高能低感炸药LLM-105反溶剂结晶成核动力学及晶体形貌研究

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2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)是近年来开发的一种新型高能低感单质炸药,由于其优异的安全性能和热稳定性能,在起爆药、推进剂及主装药中有着极大的应用前景,引起含能材料领域广泛地关注。LLM-105的晶体特性对其物化性能有着重要的影响。其中,晶体形貌是重要的晶体特性之一,因为它不仅影响LLM-105的物理化学性能,而且影响LLM-105的配方、造粒等操作过程,从而影响LLM-105炸药的应用。溶液结晶法是调控晶体形貌的有效方法之一,在溶液结晶过程中,晶体成核动力学和晶体生长动力学均影响最终的晶体形貌。本论文对高能低感炸药LLM-105反溶剂结晶进行了研究,其研究内容主要包括如下几个方面:(1)LLM-105在反溶剂结晶过程中的成核动力学研究。以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂、乙酸乙酯为反溶剂,研究了不同搅拌速率、不同过饱和度下LLM-105的成核过程,采用浊度法测定了成核诱导期。发现当LLM-105溶液的过饱和度比S>2.53时,溶液体系主要发生均相成核;当过饱和度比为S<2.53时,溶液体系主要发生异相成核。此外,根据实验数据并结合经典成核理论计算了LLM-105反溶剂结晶的成核动力学参数,计算得到表面熵因子f值小于3,表明LLM-105在乙酸乙酯反溶剂中的生长方式为连续生长机制。(2)反溶剂对LLM-105晶体形貌的影响研究。以DMSO为溶剂,研究了水、甲醇、乙酸、硝基甲烷、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷、邻二氯苯和甲苯等反溶剂对LLM-105晶体形貌的影响。在相同的实验条件下只改变反溶剂的类型对LLM-105的晶体的形貌进行调控,获得了X形、球形、棒状、针状和树枝状等不同形貌LLM-105晶体。结果表明:反溶剂分子的极性和官能团对LLM-105炸药的晶体形貌起着重要影响作用。P-XRD和FTIR结果表明:这些反溶剂只是改变了LLM-105的晶体形貌,而不会导致晶型发生变化,DSC和TG结果表明:晶体形貌显著影响LLM-105晶体的热性能。(3)球形LLM-105晶体的制备及其力学性能研究。以DMSO为溶剂并添加聚合物添加剂,乙酸乙酯为反溶剂,制备了球形LLM-105晶体颗粒并采用压缩刚度法测试了球形LLM-105晶体的力学性能,根据压缩曲线计算得到LLM-105晶体的初始割线模量(EISM),结果表明:与针状颗粒相比,球形颗粒显得“更硬”或“更刚”,球形LLM-105晶体颗粒比针状晶体具有更好的力学性能。
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