添加劑對HMX 重結晶晶體形貌的影響

李 鑫,陳樹森,李麗潔,金韶華,李志華

(1.北京理工大學材料學院,北京100081;2.銀光化學工業集團有限公司,甘肅 白銀 730900)

引 言

炸藥技術的發展趨勢是鈍感化和高能化,因此在滿足各類武器對炸藥能量性能、爆轟性能等條件要求的基礎上,如何通過改變炸藥的物理性能來調控其安全性能是解決炸藥高能與安全可靠性間矛盾的關鍵[1]。研究表明[2],球形炸藥可以明顯提高裝藥密度、降低機械感度和改善成型性。

HMX是現役武器裝備中綜合性能最好的單質炸藥,因此研究HM X 的晶體形貌控制技術具有重要的意義[3]。余咸旱[4]用γ-丁內酯作溶劑在不同溫度下對HMX 進行重結晶,通過控制重結晶的溫度和HM X 溶液濃度分別制得了6 種粒度類別的HM X 產品;安崇偉[5]用丙酮溶解HM X 進行重結晶,通過控制HMX 溶液濃度和滴加速率分別得到了不同形貌的HM X 晶體。王晶禹[6]在進行HMX炸藥噴射結晶超細化實驗研究中發現,DM SO 溶液濃度和溫度影響HMX 的細化效果;陳潛[7]應用高速射流撞擊法在適宜的分散劑條件下,制備出等效球體粒徑小于100 nm 的HM X 顆粒。本試驗采用化學計算與試驗相結合的方法,利用添加劑來提高HMX 重結晶晶體的球形化程度,進而提高HM X 的裝藥密度和能量、改善炸藥裝藥的安全性。

1 添加劑對HM X 重結晶晶體形貌影響的模擬計算

1.1 HMX 晶體生長形貌的模擬計算

利用M aterials Studio 軟件,根據HM X 晶體單晶衍射的實驗數據建立晶胞,如圖1 所示。根據所建晶胞模擬得到HM X 晶體形貌,HM X 晶體穩定面如表1 所示。

圖1 H MX 的晶胞結構Fig.1 The structure cell of HM X

表1 H MX 晶體穩定面列表Table 1 The every sable face of HMX crystal calculated by materials studio

晶體平衡形態理論認為[8],在結晶過程中,結構基元結合到晶體表面上時釋放的能量為附著能。結合所需時間隨附著能的增大而減小,因而晶面的法向生長速度將隨晶面附著能的增大而增大,提出了一種定性判斷晶面生長速率的方法。假設晶體表面的生長速率正比于它的附著能,也就是說,具有最低附著能的表面生長最慢。根據各面的附著能,進而可以預測晶體的形貌。

從表1可以看出,{011}與中心的距離最小,附著能最小,是生長最慢的晶面;{100}、{10-2}附著能最大,與中心的距離是最大的,是生長最快的晶面。附著能的大小表征材料中原子間所成鍵的強弱,晶面間附著能越大,生長速率越快,因此選擇的添加劑應該和快生長面{100}、{10-2}附著能更大,使快生長面由于添加劑的影響,附著能減小得更大,從而對快生長面的抑制作用大;添加劑和{011}、{11-1}的附著能稍小,使慢生長面的附著能減小得較小,從而對慢生長面的抑制作用小[9-12]。

1.2 添加劑對HM X 晶體形貌影響的模擬計算

本研究考察了酰胺類和胺類添加劑對HMX 晶體形貌的影響,模擬計算采用雙層結構模型。

截取HM X 晶胞的某個穩定面,構建此穩定面的三維結構,作為雙層結構模型的下層,添加劑分子作為雙層結構模型的上層。由此,雙層結構模型構建完成。添加劑分子與晶面的附著能Ebinding按照式(1)進行計算:

式中:Einhibitor為雙層結構模型中添加劑分子層能量;Esurface為雙層結構模型中晶面層能量;Etotal為雙層結構模型的總能量。

1.2.1 乙酰胺對HM X 重結晶晶體各晶面的影響

圖2 為乙酰胺分子與HM X{011}晶面的雙層結構模型。

圖2 乙酰胺分子與H MX{011}晶面的雙層結構模型Fig.2 The double-layer model of{011}face of HMX and acetamide

將構建好的HM X{011}晶面-乙酰胺添加劑分子雙層結構模型進行能量優化,然后進行動力學分析找到體系能量最低時兩者(下層晶面和添加劑分子)的相對位置(如圖3),得體系的能量值Etotal。

按照式(1)計算乙酰胺與HM X 重結晶晶體中所有可見晶面的附著能,結果如表2 所示。

圖3 {011}面-乙酰胺能量最低點時兩者的相對位置Fig.3 The relative position betw een{011}face and acetamide when their energy is the lowest

從表2可以看出,添加劑乙酰胺與快生長面{100}的附著能最大,與慢生長面{011}的附著能最小,對快生長面的抑制作用比慢生長面的強,但對另一快生長面{10-2}的抑制作用卻很小;同時附著能從-53.25 kJ/mol 變化到-79.33 kJ/mol,相對于HM X 晶體生長的附著能并不是小很多,因此可以預測乙酰胺對晶體形貌球形化的影響較大,可能是向著偏離球形化的方向發展。

1.2.2 丙烯酰胺對HMX 重結晶晶體各晶面的影響

添加劑丙烯酰胺與HM X 所有可見晶面的附著能的計算結果見表3。

表2 乙酰胺與HM X 重結晶晶體中所有可見晶面的附著能Table 2 The attachment energy betw een acetamide and the every stable face of HMX crystal

表3 丙烯酰胺與HM X 晶體中所有可見晶面的附著能Table 3 The attachment energy betw een acrylamide and the every stable face of HMX crystal

從表3可以看出,丙烯酰胺在各晶面的附著能與乙酰胺相差不多,區別比較大的是對快生長面{10-2}的抑制作用比乙酰胺強,可能是向著球形化的方向發展。

1.2.3 乙胺對HMX 重結晶晶體各晶面的影響

添加劑乙胺與HM X 所有可見晶面的附著能的計算結果見表4 所示。

表4 乙胺與H MX 重結晶晶體中所有可見晶面的附著能Table 4 The attachment energy betw een ethylamine and the every stable face of HMX crystal

從表4可以看出,乙胺與HMX 各晶面的附著能為-43.20 ～-53.12 kJ/mol,變化不大,而且相對于HM X 分子本身的附著能很小,因此可以預測乙胺對HM X 重結晶晶體球形化影響不大。

由以上的計算可知,添加劑與HM X 晶體各晶面作用能的大小順序為:丙烯酰胺＞乙酰胺＞乙胺;添加劑對HM X 重結晶晶體形貌影響的大小順序為:乙酰胺＞丙烯酰胺＞乙胺。上述兩結論中丙烯酰胺和乙酰胺順序不同,原因是:雖然丙烯酰胺相對乙酰胺和HMX 晶體的附著能大,但其對快生長面比慢生長面的抑制作用都大,可能是向著球形化的方向發展。而乙酰胺對快生長面{10-2}的抑制作用卻很小,從而使晶體在原來的基礎上可能更加偏離球形化,從而兩者在上述兩結論中的順序不同。

2 試驗部分

2.1 材料與儀器

HMX,銀光化工集團有限公司;二甲基亞砜,上海中秦化學試劑有限公司;乙酰胺,分析純,天津凱通化學試劑有限公司;乙胺水溶液,質量分數65%～70% ,天津光復精細化工研究所;丙烯酰胺 ,分析純,上海中秦化學試劑有限公司。

Mastersizer 2000型激光粒度儀,分散劑為水,折射率1.330。美國Varian 公司Varian5000 型純度分析儀,帶有陣列檢測器,色譜柱C18柱,流動相為:V流速1.7 mL/min,壓力30 mPa,柱長200 mm,柱徑4.5 mm,紫外檢測器檢測波長為240nm,進樣量5 uL 。

按照浮懸法,通過配制不同密度的ZnBr2溶液,量取所配溶液10 mL ,加入20 mg 所測HMX,放置4h 以上,通過觀察HMX 在整個溶液中的分布狀態,舍棄上浮和下沉的分布狀況,選擇HMX 在溶液中呈均勻分布狀態的溶液密度為所測試樣的表觀密度。

按照GJB772A-97 方法進行撞擊感度測定,感度測試結果以特性落高H50表示。

按照GJB772A-97 方法進行真空安定性測定。

2.2 試驗步驟

將50 g 的HM X 在室溫下溶解在定量的DMSO 溶劑中,待HM X 完全溶解后加入1.5 g 添加劑,10 min 后開始滴加非溶劑;待添加劑加完30 min 后出料,抽濾,水洗,干燥;進行晶體形貌表征及性能測試。

2.3 結果與討論

2.3.1 乙酰胺對HM X 重結晶晶體性能的影響

以乙酰胺為添加劑得到HM X 重結晶晶體的照片如圖4 所示,對加入乙酰胺重結晶到的HM X 晶體、未加添加劑重結晶得到的HM X 晶體和普通HM X 晶體進行性能測試,結果如表5 所示。

圖4 乙酰胺為添加劑重結晶H MX 的晶體照片Fig.4 The picture of HMX crystal modified by acetamide

表5 以乙酰胺為添加劑所得H MX 重結晶晶體的性能Table 5 The parameters of HMX crystal modified by acetamide

在顯微鏡下對晶體觀察發現,乙酰胺使晶體向著偏離球形化的方向發展。從表5可見,加入添加劑后樣品的放氣量略有增加;加入乙酰胺后樣品的特性落高性能優于原料,低于原料直接重結晶樣品,其原因是乙酰胺使HM X 重結晶晶體偏離球形化,進而使感度和安定性能變差。

2.3.2 丙烯酰胺對HM X 重結晶晶體性能的影響

丙烯酰胺為添加劑得到的HM X 重結晶晶體照片如圖5 所示,性能測試結果如表6 所示。

由圖5可見,HMX 重結晶晶體外形規則,有向球形化發展的趨勢。從表6可見,加入丙烯酰胺后,樣品的特性落高性能優于原料和原料直接重結晶產品,有變好的趨勢;加入添加劑丙烯酰胺后,產品的安定性介于原料和重結晶樣品之間,可能因為加入添加劑后重結晶樣品的顆粒稍大有關。

2.3.3 乙胺水溶液對HMX 重結晶晶體性能的影響

以乙胺水溶液為添加劑得到的HMX 重結晶晶體照片如圖6 所示,性能測試結果如表7 所示。

圖5 丙烯酰胺為添加劑重結晶H MX 的晶體照片Fig.5 The picture of HMX crystal modified by acrylamide

圖6 乙胺為添加劑重結晶HMX 的晶體照片Fig.6 The picture of HMX crystal modified by ethylamine

表6 以丙烯酰胺為添加劑所得HMX 重結晶晶體的性能Table 6 The performance of H MX crystal modified by acrylamide

從顯微鏡下觀察晶體外形規則,改變不大。從表7可見,加入添加劑所得產品的H50和原料直接重結晶產品的H50數據相同;加入添加劑所得產品的放氣量相對于原料直接重結晶產品略有增加,可能是由于加入添加劑所得產品的粒徑稍大有關。

表7 以乙胺為添加劑所得HMX 重結晶晶體的性能Table 7 The performance of HM X crystal modified by ethylamine

3 結 論

(1)模擬計算結果表明,添加劑和HMX 晶體各晶面附著能的大小順序為:丙烯酰胺＞乙酰胺＞乙胺,添加劑對HMX 晶體形貌影響的大小順序為:乙酰胺＞丙烯酰胺＞乙胺。

(2)試驗結果表明,加入添加劑丙烯酰胺重結晶得到的HM X 外形規則,有向球形化發展的趨勢,其安定性介于原料和原料直接重結晶產品之間,與模擬結果具有一致性。丙烯酰胺對晶體純度影響不大;用丙烯酰胺后,重結晶HM X 的特性落高性能優于原料和原料直接重結晶產品,有變好的趨勢。

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