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(1 1 0)晶面与混合溶剂分子间同时存在氢键、范德华力和静电力。     

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)。     

3,3′-双(2-硝胺基-1,3,4-噁二唑-4-基)-5,5′-联-1,2,4-噁二唑及其含能离子盐的合成及性能

以乙二肟为原料,经取代、环化、硝化等五步反应合成了四联环含能化合物3,3'-双(2-硝胺基-1,3,4-噁二唑-4-基)-5,5'-联-1,2,4-噁二唑(BNOBO)。利用BNOBO的酸性,设计、合成了BNOBO的铵盐、肼盐和羟胺盐等三种含能离子盐(5-7)。并采用红外光谱、核磁等进行了结构表征。采用溶剂挥发法培养了BNOBO铵盐的晶体,该晶体属于单斜晶系,C2/c空间群,晶胞参数为a=1 2.7490(8) nm,b=9.5957(7) nm,c=18.5965(12) nm,V=2272.1 (3) nm~3,Z=4。利用差示扫描量热(DSC)和热重(TG)等热分析方法研究了BNOBO及其三种离子盐的热性能,基于密度仪获得的实测密度,运用EXPLO5 v6.02软件计算了目标化合物的爆轰性能,并利用BAM感度仪测试了撞击和摩擦感度。研究结果表明,所得化合物中BNOBO的热分解温度最高为21℃,其密度最高为1.90 g·cm~(-3)、BNOBO的计算爆速和爆压分别达到8789 m·s~(-1)和32.7 GPa,离子盐5的撞击感度大于20J,摩擦感度为220 N。     

1,1'-二羟基-3,3'-二硝基-5,5'-联-1,2,4-三唑含能离子盐合成、晶体结构及性能

以1,1'-二羟基-3,3'-二硝基-5,5'-联-1,2,4-三唑(DNOBT)为原料,分别与3-氨基-1,2,4-三唑、草酰肼、二肼基四嗪反应合成了DNOBT的3-氨基-1,2,4-三唑盐(DNOBT-3-AT)、草酰肼盐(DNOBT-ODH)、二肼基四嗪盐(DNOBT-DHT)三种含能离子盐,用红外光谱、核磁及元素分析对其结构进行了表征;培养了DNOBT-3-AT的单晶,X射线衍射分析表明其晶体为单斜晶系,空间群为P2(1)/c;利用Gaussian 09程序和Kamlet-Jacobs方程计算了DNOBT-3-AT、DNOBT-ODH、DNOBT-DHT的物化与爆轰性能,采用差示扫描量热(DSC)研究了这三种化合物的热性能,结果表明,DNOBT-3-AT、DNOBT-ODH、DNOBT-DHT爆速分别为7736.4,7729.56,7974.64 m·s~(-1),爆压分别为26.8,26.74,28.56 GPa;第一个热分解峰温度分别为276.54,257.02,154.15℃,相较于DNOBT-ODH和DNOBT-DHT,DNOBT-3-AT具有更好的热稳定性。     

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%。     

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%。     

富氮化合物5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵的合成工艺

以40％乙二醛水溶液和盐酸羟胺为原料,通过取代、氯化、叠氮化、成环、成盐反应制备了5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50).采用元素分析,核磁对其结构进行表征,并进行了撞击感度和摩擦感度测试.研究了反应温度、保温时间、保温温度对关键中间体5,5'-联四唑-1,1'-二羟基二水合物(BTO)收率影响,以及羟胺水溶液浓度对TKX-50收率影响.结果表明,TKX-50的撞击感度H50为41 cm,摩擦感度爆炸百分数为0％.羟胺水溶液较佳浓度为50％,成环的较佳反应条件为:反应温度0～5℃,保温时间12h,保温温度20～25℃.     

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。     

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(L_(50)=15.1 mm)低于HMX基混合炸药(L_(50)=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。     

TKX-50/CL-20复配在固体推进剂中应用效能的预估

为实现含能材料1,1'二羟基-5,5联四唑二羟胺盐(TKX-50,又名HATO)在固体推进剂领域的高效应用,运用最小自由能法计算了含TKX-50、CL-20、TKX-50/CL-20的聚叠氨缩水甘油醚(GAP)基固体推进剂能量性能,分析了TKX-50和CL-20复配应用的可行性,预估了TKX-50/CL-20复配推进剂应用效能.结果表明,TKX-50含量增加时,燃烧室中推进剂平均温度(Tc)和燃气平均相对分子质量(Mˉg)同时下降,理论比冲呈先升后降的变化规律;TKX-50与CL-20相容等级为B,TKX-50/CL-20复配推进剂热稳定性和安全性能良好;TKX-50/CL-20复配推进剂可大幅拓宽配方各组分含量选择范围,理论比冲大于272 s的推进剂中CL-20含量下限仅为纯CL-20推进剂的40％;相同能量水平下,TKX-50/CL-20复配推进剂表现出低成本和低特征信号的特点,具备工程推广应用的潜力.     

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。     

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),ln A=40.75,f(α)=α0.917(1-α)0.509;第二阶段:Ea=149.60 kJ·mol~(-1),ln A=31.84,f(α)=α0.357(1-α)0.117。     

4,4′-二(氯偕二硝基甲基)-3,3′-偶氮呋咱的晶体结构和热稳定性

为了获得4,4'-二(氯偕二硝基甲基)-3,3'-偶氮呋咱(BCNAF)的晶体结构,以4,4'-二氰基-3,3'-偶氮呋咱为原料,经三步合成了BCNAF。以无水甲醇为溶剂,采用溶剂挥发法获得了目标化合物的黄色块状单晶。利用X-射线单晶衍射技术对单晶结构进行了表征。结果表明,该分子在293(2)K下晶体密度为1.869 g·cm~(-3),单晶结构为单斜晶系,空间群为P2_1/n,晶胞参数为a=7.5846(14),b=8.4227(15),c=12.324(2),β=90.880(4)°,V=787.2(2)~3,Z=2,μ=0.494 mm~(-1),F(000)=440。分子结构高度对称,分子间存在的π-π堆积作用以及卤键作用,可以提高BCNAF的稳定性。用差热扫描量热对晶体进行热分析,结果表明其分解温度为142℃。基于Guassian 09和等键反应计算得到其固相生成热为816.5 k J·mol~(-1),优于RDX。采用EXPLO5预测其理论爆速为8400 m·s~(-1),爆压为30.8 GPa,与RDX相当。     

5,5′-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)及其含能离子盐的合成与表征

以二氨基马来腈为原料,经过与三氟乙酸酐缩合、环化,与叠氮化纳再次缩合,合成得到了新型含能化合物5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑),收率61.3%;基于该化合物的酸性,设计合成了2种含能离子盐5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)的羟胺盐和胍盐。利用红外光谱、核磁共振和元素分析对中间体及产物结构进行了表征。探讨了生成5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)过程中影响四唑环化反应的关键因素,确定的最佳反应条件为:反应介质为水,n(2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑)∶n(Na N3)=1∶2.4,反应温度98℃,反应时间4 h。收率最高达86.3%。通过DSC-TG研究了5,5'-(2-三氟甲基)-咪唑-4,5-二(1H-四唑)的热分解性能,热分解曲线表明化合物直到223.65℃才开始分解,整个分解过程经历了两个主要的放热分解阶段和热失重阶段,最大放热峰温度为285.78℃,说明该化合物结构比较稳定。     

1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二草酰二肼盐的晶体结构及性能研究

通过草酰二肼与1,1'-二羟基-5,5'-双四唑(BTO)溶液的质子化作用制备了1,1'-二羟基-5,5'联四唑的二草酰二肼盐(BTODOH),产率达到90%以上,并对其结构及性能进行了表征测试。用X射线单晶衍射法测定了BTODOH的单晶结构,获得晶体结构参数。BTODOH初始分解温度为257.1℃,对撞击、摩擦和静电火花不敏感,该化合物的生成热为480.3k J/mol;模拟计算表明BTODOH应用于GAP/AP固体推进剂配方体系中具有较好的消烟效果,对推进剂比冲影响较小。     

5,5′-二氨基-4,4′-二硝胺基-3,3′-联-1,2,4-三唑三氨基胍盐(TAGAT)的晶体结构及爆轰性能

以1.3-二氨基胍盐酸盐和乙二酸为原料,经关环-硝化-成盐三步反应,得到高能钝感的5,5'-二氨基-4,4'-二硝胺基-3,3'-联-1,2,4-三唑三氨基胍盐(TAGAT)。采用降温法从水中得到了TAGAT的单晶,通过X-射线单晶衍射仪对TAGAT的单晶结构进行扫描,结果表明,TAGAT分子在170 K下晶体密度为1.631 g·cm~(-3),属于单斜晶系,空间群为P2_1/c,晶胞参数为a=1 1.4979(5) A,b=6.3468(2) A,c=1 4.0945(5) A,β=1 01.7910(10)°,V=1 006.84(6) A~3,Z=2,μi=0.1 36 mm~(-1),F(000)=516.0。用热重及差示扫量热仪(TG-DSC)对TAGAT的热性能进行分析,结果表明,其起始分解温度为211℃。采用定容燃烧实验对TAGAT的燃烧性能进行评估,结果表明,TAGAT的最大放气压力为6.38 MPa,平均放气速率为0.275 GPa·ms~(-1)。基于Born-Harber能量循环机理,利用Gaussian09程序,计算TAGAT的标准生成焓为1 21 8.5 kJ·mol~(-1)。采用EXPLO5(V6.02)程序预测其爆速为8795 m·s~(-1)、爆压为28.4 GPa、放气量为924.9 L·kg~(-1)。BAM感度测试仪对TAGAT感度的测试结果表明,TAGAT的撞击感度为32 J,摩擦感度大于360 N。     

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）

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T_onset、T_p、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：E_a=174.99 kJ?mol^-1，lnA=40.75，f(α)=α^0.917(1-α)^0.509；第二阶段：E_a=149.60 kJ?mol^-1，lnA=31.84，f(α)=α^0.357(1-α)^0.117。     

3,3′-二硝胺基-4,4′-氧化偶氮呋咱基含能离子盐的合成及性能（英）

以3,3′-二胺基-4,4′-氧化偶氮呋咱(AOF)为原料,经纯硝酸硝化得到3,3′-二硝胺基-4,4′-氧化偶氮呋咱(NOF)。通过复分解反应与多氮阳离子(碳酰肼(CBH)、氨基胍(AG))结合得到了两种新的含能离子盐—3,3′-二硝胺基-4,4′-氧化偶氮呋咱碳酰肼盐(NOF-CBH)和3,3′-二硝胺基-4,4′-氧化偶氮呋咱氨基胍盐(NOF-AG)。通过¹H NMR、¹³C NMR、IR及元素分析表征了化合物的结构。用TG-DTG研究了化合物的热行为。采用量子化学方法对比研究了NOF及其阴离子NOF^2-的几何构型。预估了化合物的爆轰性能。结果表明,NOF-CBH和NOF-AG的初始分解温度分别为144.9,151.6 ℃,高于NOF的90 ℃。NOF-CBH和NOF-AG的标准摩尔生成焓分别为515.86 kJ·mol^-1和815.96 kJ·mol^-1,密度分别为1.82 g·cm^-3和1.75 g·cm^-3,理论爆速均大于8500 m·s^-1。     

1,1′-二氧化-5,5′-偶氮四唑二钾盐的合成与热性能（英）

以溴化氰、叠氮化钠和50％羟胺水溶液为原料,经叠氮化-环化和氧化偶联两步反应合成出了1,1'-二氧化-5,5'-偶氮四唑二钾盐,两步反应的收率分别为78％和82％.用红外光谱、核磁共振和元素分析表征了其结构.以差示扫描热分析(DSC)和热重分析(TG-DTG)研究了热性能.结果表明,1,1'-二氧化-5,5'-偶氮四唑二钾盐在271.0℃和328.0℃处分别有两个热分解峰,320℃时总热失重量为37.5％.