TNAZ-TNT低共熔物的微結構

陳伶媛,游 婷,廖奕玫,田 強,段曉惠

(西南科技大學 環境友好能源材料國家重點實驗室,四川 綿陽 621010)

引 言

2, 4, 6-三硝基甲苯(TNT)作為熔鑄炸藥液相載體,具有熔點和撞擊感度低、成本低廉、爆炸性能好等優點,但其熱感度高、力學性能差和毒性較大,導致其在應用過程中存在滲油、發脆、空洞和環境適應性差等問題。1, 3, 3-三硝基氮雜環丁烷(TNAZ)是四元氮雜環結構的多硝基化合物[1],具有能量高[2]、熱安定性好、增塑性好、基本無毒等優點,但也存在熔點略高、揮發性大、蒸汽壓高、在鑄裝冷凝時易發生晶型轉變[3],形成孔隙,從而降低裝藥密度等問題。因此,研究者通過制備TNAZ基低共熔物來獲得綜合性能優異的載體炸藥[4-10]。如TNAZ與太安(PETN)、TNT和1, 3, 5-三硝基苯(TNB)形成的低共熔物[6-8],可同時降低熱感度和撞擊感度;TNAZ-ANTA(3-氨基-2, 4, 6-三硝基苯甲醚)低共熔物(質量比60∶40)熔點適中(84℃),熱安定性好,撞擊感度、摩擦感度和靜電火花感度與TNT相當,作功能力相當于148% TNT和114% B炸藥,70℃恒溫放置6 h不滲油,滿足熔鑄炸藥液相載體要求,可用于高能量熔鑄炸藥裝藥,在高效毀傷鈍感彈藥中具有良好的應用前景[9];TNAZ-DNTF(3, 4-二硝基呋咱基氧化呋咱)低共熔物(質量比60∶40,熔點79℃)的熱穩定性和能量水平與TNAZ-ANTA相似,但由于DNTF的高感特性,導致其摩擦感度和撞擊感度稍高于TNT和B炸藥,但靜電火花感度小于B炸藥[10]。

目前對含能低共熔物的研究主要集中在相圖繪制、樣品制備及性能測試等方面,對其微結構缺乏研究。對藥物低共熔物的研究表明[11-13],低共熔物發生于非同晶材料之間,是體系中不同固溶體的組裝體,不同固溶體之間存在納米尺度的相界面。由于內在的多相性,致使對低共熔物特別是相界面的表征十分困難,至今尚未見這方面的詳細報道。這不僅影響了對性能的深入理解,也無法對含能低共熔物的形成進行快速準確的判斷。目前通過熱分析確定的熔點降低,是判斷二組分體系可形成低共熔物的唯一手段。X射線衍射(XRD)和光譜技術,是表征多組分單相體系(如共晶、鹽、溶劑化物等)的常規方法,卻無法對低共熔物的形成提供直接證據。這是因為組成低共熔物的固溶體,其晶格中原子或分子的排列與主體晶格非常相似,在低共熔物的XRD和光譜圖上觀察到的信號基本為兩個純組分的疊加。

此外,對一個非均質的兩組體系,其界面結構必然顯著影響其宏觀性能。受微結構研究不足的影響,無法探究性能改變背后的結構因素,很多性能調試基本采用傳統的試錯法,缺乏理論支撐。由于對結構-性能關系的規律性認識不足,無法對其性能調控提供理論指導,極大限制了含能低共熔物的應用和發展。

基于此,本研究首先采用高溫熔融法制備得到TNAZ-TNT低共熔物,然后采用多種技術手段結合理論模擬對其微結構進行研究,特別是基于小角X射線散射(SAXS)技術結合分子動力學來獲取相界面的結構信息。

1 實 驗

1.1 TNAZ-TNT低共熔物的制備

原料TNAZ和TNT由西安近代化學研究所提供,采用高溫熔融法制備二者的低共熔物。按摩爾比36.06%∶63.94%[14]分別稱取TNAZ和TNT各0.049 7 g和0.105 3 g,加入盛有5 mL蒸餾水的10 mL試管中,在機械攪拌、溫度為100℃左右的體系下進行油浴加熱,待固體全部熔化后,停止攪拌和加熱,緩慢冷卻至50℃保溫1 h,再自然冷卻至室溫。對析出固體進行過濾、烘干處理。

1.2 表征方法

熱分析采用德國耐馳儀器制造有限公司STA449F5同步熱分析儀,樣品質量0.4～0.6 mg,升溫速率10 K/min,氬氣流量60 mL/min,測試溫度范圍25～350℃;物相分析采用荷蘭帕納科公司X Pert pro型X射線衍射儀,Cu Kα射線,電壓40 kV,電流40 mA,掃描范圍3°～80°,掃描速率0.02 °/s;微觀形貌表征采用德國CarlZeisss光學儀器有限公司Ultra 55場發射掃描電子顯微鏡,放大倍率為300 X～1 000 X;采用德國布魯克光譜儀器公司TENSOR 2傅里葉變換紅外光譜儀進行分子結構分析,掃描范圍500～4 000 cm-1;相界面結構表征采用奧地利Anton Paar公司的SAXS pace 散射儀,工作電壓40 kV,工作電流50 mA,X射線波長0.154 nm,樣品與探測器的距離為121 mm。使用分辨率為50 μm的Mythen2 R 1K探測器(瑞士,Dectri公司)記錄透過樣品的X射線散射強度(I)和散射矢量(q),q值范圍0.08～7 nm-1。

2 相界面模型構建與模擬方法

從劍橋數據庫中獲取TNAZ和TNT的晶體結構,TNAZ單晶結構(CSD:CIWMEA10)屬于Pbca群,晶胞參數a=5.733 ?、b=11.127 ?、c=21.496 ?、α=β=γ=90°[1]。TNT單晶結構(CSD:ZZZMUC08)屬于P21/a群,晶胞參數a=14.911 ?、b=6.034 ?、c=20.882 ?、α=γ=90°,β=110.365°[15]。

相界面模型的構建基于文獻[11-13]對低共熔物微結構的闡釋,即低共熔物中的相界面存在于不同固溶體之間,而固溶體的形成是客體分子以取代或間隙的方式進入主體晶格,保留了主體的晶格結構。由于TNAZ和TNT分子體積較大,在建立固溶體模型時采取取代的方式。首先對TNAZ和TNT晶胞進行分子力學優化,然后將晶胞分別擴展為3×3×3、2×5×3的超晶胞(TNAZ超晶胞共有216個分子,TNT超晶胞共有240個分子)。按照圖1所示流程構建TNAZ-TNT低共熔物的相界面模型:在超晶胞中按5%的比例進行隨機取代,分別得到富TNAZ和富TNT固溶體模型;對固溶體模型依次進行分子力學(MM)優化和分子動力學(MD)模擬,得到其平衡結構;以所得平衡結構按層層組裝的方式構建相界面模型,并對其依次進行MM優化和MD模擬。MM優化參數設置如下:算法“Smart”,為最陡下降法(steepest descent)、共軛梯度法(conjugate gradient)和準-牛頓法(quasi-Newton)的迭代;精度“Fine”,其能量、力和位移的收斂標準分別為1×10-4kcal/mol、5×10-3kcal/(mol·?)和5×10-5?;電荷計算采用電荷均衡(QEq)法;“Ewald”方法計算靜電相互作用和范德華力,“Atom based”方法計算氫鍵相互作用;力場采用“Dreiding”。選擇合適的力場對分子模擬至關重要,Dreiding力場可用于凝聚態材料模擬[16-17],已在含能材料領域得到廣泛應用[18-20]。MD模擬參數如下:NVT系綜,溫度298 K,控溫方法Andersen,積分步長1.0 fs,總模擬時間500 ps,每隔5 000步輸出一幀。前300 ps用于結構平衡,后200 ps用于濃度分析和擴散行為研究。MM優化和MD模擬中范德華和靜電相互作用采用Ewald方法計算,氫鍵作用采用Atom based方法計算。

圖1 TNAZ-TNT低共熔物雙層界面模型構建示意圖(紅色:TNAZ分子;藍色:TNT分子)

3 結果與討論

3.1 DSC分析

為了確定所制備的TNAZ-TNT低共熔物的純度,對其進行了DSC測試并計算了熔化焓ΔHfus和熔化熵ΔSfus,結果見圖2及表1。由圖2可知,TNAZ-TNT低共熔物只有一個熔融峰,其熔點為60.87℃,與文獻報道的熔點(60.3℃)非常接近[14],相比于兩種原料的熔點(TNAZ為100.62℃,TNT為81.46℃)均有大幅下降。由于TNAZ和TNT在熔融以后出現劇烈的揮發,因此在DSC曲線上未觀察到放熱分解峰,而是一個氣化吸熱峰。TNAZ-TNT低共熔物的氣化吸熱峰峰溫(232.77℃)比TNT提前17℃,但比TNAZ滯后37℃。

表1 TNAZ-TNT低共熔物的熱力學函數值

圖2 TNAZ-TNT低共熔物及其原料的DSC曲線

由式(1)和式(2)定義的參數ΔHfus(excess),可用來判斷所得樣品是低共熔物還是物理混合物。如果ΔHfus(excess)<0,則為低共熔物,反之則為物理混合物[22]。

(1)

ΔHfus(excess)=ΔHfus(eut)experimental-ΔHfus(etu)calc

(2)

根據DSC測試數據計算得到ΔHfus(excess)=-10.02 J/g,則所制備的樣品為TNAZ-TNT低共熔物。

3.2 SEM分析

圖3 原料TNAZ、原料TNT和TNAZ-TNT低共熔物的SEM圖

3.3 XRD分析

為了分析TNAZ-TNT的晶格結構,對其進行了XRD測試,結果見圖4。

從圖4可知,TNAZ-TNT低共熔物的衍射峰基本為兩種原料的疊加,無新峰產生,但峰強較原料有所減弱,峰位發生了微小位移。圖4(b～e)為局部衍射峰的放大圖,可見位移范圍在0.03°～0.14°之間,既有左移也有右移。比如原料TNT在2θ=16.29°的衍射峰右移到16.39°,而在2θ=17.69°和31.06°的衍射峰則分別左移到17.62°和30.92°,微小的位移與晶格體積的變化有關。

3.4 FT-IR分析

為了分析可能的分子間相互作用,進行了FT-IR測試,結果見圖5。與XRD圖相同,低共熔物的吸收峰基本為兩種原料的疊加,沒有新峰出現。由于TNAZ和TNT分子含有—NO2、—CH2—或—CH—基團,二者可發生弱的分子間氫鍵C—H…O作用。氫鍵的生成會引起C—H吸收峰的位移,因此重點關注了C—H吸收峰的變化。圖5(a)中原料TNAZ在2 975和2 870 cm-1處的吸收峰為C—H的伸縮振動峰,1 425 cm-1和1 216 cm-1為C—H的彎曲振動峰,與文獻報道一致[5]。原料TNT在3 096 cm-1為C—H的伸縮振動峰[23],1 206和1 085 cm-1為C—H的面內彎曲振動峰。圖5(b)、(c)為C—H鍵紅外光譜的局部放大圖。可以看出,相對于原料,TNAZ-TNT低共熔物中的C—H鍵吸收峰發生藍移。比如原料TNAZ在1 216 cm-1處的吸收峰藍移到1 219 cm-1;原料TNT在2 876 cm-1處的吸收峰藍移到2 878 cm-1,1 206 cm-1藍移到1 209 cm-1。C—H鍵吸收峰的藍移證實了TNAZ和TNT分子間發生了弱的C—H…O氫鍵相互作用。

圖5 TNAZ-TNT低共熔物及其原料的FT-IR圖(a)及其局部放大圖(b, c)

3.5 SAXS分析

SAXS是發生在入射光束附近5°～7°范圍內的相干散射現象,可獲得物質內部1 nm到幾百納米尺度范圍內電子密度的起伏。對于兩相體系,且qa?1(a表示散射粒子的平均尺寸)時,散射強度I與散射矢量q具有冪函數關系[24-26]:

I=kq-α+C

(3)

其中,

(4)

式中:λ為入射X射線波長;θ為1/2散射角度;C表示本底;α是冪指數,在對數坐標下,α表示I—q曲線的斜率。根據小角散射理論[27-28],當α=4時,散射體系存在光滑、明銳的界面(Porod定理);當3<α<4時,散射體系存在表面分形(分形維數等于6-α),即粗糙界面。TNAZ和TNT的物理混合物及低共熔物的SAXS數據如圖6所示。以對數坐標表示的I—q曲線,擬合得到TNAZ-TNT低共熔物的α值為3.84,其表面分形維數為2.16,表明TNAZ-TNT低共熔物中存在粗糙界面。基于Cherukuvada等[11-13]的研究工作,該界面產生于體系中不同固溶體之間。

圖6 TNAZ和TNT的物理混合物及低共熔物散射強度(I)與散射矢量(q)曲線圖

3.6 低共熔物相界面的分子動力學模擬

為了驗證所選擇的Dreiding力場是否適用于TNAZ和TNT體系,采用該力場對二者的晶胞進行結構優化,并與實驗值對比,結果見表2。

表2 TNAZ和TNT優化前后的晶胞參數及相對誤差

由表2可以看出,對TNAZ晶胞,Dreiding力場優化后的晶胞參數與實驗值的相對誤差最大為4.36%,對TNT晶胞,其最大誤差為1.21%,說明該力場適用于TNAZ和TNT體系的分子力學計算。

TNAZ-TNT低共熔物雙層界面模型MD模擬的最終結構見圖7,TNAZ和TNT分子在界面上的相對濃度分布見圖8。

圖7 MD模擬雙層界面模型最終結構

圖8 TNAZ和TNT分子相對濃度分布曲線

從圖7可以觀察到兩相界面的結構和分子分布。兩種分子沿界面相互擴散并在固溶體內重新分布。基于均方位移(MSD)數據和Einstein關系式,計算得到TNAZ和TNT的擴散系數分別為1.66×10-7cm/s和5.12×10-8cm/s,說明TNAZ分子的擴散速率更快。(0 0 1)晶面法向方向(Z軸)的相對濃度分布曲線定量給出了界面上TNT和TNAZ分子相對濃度的變化,并得到界面層厚度(約為5 ?)。MD模擬給出了TNAZ-TNT低共熔物界面上分子的相互擴散行為及界面層厚度,SAXS測試結果也確認了粗糙界面的存在。正是由于低共熔物這種相界面結構特征,導致其具有更高的熱力學函數,從而具有更低的熔點(見表1)。

根據MD模擬所得平衡結構,對模型中的分子間相互作用進行了分析,結果見圖9。由圖9可看出,TNAZ分子的硝基氧原子和TNT分子的甲基氫原子形成了C—H…O氫鍵,H…O鍵長在2.306～2.775 ?之間,屬于弱氫鍵(2.2～3.2 ?),與FT-IR測試結果一致。

圖9 TNAZ-TNT低共熔物中TNAZ和TNT分子間的氫鍵相互作用

4 結 論

(2)TNAZ-TNT低共熔物的XRD和FT-IR基本為兩種原料峰的疊加,沒有新峰產生。部分XRD衍射峰的微小位移說明低共熔物的形成引起了晶格體積的變化,而FT-IR譜中C—H鍵吸收峰的藍移與MD模擬證實了TNAZ和TNT分子間存在弱的C—H…O氫鍵。SAXS測試結果表明,TNAZ-TNT低共熔物中存在粗糙界面。MD模擬得到界面層厚度約5 ?,TNAZ和TNT分子在界面上相互擴散,其擴散系數分別為1.66×10-7cm/s和5.12×10-8cm/s。