FOX-7球形化结晶技术研究

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1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)是一种晶体密度大、能量高、感度低、综合性能优异的单质炸药。现有技术制备的FOX-7晶体存在形貌多样且有不规则的缺陷等问题,限制了其进一步应用。因此,研究FOX-7的球形化结晶技术,对于改良其晶体形貌,提高其综合性能具有重要的意义。通过附着能模型计算了FOX-7的真空晶习及形态学重要晶面;根据溶剂与各晶面的相互作用,预测了FOX-7在5种纯溶剂以及它们分别与二甲基亚砜(DMSO)组成的混合溶剂中的晶习;从界面吸附与扩散的角度研究了溶剂分子与FOX-7晶面的作用力,剖析了溶剂分子对溶质分子构象及生长规律的影响。结果表明,FOX-7主要有(0 1 1)、(1 0-1)等6个重要生长晶面,其真空晶习为梭形;甲基乙基酮(MEK)、DMSO/甲基异丁基酮(MIBK)和DMSO/丙酮(ACE)溶剂更有利于FOX-7的球形化,FOX-7的(0 1 1)晶面与这三种溶剂分子间存在氢键、范德华力和静电力,其中范德华力占据主导,抑制了该晶面生长;相对于其它两种溶剂体系的分子,DMSO/ACE溶剂分子更容易扩散到FOX-7晶面,与晶面产生的相互作用更强。采用激光动态法测定了FOX-7在DMSO等6种纯溶剂以及DMSO与其它5种溶剂组成的混合溶剂中的溶解度;通过van’t Hoff方程、Modified Apelblat方程、Yaws方程和Jouyban-Acree方程关联了溶解度数据;计算了FOX-7在各溶剂体系中的溶解过程热力学参数、固液表面张力和晶体表面熵因子。结果表明,FOX-7在溶剂中的溶解度均随温度和DMSO含量的升高而增大;FOX-7在所述溶剂中的溶解是“吸热和非自发”的过程,且焓对吉布斯自由能的贡献大于熵。从DMSO等6种纯溶剂,以及DMSO与其它5种溶剂组成的混合溶剂中筛选出FOX-7结晶较优体系;在优选的体系中,采用冷却结晶法和溶析结晶法,研究确定了制备不同粒度的球形FOX-7晶体的最优操作工艺;用XRD和FT-IR对最优工艺条件下结晶所得产品进行了晶型和结构表征。结果表明,FOX-7结晶的最优溶剂体系为VDMSO/VACE=2/1;在VDMSO/VACE=2/1体系中冷却结晶,最佳的冷却结晶工艺为添加剂(PEG600)加量0.05%,起始温度60℃,搅拌速率400r/min,降温速率0.3℃/min,得到了粒度为300~350μm的球形晶体;在VDMSO/VACE=2/1(0.05%PEG600)体系中超声辅助下溶析结晶,最好的溶析剂是乙酸乙酯,最佳工艺参数为起始温度25℃,搅拌速率500r/min,溶析剂滴加速率0.6m L/min,超声频率50KHz,超声时间2h,得到了粒度为100~150μm的球形晶体;无论是冷却结晶还是溶析结晶,所得球形FOX-7晶体的晶型和结构均未发生变化。采用间歇动态法研究了FOX-7在VDMSO/VACE=2/1中的冷却结晶动力学,获得了过程数据,建立了该体系下结晶成核和生长速率模型;分析了结晶工艺参数对晶体成核与生长速率的影响。结果表明,FOX-7在VDMSO/VACE=2/1中的生长速率为粒度无关模式,该体系下过饱和度对生长速率的影响大于成核速率。对原料FOX-7和最优冷却结晶工艺下获得的球形FOX-7,采用TG-DSC、DSC及ARC技术研究了其热分解行为,获得了相应的数据;按照GJB 772A-97规定的试验方法测定了撞击感度和摩擦感度。结果表明,原料FOX-7有两个放热峰(231.27℃和297.95℃),球形FOX-7只有一个放热峰(238.53℃),球形FOX-7的热分解活化能提高了64.14 k J·mol-1,热爆炸临界温度提高了32.19 K,表明球形FOX-7比原料FOX-7具有更好的热稳定性和更快的能量释放效率;球形FOX-7的撞击感度降低了4%,摩擦感度降低了8%,说明球形FOX-7的机械感度较低。本论文的研究成果可为工业生产提供基础数据和理论指导。
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