论文部分内容阅读
多环氮杂环含能材料是一种典型的高能量密度材料,与传统高能量密度材料相比,其能量主要源自于环结构中高能N-N键、C-N键和更大的环张力。环结构中多个氮原子上连接的硝基不仅增加了含能材料的能量和密度,还改善了其氧平衡。因其能量高、密度高、安全性能优良的特点,引起国内外各研究机构的广泛关注。本论文设计合成了一种新型的多环氮杂环含能材料3-硝亚氨基-2,6,8-三硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(TNINA)。以1,4-二甲酰基-2,3,5,6-四羟基哌嗪和盐酸胍为原料,合成了五元环4,5-二氨基-2-亚氨基-1,3-二氮杂戊烷,在弱酸性条件下与甲醛缩合成环,合成了 3-亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷,再经过三个阶段硝化反应合成了 TNINA。采用红外(IR)、核磁(NMR)、质谱(MS)等方法,对目标产物及其中间体的结构进行了表征,确定了目标产物TNINA的结构。通过单因素实验研究了反应温度、反应时间、发烟硝酸投料量等影响因素对硝化产率的影响,得出最佳工艺条件。第一阶段硝化:反应时间为60 min,反应温度为0℃，3-亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷加料量为4.33 g,发烟硝酸量为35 mL时,收率高达90%。第二阶段硝化:反应时间为30 min,反应温度为38 ℃,氯化铵投料量为1.376 g,3-亚氨基-6,8-二硝基-2,4,6,8-四氮杂双[3.3.0]辛烷的投料量为3.2 g,醋酸酐硝酸摩尔比为102:84,产率高达85%。第三阶段硝化反应:酰化反应时间为2 h,酰化反应温度为100 ℃,硝化反应时间为3 h,硝化反应温度为50 ℃;醋酐与硝酸体积比为3:1,产率高达72%。通过TG和DSC研究了 TNINA的热性能,TNINA的起始分解温度为209.1 ℃，分解峰温为214.4 ℃，且只有一个很窄的放热尖峰,说明TNINA的放热过程瞬间完成。在B3LYP/6-31++G(d,p)基组水平下优化TNINA的结构,用Monte-Carlo方法预估TNINA的理论密度为1.91 g·cm-3;用Kamlet-Jacobs公式计算TNINA的爆热为1317.07 cal·g-1,爆速为8.836 km·s-1,爆压为35.8 Gpa,h50计算值为41 cm。TNINA的综合爆轰性能与感度均优于RDX。