丙酮溶剂对HNS热分解的影响*

孟瑞鸿，胡双启，曹　雄，刘峰峰，荆　富，屈　鹏

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)



丙酮溶剂对HNS热分解的影响*

孟瑞鸿，胡双启，曹雄，刘峰峰，荆富，屈鹏

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)

摘要:为了研究丙酮对HNS热分解的影响，用临界爆温测试系统及压力采集系统对HNS溶液的热分解情况进行了研究. 结果表明，在密闭条件下，0.5 g HNS的临界爆炸温度为302.1 ℃； 5%～8% HNS/丙酮溶液的临界爆炸温度在279.2 ℃～299.7 ℃之间； 随着HNS/丙酮溶液浓度增大，溶液的临界爆温会降低； 通过与固体HNS爆温比较，丙酮对HNS热分解有促进作用. 研究结果对HNS的研制、 生产过程安全性以及了解其在溶剂中的热分解情况有重要参考价值.

关键词:HNS溶液； 丙酮； 热分解； 临界爆温

0引言

高能炸药在火炸药领域占据重要地位，而热分解研究对高能炸药的配方设计、 性能评估等具有重要意义. 由于炸药在气相、 熔融态、 溶液及固相中的热分解途径有所不同，因此研究炸药在各形态下的热分解行为对于安全生产、 存储、 使用都有重要意义. 相对而言，关于炸药在气相和熔融态的研究较多，而在溶液中热分解的研究很少. 炸药在溶液中热分解的难度在于炸药与溶剂的作用，反应途径很多. 溶剂可能对炸药的热分解产生促进作用，也可能产生抑制作用，因此研究炸药在溶液中的热分解对了解不同形态下的热分解过程有重要意义[1-5].

六硝基茋(HNS)作为一种耐热性能良好的含能材料被广泛使用在航天器、 军事和工业系统. 当前对HNS的研究大部分集中在其合成、 细化、 生产工艺上，对其在溶液中的热稳定性研究很少，而且HNS的制备工艺及其提纯等过程均在溶液中进行，高温情况下可能和溶剂发生反应，甚至有发生爆炸的危险[6-10]. 利用改进的溶液临界爆温测试装置对HNS溶液的热安全性进行了测试，研究结果可为HNS在合成、 细化、 生产及应用等过程中的安全保障提供安全参考，对爆炸性溶液的热安全性研究具有重要的指导价值.

1测试实验

1.1实验药品

丙酮，分析纯，沸点为56.5 ℃； HNS(自制)，浅黄色针状结晶，纯度在99%以上，熔点为312 ℃.

1.2实验原理及装置

实验原理示意图如图 1 所示，实验装置主要由加热炉、 防爆箱、 爆炸罐、 热电偶、 温控调节系统、 压力采集系统、 数据采集软件组成. 实验过程中称取HNS和丙酮装入爆炸罐，将爆炸罐密封好放入加热炉，连接热电偶和压力装置，以 3 ℃/min 的速率加热装置，直至样品发生爆炸，获得样品的临界爆温.

图 1　实验装置Fig.1　Experiment device

2实验结果与分析

2.1温度-时间曲线及压力-时间曲线

2.1.1丙酮溶剂的温度-时间测试曲线分析

研究先测试了10 g丙酮溶液在加热情况下的温度-时间曲线，如图 2 所示.

图 2　丙酮溶剂的温度-时间曲线Fig.2　Temperature-time curves of acetone

从图 2 的测试曲线看，随着加热温度升高，丙酮溶剂的升温曲线变化不明显，在加热温度为60 ℃时，曲线出现明显上升，这是由于丙酮的沸点很低且极易挥发，在加热过程中，随着温度的升高，挥发性越来越强. 丙酮温度达到170 ℃左右时，升温速率加快，这是由于在170～260 ℃条件下，丙酮发生缓慢的分解放热反应，生成异丁烯和乙醛. 整个加热过程中，在泄压孔处没有观察到爆炸现象.

2.1.2HNS的温度-时间及压力-时间曲线分析

纯HNS固体的温度-时间曲线和压力-时间曲线如图 3(a) 和图 3(b).

图 3　纯HNS热分解温度-时间及压力-时间曲线Fig.3　Temperature-time and pressure-time curves of pure HNS

从图3(a)可以看到，在302.1℃前，固体在加热温度升高的过程中，测试曲线波动较小，当加热温度达到302.1 ℃时，纯HNS分解温度急剧升高，HNS发生剧烈分解反应，直至发生爆炸. 由图3(b)看出，爆炸前罐内压力无明显变化，这是由于HNS分解缓慢，产气量小，爆炸一瞬间产生大量气体，使压力达到10.74 MPa. 爆炸过程产生的冲击波和气体压力的共同作用，将罐顶泄压孔铝片冲破. 试验后观察到实验装置内有少量残渣.

2.1.3HNS/丙酮溶液的温度-时间及压力-时间曲线分析

由图4(a)和图4(b)可知，5% HNS/丙酮溶液在加热过程中同样发生爆炸反应，实验过程中泄压孔处有气体放出，并伴有明显的爆炸声. 临界爆炸温度为299.7 ℃，临界爆炸压力为 8 MPa.

图 4　5% HNS溶液温度-时间和压力-时间测试曲线Fig.4　Temperature-time and pressure-time curves of 5% HNS solution

2.2HNS/丙酮溶液的临界爆炸温度分析

通过对丙酮、 HNS以及HNS/丙酮溶液的温度-时间曲线以及压力-时间曲线分析可知，HNS在丙酮溶液中爆炸温度变低，说明丙酮促进了HNS的热分解. 不同浓度HNS溶液的临界爆温见表 1. 其中，C为HNS在溶剂丙酮中的质量百分比，%；Tr为临界爆温，℃；pr为临界爆压，MPa. 实验样品总量为10 g.

表 1　不同浓度HNS/丙酮溶液临界爆温测试结果

根据表 1 测试结果，对HNS/丙酮溶液的临界爆温随浓度变化的曲线，如图 5 所示.

图 5　不同浓度下HNS溶液临界爆温变化规律Fig.5　Variation law of critical explosion temperature with concentration HNS solution

对实验数据进行拟合，得到式(1)

(1)

式中：x为HNS浓度；y为临界爆炸温度.

通过表 1 和图 5 可知，丙酮对HNS的热分解影响显著. 随着HNS浓度的增大，HNS/丙酮溶液的临界爆炸温度降低，临界爆压增大，溶液体系热稳定性变差.

3结论

1) 绝热密闭加热条件下，一定质量的HNS发生爆炸，临界爆炸温度为302.1 ℃，5% HNS/丙酮溶液临界爆炸温度为299.7 ℃；

2) 丙酮促进了HNS的热分解反应，HNS/丙酮溶液的临界爆炸温度低于纯HNS的临界爆炸温度；

3) 随着溶液中HNS浓度增大，HNS/丙酮溶液的临界爆温降低.

炸药溶液在局部快速升温或密闭条件下加热，在一定温度下会发生强烈热分解而爆炸. 因此，本文研究结果可以为炸药地研制、 细化、 生产及安全使用提供重要参考，同时对危化品的热分解研究也具有指导意义.

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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

文章编号:1673-3193(2016)02-0162-04

*收稿日期:2015-07-31

基金项目：山西省自然科学基金资助项目(2010011016)

作者简介：孟瑞鸿(1970-)，男，博士生，主要从事兵器安全技术的研究.

中图分类号:TQ56； X932

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.012