丙酮溶劑對HNS熱分解的影響*

孟瑞鴻，胡雙啟，曹　雄，劉峰峰，荊　富，屈　鵬

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

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丙酮溶劑對HNS熱分解的影響*

孟瑞鴻，胡雙啟，曹雄，劉峰峰，荊富，屈鵬

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要:為了研究丙酮對HNS熱分解的影響，用臨界爆溫測試系統(tǒng)及壓力采集系統(tǒng)對HNS溶液的熱分解情況進行了研究. 結(jié)果表明，在密閉條件下，0.5 g HNS的臨界爆炸溫度為302.1 ℃； 5%～8% HNS/丙酮溶液的臨界爆炸溫度在279.2 ℃～299.7 ℃之間； 隨著HNS/丙酮溶液濃度增大，溶液的臨界爆溫會降低； 通過與固體HNS爆溫比較，丙酮對HNS熱分解有促進作用. 研究結(jié)果對HNS的研制、 生產(chǎn)過程安全性以及了解其在溶劑中的熱分解情況有重要參考價值.

關(guān)鍵詞:HNS溶液； 丙酮； 熱分解； 臨界爆溫

0引言

高能炸藥在火炸藥領(lǐng)域占據(jù)重要地位，而熱分解研究對高能炸藥的配方設(shè)計、 性能評估等具有重要意義. 由于炸藥在氣相、 熔融態(tài)、 溶液及固相中的熱分解途徑有所不同，因此研究炸藥在各形態(tài)下的熱分解行為對于安全生產(chǎn)、 存儲、 使用都有重要意義. 相對而言，關(guān)于炸藥在氣相和熔融態(tài)的研究較多，而在溶液中熱分解的研究很少. 炸藥在溶液中熱分解的難度在于炸藥與溶劑的作用，反應(yīng)途徑很多. 溶劑可能對炸藥的熱分解產(chǎn)生促進作用，也可能產(chǎn)生抑制作用，因此研究炸藥在溶液中的熱分解對了解不同形態(tài)下的熱分解過程有重要意義[1-5].

六硝基茋(HNS)作為一種耐熱性能良好的含能材料被廣泛使用在航天器、 軍事和工業(yè)系統(tǒng). 當前對HNS的研究大部分集中在其合成、 細化、 生產(chǎn)工藝上，對其在溶液中的熱穩(wěn)定性研究很少，而且HNS的制備工藝及其提純等過程均在溶液中進行，高溫情況下可能和溶劑發(fā)生反應(yīng)，甚至有發(fā)生爆炸的危險[6-10]. 利用改進的溶液臨界爆溫測試裝置對HNS溶液的熱安全性進行了測試，研究結(jié)果可為HNS在合成、 細化、 生產(chǎn)及應(yīng)用等過程中的安全保障提供安全參考，對爆炸性溶液的熱安全性研究具有重要的指導(dǎo)價值.

1測試實驗

1.1實驗藥品

丙酮，分析純，沸點為56.5 ℃； HNS(自制)，淺黃色針狀結(jié)晶，純度在99%以上，熔點為312 ℃.

1.2實驗原理及裝置

實驗原理示意圖如圖 1 所示，實驗裝置主要由加熱爐、 防爆箱、 爆炸罐、 熱電偶、 溫控調(diào)節(jié)系統(tǒng)、 壓力采集系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集軟件組成. 實驗過程中稱取HNS和丙酮裝入爆炸罐，將爆炸罐密封好放入加熱爐，連接熱電偶和壓力裝置，以 3 ℃/min 的速率加熱裝置，直至樣品發(fā)生爆炸，獲得樣品的臨界爆溫.

圖 1　實驗裝置Fig.1　Experiment device

2實驗結(jié)果與分析

2.1溫度-時間曲線及壓力-時間曲線

2.1.1丙酮溶劑的溫度-時間測試曲線分析

研究先測試了10 g丙酮溶液在加熱情況下的溫度-時間曲線，如圖 2 所示.

圖 2　丙酮溶劑的溫度-時間曲線Fig.2　Temperature-time curves of acetone

從圖 2 的測試曲線看，隨著加熱溫度升高，丙酮溶劑的升溫曲線變化不明顯，在加熱溫度為60 ℃時，曲線出現(xiàn)明顯上升，這是由于丙酮的沸點很低且極易揮發(fā)，在加熱過程中，隨著溫度的升高，揮發(fā)性越來越強. 丙酮溫度達到170 ℃左右時，升溫速率加快，這是由于在170～260 ℃條件下，丙酮發(fā)生緩慢的分解放熱反應(yīng)，生成異丁烯和乙醛. 整個加熱過程中，在泄壓孔處沒有觀察到爆炸現(xiàn)象.

2.1.2HNS的溫度-時間及壓力-時間曲線分析

純HNS固體的溫度-時間曲線和壓力-時間曲線如圖 3(a) 和圖 3(b).

圖 3　純HNS熱分解溫度-時間及壓力-時間曲線Fig.3　Temperature-time and pressure-time curves of pure HNS

從圖3(a)可以看到，在302.1℃前，固體在加熱溫度升高的過程中，測試曲線波動較小，當加熱溫度達到302.1 ℃時，純HNS分解溫度急劇升高，HNS發(fā)生劇烈分解反應(yīng)，直至發(fā)生爆炸. 由圖3(b)看出，爆炸前罐內(nèi)壓力無明顯變化，這是由于HNS分解緩慢，產(chǎn)氣量小，爆炸一瞬間產(chǎn)生大量氣體，使壓力達到10.74 MPa. 爆炸過程產(chǎn)生的沖擊波和氣體壓力的共同作用，將罐頂泄壓孔鋁片沖破. 試驗后觀察到實驗裝置內(nèi)有少量殘渣.

2.1.3HNS/丙酮溶液的溫度-時間及壓力-時間曲線分析

由圖4(a)和圖4(b)可知，5% HNS/丙酮溶液在加熱過程中同樣發(fā)生爆炸反應(yīng)，實驗過程中泄壓孔處有氣體放出，并伴有明顯的爆炸聲. 臨界爆炸溫度為299.7 ℃，臨界爆炸壓力為 8 MPa.

圖 4　5% HNS溶液溫度-時間和壓力-時間測試曲線Fig.4　Temperature-time and pressure-time curves of 5% HNS solution

2.2HNS/丙酮溶液的臨界爆炸溫度分析

通過對丙酮、 HNS以及HNS/丙酮溶液的溫度-時間曲線以及壓力-時間曲線分析可知，HNS在丙酮溶液中爆炸溫度變低，說明丙酮促進了HNS的熱分解. 不同濃度HNS溶液的臨界爆溫見表 1. 其中，C為HNS在溶劑丙酮中的質(zhì)量百分比，%；Tr為臨界爆溫，℃；pr為臨界爆壓，MPa. 實驗樣品總量為10 g.

表 1　不同濃度HNS/丙酮溶液臨界爆溫測試結(jié)果

根據(jù)表 1 測試結(jié)果，對HNS/丙酮溶液的臨界爆溫隨濃度變化的曲線，如圖 5 所示.

圖 5　不同濃度下HNS溶液臨界爆溫變化規(guī)律Fig.5　Variation law of critical explosion temperature with concentration HNS solution

對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到式(1)

(1)

式中：x為HNS濃度；y為臨界爆炸溫度.

通過表 1 和圖 5 可知，丙酮對HNS的熱分解影響顯著. 隨著HNS濃度的增大，HNS/丙酮溶液的臨界爆炸溫度降低，臨界爆壓增大，溶液體系熱穩(wěn)定性變差.

3結(jié)論

1) 絕熱密閉加熱條件下，一定質(zhì)量的HNS發(fā)生爆炸，臨界爆炸溫度為302.1 ℃，5% HNS/丙酮溶液臨界爆炸溫度為299.7 ℃；

2) 丙酮促進了HNS的熱分解反應(yīng)，HNS/丙酮溶液的臨界爆炸溫度低于純HNS的臨界爆炸溫度；

3) 隨著溶液中HNS濃度增大，HNS/丙酮溶液的臨界爆溫降低.

炸藥溶液在局部快速升溫或密閉條件下加熱，在一定溫度下會發(fā)生強烈熱分解而爆炸. 因此，本文研究結(jié)果可以為炸藥地研制、 細化、 生產(chǎn)及安全使用提供重要參考，同時對?；返臒岱纸庋芯恳簿哂兄笇?dǎo)意義.

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Effect of Acetone on Thermal Decomposition of HNS

MENG Rui-hong, HU Shuang-qi, CAO Xiong, LIU Feng-feng, JIN Fu, QU Peng

(College of Chemical and Environmental Engineering，North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:The thermal decomposition of HNS solution was tested by the critical explosion temperature measurement system and pressure acquisition system to study the effect of acetone on the thermal decomposition of HNS. The experiment results show that the critical explosion temperature of 0.5 g HNS is 302.1 ℃ in the closed condition. In a given mass concentration range of HNS from 5% to 8%, the critical detonation temperature of HNS/acetone solution is ranged from 279.2 ℃ to 299.7 ℃. The critical explosion temperature of HNS/acetone solution will decrease by increasing concentration of HNS. By comparing with the critical detonation temperature of HNS, it can conclude that acetone has a promoting impact on the thermal decomposition of HNS. The research results have important reference value for the development of HNS, the safety of the production process and the understanding of the thermal decomposition of the explosive solution.

Key words:solution of HNS; acetone; thermal decomposition; critical explosion temperature

文章編號:1673-3193(2016)02-0162-04

*收稿日期:2015-07-31

基金項目：山西省自然科學(xué)基金資助項目(2010011016)

作者簡介：孟瑞鴻(1970-)，男，博士生，主要從事兵器安全技術(shù)的研究.

中圖分類號:TQ56； X932

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.012