CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS
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含能材料通道式连续合成与安全评价 特邀专题

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    • 微反应器在含能材料合成中的应用及展望

      2024, 32(3):325-344. DOI: 10.11943/CJEM2023267

      摘要 (184) HTML (122) PDF 4.16 M (1006) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前传统的间歇制备过程由于受制于宏观尺度难以对工艺参数、产物结构及性能实现精准调控,导致产物的均一性差,制备过程存在显著的安全隐患。因此,如何实现含能材料的安全、可控和高效的制备已成为目前研究的热点。微反应器以其微型化、集成化、高度安全性和出色的传质传热效率等诸多优势,高度契合含能材料制备过程的需求。因此,微反应器技术逐渐引起了研究者的广泛关注,在含能材料制备中崭露头角。本文介绍了微反应器在危险化工合成过程及含能材料制备中应用的国内外研究进展,特别关注了其在单质含能材料和复合含能材料制备中的潜在应用,对未来的研究方向进行了展望,强调了未来微反应器技术领域的发展需求包括规模化生产、三废处理及智能化平台建设等。

    • 微反应技术在含能材料连续安全合成中的应用与发展

      2024, 32(3):312-324. DOI: 10.11943/CJEM2024017

      摘要 (222) HTML (85) PDF 2.42 M (1018) 评论 (0) 收藏

      摘要:含能材料广泛应用于兵器工业、航空航天及民用建设等领域。其合成过程复杂、危险性高,传统釜式反应工艺难以满足产品质量和过程安全控制的要求。微反应技术具有热质传递速率高和安全性好等优点,在含能材料领域具有广阔的发展前景。为此,本文从微反应技术基本原理、含能化合物合成、含能颗粒材料制备和超声微反应器四方面展开综述,基于化学工程视角,阐释微化工技术在含能材料领域的应用特点。同时,总结并展望了技术领域的研究难点与未来发展方向,包括反应动力学/热力学、高黏/含固流体混合强化、反应放大与智能系统、三废处理及如何与人工智能等新兴学科结合等问题。

    • 基于临界半衰期的连续流反应热安全风险评估方法

      2024, 32(3):298-311. DOI: 10.11943/CJEM2024018

      摘要 (294) HTML (55) PDF 1.84 M (958) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了更好地评估连续流反应热安全风险,研究以通道式反应器为例,通过构建基于热量衡算和物料衡算的反应体系模型,对连续流反应体系的实际传热量和热安全风险进行了研究。针对通道式反应器进口端的绝热温升反应现象,提出了临界半衰期作为热安全判据的方法,获得了具有热安全高风险的两大反应条件,分别为:当目标反应产热总量大于800 J·g-1,且该反应在反应温度下半衰期小于临界半衰期;当分解反应产热总量大于800 J·g-1,且目标反应在反应温度下半衰期小于临界半衰期,同时分解反应在100%MTSR(工艺反应能够达到的最高温度)下半衰期也小于临界半衰期。并且通过氯苯硝化反应验证其准确性和实用性,结果显示,通道式反应器在该条件下可发生分解爆炸反应,证实了该评估方法可用于确定连续流反应热安全的高风险条件。

    • 螺旋微反应器内传热过程模拟仿真与尺度放大

      2024, 32(3):289-297. DOI: 10.11943/CJEM2024004

      摘要 (140) HTML (67) PDF 2.23 M (843) 评论 (0) 收藏

      摘要:为提升微反应器制备含能材料的热安全性,采用基于有限体积法的计算流体力学模拟仿真方法,对螺旋微反应器内结构参数对流动与传热的影响规律进行了研究。结果表明,在螺旋微通道中,连续流动的流体在离心力的影响下会产生连续的二次流扰动方向变化,有助于增强流体的传热性能。增大螺旋微反应器的曲率、减小无量纲螺距值和增大流体流速,能够有效提升努塞尔数和控制沿程阻力系数。螺旋微反应器的传热性能存在“放大效应”,当螺旋管管道半径放大到2.5 mm以上时,热阻系数增大,传热性能降低。将螺旋管的管道半径控制在2.5 mm,能够在维持较高传热性能的同时,使换热流体通量增大了25倍,且压降降低了98.9%。

    • 基于头峰的多步分解反应过程热失控特征参数计算方法研究

      2024, 32(3):280-288. DOI: 10.11943/CJEM2023247

      摘要 (153) HTML (55) PDF 1.40 M (808) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前微通道反应器在含能材料合成领域广泛应用,极大提高了合成过程的安全性,但是仍然需要关注物料的热稳定性。绝热条件下最大反应速率到达时间(TMRad)与TMRad为24 h所对应的引发温度(TD24)是两个表征危险化学品及含能材料热分解危险性的重要特征参数,这两个参数的传统计算方法为单步N级法和数值计算法,存在分析过程费时费力的缺点。为此,根据差示扫描量热仪动态升温测试曲线,提出了基于头峰(即多峰曲线分峰后的第一个峰)的热分解失控特征参数计算方法,采用穷举法比较了该方法与模型计算法的TD24偏差,进行了数值模拟验证,并基于文献实验计算了1,8-二硝基蒽醌、改性硝基胍(M-NQ)、1,5-二硝基蒽醌和3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)4种物质的热失控特征参数。数值模拟结果表明,对于两步和三步连续反应,TD24的最大偏差百分比分别为2.88%和6.9%,最大偏差为6.41 ℃;对于三步连续反应,TD24最大偏差为5.39 ℃。结果表明,4种含能材料的TD24计算偏差分别为-4.55,0.71,3.16 ℃和-0.84 ℃,与模型计算法得到的TD24相比,偏差百分比的绝对值均小于2%。并且证实了TD24计算方法的有效性,计算TD24时偏差较小,计算简便,能够较为准确地获得其热分解失控特征参数。

    • 叠氮化银起爆药连续化合成芯片的设计与应用研究

      2024, 32(3):270-279. DOI: 10.11943/CJEM2024012

      摘要 (147) HTML (52) PDF 2.27 M (802) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对叠氮化银(AgN3,简写为SA)起爆药合成过程对于反应溶液快速混合的要求,设计制作了连续反向旋T形微混合芯片,并采用Ansys Fluent仿真模拟软件对芯片结构及反应物流速等因素对混合效率的影响规律进行了研究,优化获得了高效微混合芯片结构。使用该芯片进行了纳米SA起爆药的连续化合成,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)研究了SA起爆药的形貌、成分结构与热性能。结果表明:当微混合芯片的通道尺寸为1 mm,对撞角度180°,反应物流速4 mL·min-1以上时,可获得接近100%的混合效率。通过调节反应物流速、浓度和添加表面活性剂,可有效调控产物粒径及其分布,且反应产物主要成分为正交晶系的AgN3晶体。相较常规方法,使用微流控方法制备的SA起爆药放热峰温度由365.2 ℃提前到358.2 ℃(降低7 ℃),且放热量由851.6 kJ·kg-1升高到976.7 kJ·kg-1(升高14.7%),表明微流控方法制备的SA起爆药具有更高的反应活性和能量。

    • 微流控结晶系统制备窄分布微米级硝胺炸药

      2024, 32(3):256-269. DOI: 10.11943/CJEM2023276

      摘要 (157) HTML (59) PDF 4.22 M (842) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了在安全临界尺度下实现炸药结晶的调控与批量生产,基于微流控技术组建了ZS-1型微流控结晶系统,并选用二甲亚砜(DMSO)和去离子水分别作为溶剂与反溶剂,通过改变两相流量比、炸药相浓度与总流量等结晶过程参数,在微尺度下进行了环三亚甲基三硝胺(RDX)的粒度控制研究和环四亚甲基四硝胺(HMX)的粒度与晶型控制研究,探索了结晶参数的高通量筛选。在ZS-1型微流控结晶系统上进行了微米级RDX的批量制备实验。结果表明,经系统重结晶细化的RDX样品的D50为3.35 μm,跨度(粒径分布)为0.956,纯度为99.80%,平均粒径较原料RDX缩小了22.2倍,且产量可达每小时百克量级,验证了微尺度下窄分布微米级炸药批量制备的可行性。

    • 微流控技术制备微米级DAP-4基含能复合微球及性能研究

      2024, 32(3):249-255. DOI: 10.11943/CJEM2023264

      摘要 (150) HTML (49) PDF 2.73 M (841) 评论 (0) 收藏

      摘要:为提高分子钙钛矿含能材料(DAP-4)的装药工艺安全性,采用同轴型液滴微流控技术,改变黏结剂聚叠氮缩水甘油醚(GAP)和硝化纤维素(NC)的复合比例(占DAP-4质量的2%)实现了DAP-4基含能复合微球的球形化造粒。通过扫描电镜、X射线衍射仪、差热扫描量热仪、热失重分析仪、高速摄影、撞击感度测试仪和摩擦感度测试仪等系统测试和分析了样品的宏微观形貌、晶体结构、热性能、燃烧性能、机械感度等。结果表明:黏结剂GAP与NC的比例为4∶1时,DAP-4基复合微球(GN41)的球形化效果最好;对DAP-4进行球形化造粒后不会改变其晶体结构,热分解峰温略有提前;DAP-4基复合微球的燃烧时间比原料有轻微延长,总体依然表现出非常平稳的持续燃烧,保留了其优异的燃烧性能;GN41微球在降低机械感度的同时显著改善了流动性,提高了装药工艺安全性。

    • 高固含量NTO的连续流合成及性能表征

      2024, 32(3):242-248. DOI: 10.11943/CJEM2024035

      摘要 (260) HTML (51) PDF 1.16 M (902) 评论 (0) 收藏

      摘要:为改善3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)釜式硝化工艺的高放热安全风险、间歇合成效率低的问题,依据NTO硝化合成不同阶段的反应体系特点与动力学特征,设计了针对高固含量体系的连续流反应装置系统。以2,4-二氢-1,2,4-三唑-5-酮(TO)为原料,结合微通道反应技术与管式反应技术实现了NTO连续流合成,并优化了连续流合成工艺条件及装置。在硝化反应温度为45 ℃、反应停留时间为9分钟,物料摩尔比n(TO)∶n(HNO3)=1∶6的条件下,以81.4%的收率合成了NTO,纯度99.53%。利用核磁(NMR)、元素分析(EA)、红外(FTIR)等结构分析方法确认了合成产物结构,采用粉末X射线衍射(XRD)、热质联用(TG-DSC)、BAM感度仪、偏光显微镜对连续流合成产物和釜式合成产物进行了性能表征与对比。结果表明,在10 ℃·min-1的升温速率下,其热分解峰温为276.23 ℃,热分解过程质量损失为85.12%,撞击感度大于40 J,摩擦感度大于360 N。与釜式合成NTO相比,连续流合成NTO的热分解峰温提高2.95 ℃,热分解过程质量损失增加4.44%,撞击与摩擦感度相当,晶体形貌规整、粒度分布更均一。连续流合成时间较釜式工艺缩短90%,收率较釜式工艺提高3.4%,制备效率与安全性有所提高。

    • 微反应器内FOX-7的连续合成工艺

      2024, 32(3):235-241. DOI: 10.11943/CJEM2023256

      摘要 (163) HTML (59) PDF 1.21 M (842) 评论 (0) 收藏

      摘要:研究以2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)为原料,在微通道反应器中探索了与硝硫混酸的硝化反应规律,并进一步通过水解反应来制备1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)。研究通过引入惰性溶剂正辛烷,使反应体系呈弹状流,反应发生于分散液滴内部,解决了硝化中间体2-(二硝基亚甲基)-5,5-二硝基嘧啶-4,6-二酮(TNMPO)在微通道反应器中的堵塞难题,实现了过程强化和连续化;并研究了反应温度、停留时间、物料配比、水解条件等因素对产品收率的影响,提出了微反应器与搅拌釜串联的反应工艺。结果表明,在硝酸与MPO摩尔比为4.4,微反应器中停留时间3 min,反应温度30 oC时,串联搅拌釜保温反应30 min后,用冰水水解开环2 h,FOX-7收率可达90.1%,纯度高于99%。

    • 含能材料通道式制备技术的发展思考

      2024, 32(3):232-234. DOI: 10.11943/CJEM2024068

      摘要 (179) HTML (72) PDF 569.39 K (962) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 含能快递--2024年第3期

      2024, 32(3):231-231. DOI: 10.11943/CJEM2024041

      摘要 (211) HTML (50) PDF 588.39 K (888) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 专题导言:含能材料通道式连续合成与安全评价

      2024, 32(3):230-230.

      摘要 (171) HTML (44) PDF 1.07 M (898) 评论 (0) 收藏

      摘要:

富氮杂环含能化合物的创制

年第卷第

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