粒径和晶体形貌的HATO样品。利用激光粒度仪和扫描电镜对不同重结晶工艺所得HATO样品的粒度和形貌进行了表征。利用差示扫描量热仪(DSC)对其热分解性能进行了分析。按GJB772A-1997方法对其撞击、摩擦感度进行了测试。结果表明,不添加表面活性剂,利用降温重结晶制备的HATO样品其粒度最大(d50=196.5μm)且晶体表面光滑、形状规则,表现出最高的分解温度及较低的机械感度,其分解峰温为249.1℃,撞击感度、摩擦感度分别为8%、20%。

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐和CMDB推进剂组份的相容性

采用差示扫描量热法(DSC)和真空安定性试验(VST)法研究了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO)与复合改性双基(CMDB)推进剂组份:硝化棉(NC)、NC/硝化甘油(NG)吸收药、吉纳(DINA)、黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮铅盐(NTO-Pb)及铝粉(Al粉)的相容性。DSC结果表明,HATO与NC、NC/NG、DINA及RDX不相容,与HMX、NTO-Pb、Al粉相容。VST结果表明,HATO与NC/NG、DINA不相容,与RDX中等反应,与NC相容。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐及碱金属盐的合成、溶解度测定及关联

以1,1′-二羟基-5,5′-联四唑为原料,分别与氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾反应得到1,1′-二羟基-5,5′-联四唑的碱金属盐：1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二锂盐（Li2DHBT）、1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二钠盐（Na2DHBT）、1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二钾盐（K2DHBT）,收率分别为90.6%、91.9%、90.2%。以Li2DHBT为原料,通过与盐酸羟胺的复分解反应得到1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐（HATO）,收率为94.1%。利用激光监测技术,采用动态法测定了20-60℃下,HATO、Li2DHBT、Na2DHBT和K2DHBT在水中的溶解度,利用理想溶液模型和Apelblat方程对实验数据进行了关联。结果表明,四种盐在水中的溶解度均随温度的升高而增加。理想溶液模型、Apelblat方程的拟合值与实验值的平均相对误差在3.5%以内,但Apelblat方程对实验数据的关联结果较优。溶解热力学计算结果表明,HATO、Li2DHBT、Na2DHBT、K2DHBT的溶解焓分别为27.991,27.632,31.125,17.991kJ·mol^-1,溶解熵分别为23.431,36.807,41.251,3.139J·mol-1·K^-1。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐理论爆速的计算

利用自编FORTRAIN程序,基于BKW方程计算了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(HATO)的爆速;利用Gaussian软件(V09)中的完全基组方法(CBS-4M)计算了HATO的生成焓,再使用Kamlet-Jacbos公式预估了HATO的爆速;制备了尺寸为Φ30mm×30mm的5种密度HATO混合炸药药柱,并按照GJB772A-97 702.1方法测试了其爆速,然后根据Urizar公式计算了HATO的理论爆速。结果表明,采用这3种方法计算得到的HATO的理论爆速分别为9 441、9 186和9 432m/s,表明自编FORTRAIN程序的爆速计算结果可靠,而采用Gaussian软件的爆速计算结果偏低。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐在火炸药中的应用研究进展

概括了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)化合物的合成与制备、晶体特性和力学性能,总结了其在性能改进、相容性、能量、安全性等应用方面的研究现状。对比了TKX-50与传统中性有机硝铵类材料的不同,指出TKX-50是离子盐结构,无传统含能基团—NO_(2),释能方式是以高能键断裂释放能量而不是氧化还原反应,使得计算得到的生成焓、爆热、燃烧热等能量特性与试验结果有巨大差异;最后归纳总结了TKX-50的应用优势和存在问题,并展望了其未来发展方向及研究重点,指出应充分挖掘以TKX-50为代表的富氮类含能离子盐能量特性,利用此类材料特有性质,扩大其在火炸药领域应用范围。

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。

1,1’-二羟基-5,5’-联四唑胍盐的合成、表征和性质研究

以1,1’-二羟基-5,5’-联四唑和碳酸胍为原料,合成出了1,1’-二羟基-5,5’-联四唑胍盐(G2DHBT),通过核磁共振谱、红外光谱、元素分析和X射线单晶衍射仪,对其结构进行了表征。G2DHBT属于单斜晶系,空间群P2(1)/c,晶胞参数:a=3.647 7(14),b=16.966(7),c=9.546(4),α=90°,β=97.465(6)°,γ=90°,V=585.8(4)3,Z=2,D c=1.634 g/cm3,μ=0.134 mm-1,F(000)=300。同时,通过差示扫描热分析技术和GJB 772A—97标准方法,分别研究了G2DHBT的热分解性能和机械感度性能,运用完全基组方法(CBS-4M),对G2DHBT的标准生成焓进行了理论计算,进而通过Kamlet-Jacobs公式和最小自由能法,分别计算了G2DHBT的爆轰参数和G2DHBT单元推进剂的性能。结果表明,G2DHBT的热分解峰温为289.8℃,撞击爆炸概率为0%,特性落高为112.2 cm,摩擦爆炸概率为2%,固相标准生成焓为387.69 kJ/mol,爆速为7202 m/s,爆压为22.1 GPa,G2DHBT单元推进剂的比冲为1 977 N·s/kg。

解耦合法研究1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)热分解（英文）

为了研究1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(TKX-50)的热分解,分别采用热重和差示扫描量热法进行热分解试验研究,并采用MATLAB软件对重合部分进行解耦合,用Málek方法对TKX-50热分解过程进行动力学研究。结果表明,TKX-50的热分解过程分为两个阶段,用MATLAB软件获得两个阶段完整的热分解曲线,并分别获得不同升温速率下各个阶段的Tonset、Tp、ΔH等基础参数。TKX-50的热分解遵循自催化反应模型,并分别获得动力学参数包括活化能、指前因子和动力学模型等,第一阶段:Ea=174.99 kJ?mol^-1,lnA=40.75,f(α)=α0.917(1?α)0.509;第二阶段:Ea=149.60 kJ?mol^-1,lnA=31.84,(fα)=α0.357(1?α)0.117。

2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的合成与性能

用2-偕二硝甲基-5-硝基四唑(HDNMNT)为原料,与羟胺中和反应,合成了2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐(HADNMNT),收率为98.4%。用FTIR,1H NMR,13C NMR,15N NMR和元素分析表征了其结构。用DSC研究了HADNMNT的热稳定性。用密度泛函理论及K-J方程计算了HADNMNT的爆速和爆压。在标准状态下(压强为6.86 MPa,膨胀比为70/1),采用最小自由能原理计算了HADNMNT单元推进剂的理论比冲。结果表明,升温速率为10℃·min-1的HADNMNT的DSC曲线的峰温为145.3℃。它的爆速、爆压和比冲分别为9.240 km·s-1,39.54 GPa和2639.8 N·s·kg-1。

含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的推进剂能量特性计算

采用最小自由能法,在标准状态下（膨胀比为70/1）,计算了含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐（HADNMNT）的丁羟复合推进剂和改性双基推进剂的能量特性。理论计算可知,HADNMNT单元推进剂的密度比冲为4936.4 N·s·dm-3,高于黑索今（RDX）,低于奥克托今（HMX）和六硝基氮杂异伍兹烷（CL-20）;利用HADNMNT完全取代高氯酸铵（AP）后,丁羟复合推进剂的比冲提高了428.7 N·s·kg-1;绘制了HADNMNT与RDX、Al组成的丁羟复合推进剂的等比冲三角图,直观的反映了比冲与配方的关系,HTPB、HADNMNT、RDX及Al的含量分别为10%、60%-62%、14%-16%以及14%-15%时,获得推进剂的最高理论比冲为2778.9 N·s·kg-1。利用HADNMNT完全取代RDX后,改性双基推进剂的比冲为2522.9 N·s·kg-1：通过添加Al并调节HADNMNT与Al在改性双基推进剂中的含量,获得推进剂的优化配方为：NC 25%,NG 33%,HADNMNT 11%,Al 20%,DINA 3.5%,其他助剂7.5%,其理论比冲为2598.5 N·s·kg-1。

不同纯度和粒度的1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐热稳定性研究

通过差示扫描量热分析(DSC)试验、热重分析(TG)试验和绝热加速量热分析(ARC)试验,分别对不同纯度和不同粒度的TKX-50在非等温和绝热分解反应过程中的热行为进行研究,并通过动力学参数的计算来评价其热稳定性。结果表明:TKX-50的纯度对表观活化能的影响小于粒度,且粒度越小,热分解反应越完全,表观活化能越大;升温越快,TKX-50热分解反应越完全。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑-5-氨基四唑盐的合成及性能预估

以乙二醛、盐酸羟胺和氨基胍碳酸盐等为原料合成了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑-5-氨基四唑盐(5-ATHTO),并对反应条件进行了优化。采用核磁共振光谱、红外光谱、质谱对其进行表征,通过DSC分析了其热稳定性,用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-31+G**理论水平下估算了该化合物的爆轰性能。结果表明,在水为介质、反应时间为5h、反应温度为100℃条件下,5-ATHTO的产率最高为86.2%。该化合物在240℃左右分解,说明其热稳定性良好。结构优化后用Monte-Carlo方法估算5-ATHTO的理论密度为1.85g/cm3,用Born-Haber循环求得生成热为808.5kJ/mol,用Kamlet-Jacobs公式估算出爆热为1 504.35J/g,爆速为8.25km/s,爆压为32.6GPa,撞击感度的计算值为52cm,表明5-ATHTO是具有良好爆轰性能的钝感含能化合物。

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑金属盐的制备及热分解动力学

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑类化合物是近年来高能钝感材料研究的热点,为研究这类化合物的热安全性,用差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)在升温速率分别为5,10,15,20 K·min^(-1)的条件下研究了1,1'-二羟基-5,5'-联四唑钻盐(1,1'-BTOCo)、铜盐(1,1'-BTOCu)和铅盐(1,1'-BTOPb)的热分解过程。分别用Kissinger法和Ozawa法计算了三种盐的表观活化能(E_K和E_O)、指前因子(A_k),得到其热分解动力学参数和热分解机理函数。结果表明,1,'-BTOCo的E_K=162.35 kJ·mol^(-1),A_K=1.83×10^(15)s^(-1),T_(SADT)=534.46 K,T_(bpo)=542.22 K;1,1'-BTOCu的E_K=217.95kJ·mol^(-1),A_K=12.58×10^(20)s^(-1),T_(SADT)=527.56 K,T_(bpo)=539.11 K;1,1'-BTOPb的E_K=223.52 kJ·mol^(-1),A_K=4.24×10^(20)s^(-1),T_(SADT)=525.87 K,T_(bpo)=580.00 K。

HATO-AP复合物点火燃烧特性

采用干混法和溶剂-非溶剂重结晶法分别制备了1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(HATO)和高氯酸铵(AP)的混合物和复合物,通过扫描电子显微镜(SEM)和国军标方法分析了HATO、AP、HATO+AP混合物以及HATO-AP复合物的微观形貌和机械感度,并试验对比了它们的点火和燃烧压力特性,结合热重-质谱(TG-MS)分析结果讨论了HATO-AP复合物的反应特性。结果表明,HATO-AP复合物中可能存在HATO和AP共晶、混晶或者相互包覆的情况,使其机械感度相比HATO+AP混合物大幅降低。HATO的燃烧压力峰值和压力上升速率均远高于AP,而HATO-AP复合物能够消除AP的不利影响,使其燃烧压力峰值比HATO提高17.3%。由于HATO-AP复合物实现了2种材料在更小的微观尺度上良好接触,复合物中HATO与AP两分子趋向于直接反应,反应过程中N元素可能直接通过反应生成NH3、HCN、NO或者其它NOx,而反应过程不再有N2生成,复合物反应历程的改变可能导致其具有不同的燃烧压力特性。

空位缺陷对TKX-50感度、力学性能及爆轰性能影响的分子动力学模拟

采用分子动力学方法探究了一系列空位缺陷浓度(0%,1.56%,6.25%和12.5%)对1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)感度、力学性能和爆轰性能的影响。首先建立TKX-50完美晶体模型和空位缺陷模型,并验证研究所采用的Dreiding力场的正确性和有效性。然后对模型进行几何优化和分子动力学模拟,研究发现,空位缺陷导致TKX-50的内聚能密度减小、总氢键数目减少,表明含空位缺陷的TKX-50感度增加,安全性降低;并且随着空位缺陷的增多,羟胺阳离子间的氢键数目几乎不变,联四唑阴离子上以氧原子为氢键受体的氢键数目与其他氢键相比明显减少。另外,空位缺陷使得TKX-50的体积模量(K)、拉伸模量(E)和剪切模量(G)分别降低了1.530~4.122 GPa、3.066~10.652 GPa、1.216~4.202 GPa,表明随空位缺陷浓度的增加,TKX-50晶体的刚度下降。所有模型的柯西压(C_(12)-C_(44))为正,表明所有模型均表现出延展性,且K/G值与泊松比(γ)随空位缺陷浓度的增加而增加,表明空位缺陷的增多使得TKX-50的韧性和塑性都得到增强。此外,空位缺陷还使得TKX-50的爆速和爆压分别降低了93~317 m∙s^(-1)和1.0~3.5 GPa,表明缺陷晶体的毁伤威力降低。

1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐对大鼠的亚急性经口毒性

为研究1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(HATO)亚急性经口毒性,将40只健康成年SPF级SD大鼠按体重随机分为4组,每组10只,雌雄各半,分别为对照(1.5%羧甲基纤维素钠溶液)组和7.8、15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组。采用灌胃方式染毒,染毒容量为10 ml/kg,每天1次,连续28 d。观察动物的中毒表现,检测体重、摄食量、血常规、生化指标、电解质、凝血、主要脏器系数变化及病理学改变。结果显示,试验期间各组实验动物均未出现明显行为学和体征改变,15.6mg/kg HATO染毒组在染毒第24天死亡1只雄性大鼠,解剖后发现脾脏肿大。雌、雄性大鼠体重及摄食量各组间差异无统计学意义(P>0.05)。与对照组相比,15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组雌、雄性大鼠RBC、HGB、HCT、MCHC均降低,而MCV、MCH升高,且15.6 mg/kg HATO染毒组雌性大鼠PLT也降低,差异均有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,31.2mg/kg HATO染毒组雌性大鼠血清TP含量降低,而15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组雌、雄性大鼠血清AST活力升高,差异均有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组雄性大鼠血iCa与TCa以及15.6 mg/kg HATO染毒组雌性大鼠血K浓度均降低,差异有统计学意义(P<0.05)。31.2 mg/kg HATO染毒组雄性大鼠PT-INR升高、TT延长,而FBG降低,差异均有统计学意义(P<0.05)。与对照组相比,对于雄性大鼠,15.6 mg/kg HATO染毒组脑组织系数及15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组心脏系数均升高,而31.2 mg/kg HATO染毒组胸腺系数降低,脾脏和睾丸系数均升高,差异均有统计学意义(P<0.05);对于雌性大鼠,15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组脾脏系数均升高,差异有统计学意义(P<0.05)。15.6、31.2 mg/kg HATO染毒组全部大鼠脾脏出血及充血,生发中心(淋巴滤泡)不均匀且增多,巨噬细胞增多;肝脏含铁血黄素沉着,肝细胞变性坏死;31.2 mg/kg HATO染毒组雄性大鼠睾丸出现轻度水肿。提示HATO对大鼠血液系统有损害,造成凝血功能异常,长期接触可导致大鼠脾脏肿大,并对肝功及睾丸都存在毒性损伤作用。HATO亚急性经口最大无作用剂量为7.8 mg/kg。

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐的遗传毒性研究

采用鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验(Ames)、体内哺乳动物骨髓细胞微核及染色体畸变试验、体外哺乳动物细胞染色体畸变试验方法进行1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐(HATO)的遗传毒性研究。HATO在加与不加S9混合液时,各剂量组对各试验菌株回变菌落数均未超过溶剂对照组的2倍,亦无剂量-反应关系;各剂量染毒组均未引起小鼠骨髓嗜多染红细胞微核率增加和染色体畸变。HATO对中国仓鼠肺细胞(CHL)有一定的毒性作用,但各剂量染毒组均未致CHL细胞染色体畸变。提示在本试验条件下HATO不具有遗传毒性。