Ketidakpekaan Efektif Resin Melamin Urea-Formaldehida Melalui Polimerisasi Antarmuka pada Bahan Peledak Nitramina
Abstrak
Untuk meningkatkan keamanan bahan peledak amonium nitrat, resin melamin urea-formaldehida (resin MUF) dipilih untuk persiapan tiga bahan peledak nitramina yang khas (cyclotetramethylenetetranitramine, HMX; cryclo-trimethylenetrinitramine, RDX; dan polimer hijau berbasis hexanitrohexaazaisowurtzitane, CL-20). bahan peledak terikat (GPBXs) melalui polimerisasi antarmuka. Sementara itu, partikel komposit yang sesuai disiapkan dengan metode pencampuran fisik dan pengeringan mandi dipelajari dan dibandingkan. Morfologi partikel, struktur kristal, stabilitas termal, dan kinerja keamanan dari partikel komposit yang dihasilkan dicirikan oleh pemindaian mikroskop elektron (SEM), difraksi sinar-X serbuk (XRD), spektrum inframerah transformasi Fourier (FT-IR), kalorimeter pemindaian diferensial (DSC), dan uji sensitivitas dampak, masing-masing. Hasil SEM menunjukkan bahwa MUF berhasil dilapisi pada permukaan ketiga bahan peledak, dan partikel komposit yang berbeda yang dibuat dengan metode yang sama memiliki karakteristik uniknya sendiri. Efek tersebut dikaitkan dengan kemampuan resin untuk mengisolasi dan menyangga rangsangan eksternal. Jelas bahwa polimerisasi antarmuka adalah teknik desensitisasi yang efektif untuk menyiapkan partikel komposit cangkang inti untuk bahan peledak.
Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan teknologi dan sistem persenjataan, amunisi dibutuhkan tidak hanya untuk memiliki presisi tinggi, daya tinggi, dan jarak jauh untuk sistem daya tembak senjata, tetapi juga untuk menjaga keamanan yang relatif tinggi di lingkungan lain. Namun, bahan peledak konvensional seperti hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-trizine (RDX), 1,3,5,7-teranitro-1,3,5,7-tetrazocane (HMX), dan 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaiso-wurtzitane (CL-20) sulit untuk memenuhi persyaratan ini (struktur molekul ditunjukkan pada Gambar. 1), dan pengembangan bahan peledak tinggi yang tidak sensitif (IHEs) dianggap sebagai cara yang diinginkan untuk memenuhi penerapan sistem senjata [1,2,3]. Banyak sarjana di dalam dan luar negeri tertarik pada desensitisasi bahan peledak nitramin, biasanya menggunakan teknik pemurnian [4, 5], pelapisan [6, 7], dan eutektik [8, 9] untuk mencapai tujuan mengurangi sensitivitas. Teknologi pelapisan untuk bahan energik adalah metode membungkus pengubah pada permukaan bubuk dengan proses tertentu untuk mencapai tujuan ketidakpekaan, terutama termasuk pelapisan fisik dan pelapisan kimia. Pelapisan fisik terutama mengacu pada pembentukan lapisan pelapis tertentu pada permukaan partikel eksplosif padat dengan adsorpsi atau kekuatan eksternal. Dan metode pelapisan fisik yang umum meliputi metode suspensi air [10], metode pelapisan kristalisasi [11], metode pengeringan semprot [12], metode superkritis [13], dan metode pemisahan fasa [14]. Metode pelapisan kimia mengacu pada pembentukan lapisan pelapis pada permukaan partikel padat dengan metatesis, reaksi polimerisasi, perlakuan energi tinggi, atau sejenisnya dalam media tertentu. Telah diketahui bahwa indikator kunci untuk evaluasi bahan cangkang inti adalah tingkat cakupan, kekuatan mekanik dan penghambatan nukleasi diri untuk cangkang pelapis [15]. Oleh karena itu, mengeksplorasi teknik pelapisan baru dan menemukan bahan pelapis baru adalah cara yang efektif untuk memastikan bahwa bahan peledak memiliki struktur cangkang inti yang baik dan memenuhi persyaratan keselamatan. Penelitian kami didasarkan pada dua metode pelapisan yang dijelaskan di atas.
Struktur molekul RDX, HMX, CL-20, dan MUF Binder. R-CH2OH adalah MF
Selama beberapa dekade, pengikat “trialdehida” konvensional telah menjadi fokus penelitian bagi para sarjana di dalam dan luar negeri. Dengan kinerja komprehensif yang terus meningkat, laporan yang relevan tentang aplikasi mereka mulai muncul di bidang bahan energik. Pada tahun 2015, Yang dkk. [16] menggunakan monomer resin melamin-formaldehida (MF) 3% untuk melapisi CL-20, HMX, dan RDX. Partikel yang disiapkan memiliki lapisan pelapis resin MF yang kompak dan seragam, dan stabilitas termal dan sifat keamanannya sangat ditingkatkan. Artikel ini memiliki kesamaan dengan laporan tersebut karena kami juga menemukan bahwa resin melamin-urea-formaldehida lebih cocok sebagai bahan pengikat yang mudah meledak, dibandingkan dengan resin melamin-formaldehida. Resin MF memiliki kinerja yang sangat baik; Namun, itu rapuh dan mahal. Yang terpenting produk resin MF tidak bisa disimpan lama. Jika digunakan sebagai bahan pelapis untuk membuat partikel komposit energik dengan struktur cangkang inti, kemungkinan akan menyebabkan kerusakan sifat partikel. Li et al [17] menyiapkan cyclotetramethylenetetranitramine pada mikrosfer energik poliester-eter termoplastik (HMX @ TPEE) dengan distribusi ukuran partikel mulai dari 50 hingga 200 μm melalui metode emulsi pelarut penguapan (ESV), dan partikel yang dihasilkan memiliki sensitivitas yang lebih rendah dan lebih tinggi stabilitas termal. Dalam makalah ini, metode rendaman pengeringan yang lebih baik diusulkan, dan bahan peledak berikat polimer (PBX) dengan kinerja komprehensif yang sangat baik disiapkan dengan menggunakan resin melamin urea-formaldehida (resin MUF) sebagai bahan cangkang dan tiga bahan peledak berbeda sebagai bahan inti. . Wang dkk. [18] memperoleh nanokomposit cyclotetramethylenetetranitramine/nitrocellulose (HMX/NC) 30-nm dengan sifat komprehensif yang baik dengan metode sol-gel-supercritical yang ditingkatkan. Dapat dilihat bahwa pilihan pengikat memiliki pengaruh besar pada morfologi, ukuran partikel, dan kinerja PBX yang dihasilkan.
Seperti yang kita semua tahu, bantuan ultrasonik telah banyak diterapkan pada sintesis kimia dan modifikasi bahan fungsional [19, 20]. Dalam penelitian kami, pengikat MUF hijau dengan kinerja keseluruhan yang superior disiapkan dengan metode sintesis dua langkah. Kemudian, bahan pengikat MUF yang telah disiapkan digunakan sebagai bahan cangkang, dan masing-masing bahan inti HMX, RDX dan CL-20. Pertama-tama, menggunakan metode pencampuran fisik sederhana, tiga partikel bahan peledak/MUF yang berbeda (dengan kandungan MUF 5%) dibuat melalui bantuan ultrasonik. Selanjutnya, di bawah kondisi yang sama, enam partikel energik komposit lainnya dibuat dengan menggunakan metode penangas pengeringan yang ditingkatkan dan metode polimerisasi antarmuka yang dioptimalkan, masing-masing. Singkatnya, untuk pertama kalinya, sembilan partikel energik komposit yang berbeda dengan rasio MUF yang sama dibuat melalui bantuan ultrasonik dengan tiga metode yang berbeda. Menariknya, melalui metode yang berbeda, kami memperoleh PBX dengan morfologi yang berbeda, seperti paparan partikel yang jelas (pencampuran fisik), poligonal tidak beraturan (metode rendaman pengeringan), dan bentuk cangkang inti padat (polimerisasi antarmuka). Anehnya, ketika penampilan estetis dari morfologi partikel meningkat, stabilitas termal dan kinerja keamanannya meningkat. Melalui penelitian dan analisis, partikel energik komposit yang dibuat dengan polimerisasi antarmuka optimal dalam morfologi, stabilitas termal, dan kinerja keamanan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan partikel energik komposit dengan kinerja komprehensif terbaik, lebih disukai untuk mempertimbangkan metode polimerisasi antarmuka untuk menyiapkan GPBX setelah menentukan pengikat yang digunakan.
Metode
Materi
HMX, RDX, dan CL-20 disediakan oleh Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co. Dalam penelitian kami, bahan baku dipilih dalam proses pengeringan mandi. Saat menyiapkan komposit bahan peledak/MUF dengan metode pencampuran fisik dan polimerisasi antarmuka, bahan baku direkristalisasi sesuai dengan referensi [21]. Dimetil sulfoksida diperoleh dari Pabrik Reagen Kimia Fuchen Tianjin. Tween 80 dan Span 80 dicampur sebagai pengemulsi komposit untuk bahan peledak dengan MTween 80 :MSpan80 dari 0,57:0,43. Triethanolamine (TEOA, digunakan untuk mengatur nilai pH selama reaksi) berasal dari Tianjin Sailboat Chemical Reagent Technology Co., Ltd. Urea, formaldehida, asam klorida (5% asam klorida encer digunakan untuk menyesuaikan nilai pH dalam penelitian ini) , dan resorsinol (R-80) disediakan oleh Tianjin Tianli Chemical Reagent Co., Ltd. Amonium klorida dibeli dari Tianjin Guangfu Technology Development Co., Ltd. Polivinil alkohol 2488 (PVA) dipasok oleh Qingdao Yousuo Chemical Technology Co., Ltd. Air murni diperoleh dari pasokan air murni Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd.
Sintesis Dua Langkah Resin MUF
Pengikat MUF dengan sifat komprehensif yang sangat baik disiapkan melalui proses dua langkah. Pertama, pembuatan prepolimer resin urea-formaldehida. 0,62 g urea dan 1,87 g larutan formaldehida (konsentrasi 37%) dicampur, kemudian urea dilarutkan secukupnya dengan magnetic stirrer. Nilai pH campuran disetel menjadi 8,5~9,5 dengan trietanolamin. Solusinya ditempatkan dalam penangas air pada 65 °C dan diaduk selama 1 jam sampai diperoleh prepolimer resin urea-formaldehida yang transparan dan kental. Setelah pendinginan, ditambahkan HCl tetes demi tetes sampai nilai pH larutan diatur menjadi sekitar 3,5, dan sisihkan. Kedua, persiapan MUF. 1,87 g prapolimer ditambahkan ke 35 ml air deionisasi untuk membentuk emulsi di bawah pengadukan yang seragam. Selanjutnya, 8% PVA, 0,01 g melamin, 0,125 g resorsinol, dan 0,06 g amonium klorida ditambahkan berturut-turut, dan nilai pH disesuaikan menjadi sekitar 3,5 dengan asam klorida encer. Kemudian labu leher tiga ditempatkan dalam penangas air pada suhu 65 °C dan direaksikan selama 3~4 h, diikuti dengan pendinginan alami dan penyaringan vakum. Solusinya dicuci dengan air deionisasi, akhirnya menghasilkan resin MUF berkualitas tinggi. Setelah kering, sekitar 0,3 g MUF ditimbang.
Preparasi Partikel Komposit Peledak/MUF dengan Metode Polimerisasi Antar Muka dan Metode Mandi Pengeringan
Persiapan partikel komposit peledak/MUF dengan polimerisasi antarmuka dan metode rendaman pengeringan benar-benar konsisten dengan persiapan prapolimer resin urea-formaldehida dalam sintesis dua langkah pengikat MUF. Namun, langkah kedua jelas berbeda.
Dalam pembuatan partikel komposit bahan peledak/MUF dengan polimerisasi antarmuka, 6 g bahan peledak ditambahkan ke 35 ml air deionisasi, dan 0,01 g span-80 ditambahkan tetes demi tetes sebagai pengemulsi. Selanjutnya, sistem diemulsi dan dicukur pada kecepatan 7000 rad/menit selama 30 menit sampai terbentuk emulsi eksplosif yang stabil. Emulsi eksplosif menggantikan air deionisasi dalam sintesis dua langkah resin MUF. Diagram sintesis ditunjukkan pada B pada Gambar. 2 di bawah.
Diagram skema dari berbagai metode untuk mempersiapkan HMX/MUF, RDX/MUF, dan CL-20/MUF
Dalam persiapan partikel komposit bahan peledak/MUF dengan metode penangas pengeringan, 6 g bahan peledak dilarutkan dalam 35 ml DMSO pada 65 °C untuk membentuk larutan yang mudah meledak. Solusi eksplosif menggantikan air deionisasi dalam sintesis dua langkah resin MUF. Setelah 3 hingga 4 jam reaksi, campuran susu yang mudah meledak/MUF terbentuk. Kemudian, emulsi ditempatkan dalam oven dan dikeringkan pada 70 °C selama 48 h, akhirnya menghasilkan partikel komposit yang mudah meledak/MUF. Diagram sintesis ditunjukkan pada C pada Gambar. 2 di bawah (bak pengering). Perlu dicatat bahwa setelah penambahan emulsi bahan peledak, bantuan ultrasonik harus dilakukan untuk menghindari aglomerasi pengikat dan bahan peledak.
Preparasi Partikel Komposit Bahan Peledak/MUF dengan Pencampuran Fisik
Untuk membandingkan dengan partikel eksplosif/MUF yang dibuat dengan dua metode pertama, kami juga menyiapkan partikel eksplosif/MUF dengan menggunakan metode pencampuran fisik sederhana. Pengikat MUF, dibuat dengan sintesis dua langkah, dicampur dengan 6 g bahan peledak dalam 35 ml air deionisasi, dan kemudian, larutan campuran diaduk dalam penangas air pada 65 °C selama 2 jam. Setelah itu, campuran didiamkan, dilanjutkan dengan penyaringan dan pengeringan; partikel komposit eksplosif / MUF diperoleh. Sketsa persiapan ditunjukkan pada A pada Gambar. 2 (Pencampuran fisik).
Kami memberi label sampel yang disiapkan dengan metode polimerisasi antarmuka, metode pengeringan mandi, dan metode pencampuran fisik, masing-masing sebagai sampel 1, sampel 2, dan sampel 3.
Karakterisasi
Gambar mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) diambil pada MIRA3 LMH SEM (Tescan) pada 10 k; Pola difraksi sinar-X (XRD) diperoleh dengan menggunakan difraktometer sinar-X DX-2700 (Dandong Haoyuan Corporation, Liao ning, Cina) dengan radiasi Cu-Kα (40 kV, 30 mA) pada λ = 1.5418 Å. Semua sampel dipindai dari 5 ° hingga 50 ° dengan langkah 0,03 dan waktu penghitungan 6 detik; Spektrum inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dicirikan oleh Nicolet FT-IR 8700 Thermo (Waltham, MA, USA) dengan resolusi bilangan gelombang 4 cm
−1
dan rata-rata tunggal 32 scan pada suhu nomor; analisis termal dilakukan pada kalorimeter pemindaian diferensial (DSC-131, France Setaram Corporation, Shanghai, Cina) pada laju pemanasan 10 °C/menit. Peralatan palu jatuh; ketinggian khusus (H50 ) mewakili ketinggian dari mana 2.500 ± 0,002 kg drop-hammer akan menghasilkan peristiwa ledakan di 50% uji coba. Dalam setiap penentuan, 25 tes jatuh dilakukan untuk menghitung H50 . Dan massa sampel adalah 30 mg. Sensitivitas gesekan sampel diuji dengan instrumen gesekan WM-1. Dalam setiap penentuan, 25 sampel diuji, dan probabilitas ledakan (P , %) diperoleh. Dan massa sampel adalah 20 mg. Ukuran partikel diuji oleh penganalisis partikel dinamis QICPIC (SYMPATEC Co., Ltd., Jerman), dan lingkungan kerjanya adalah 5~35 °C; kelembaban relatif kurang dari 85%; jenis sumber cahaya adalah laser He-Ne; daya adalah 2.0 mW; dan panjang gelombangnya adalah 0,6328 μm.
Hasil dan Diskusi
Morfologi Sampel
Morfologi dan struktur RDX mentah, HMX, dan CL-20; pengikat MUF yang disintesis (File tambahan 1:Bagian S1); dan partikel komposit eksplosif/MUF yang dibuat dengan ketiga metode tersebut masing-masing diukur. Gambar SEM menunjukkan bahwa bahan peledak nitramine mentah menunjukkan bentuk poligonal dan distribusi ukuran yang tidak merata. Tampilan pengikat MUF asli berbentuk bulat; namun, dapat terlihat dengan jelas bahwa partikel tidak penuh karena bagian dalamnya mungkin kosong atau sebagian berisi air.
Dibandingkan dengan bahan peledak yang tidak dilapisi (Gbr. 3a, 4a, dan 5a), morfologi partikel komposit bahan peledak/MUF yang dibuat dengan metode yang berbeda sangat berbeda, sedangkan morfologi partikel komposit bahan peledak/MUF yang berbeda yang dibuat dengan metode yang sama memiliki karakteristik yang serupa . Partikel komposit yang dibuat dengan metode pencampuran fisik memiliki fenomena paparan partikel yang jelas, menunjukkan efek pelapisan yang buruk (Gbr. 3d, 4d, dan 5d). Ini karena sulit untuk mendistribusikan pengikat secara merata pada permukaan bahan peledak hanya dengan aksi mekanis. Proses dispersi agitasi mekanis saja adalah reversibel. Setelah tumbukan, tetesan akan beragregasi lagi, akhirnya mencapai keseimbangan dinamis yang mempertahankan granularitas tertentu. Ikatan timbal balik yang tidak terkendali terjadi selama tumbukan tetesan, yang di luar kendali.
Gambar SEM dari HMX yang tidak dilapisi (a ), HMX/MUF-1 (b ), HMX/MUF-2 (c ), dan HMX/MUF-3 (d ); gambar yang sesuai dengan perbesaran rendah dimasukkan
Gambar SEM dari RDX yang tidak dilapisi (a ), RDX/MUF-1 (b ), RDX/MUF-2 (c ), dan RDX/MUF-3 (d ); gambar yang sesuai dengan perbesaran rendah dimasukkan
Gambar SEM dari CL-20 yang tidak dilapisi (a ), CL-20/MUF-1 (b ), CL-20/MUF-2 (c ), dan CL-20/MUF-3 (d ); gambar yang sesuai dengan perbesaran rendah dimasukkan
Partikel komposit yang dibuat dengan metode penangas pengering memiliki lapisan pelapis yang sangat padat. Anehnya, setelah MUF mengenkapsulasi partikel-partikel eksplosif sepenuhnya, sulit untuk membentuk bola yang lengkap, yang sebagian besar tampak sebagai partikel padat tetapi tidak beraturan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, 4c, dan 5c). Dan fenomena ini dapat dijelaskan dengan teori dasar kimia antarmuka [22]. Selama proses penghilangan pelarut, viskositas bahan peledak/MUF secara bertahap meningkat saat pelarut menguap, dan partikel terdispersi cenderung berkumpul kembali. Di sisi lain, karena kelarutan PVA pendispersi dalam DMSO kecil, ketika pengikat MUF saling bertabrakan, tidak ada gaya pendispersi yang baik, yang menyebabkan mereka menempel satu sama lain, akhirnya membentuk bentuk yang tidak beraturan. Selain itu, teori pertumbuhan kristal [23] juga dapat menjadi pendukung yang kuat untuk menjelaskan morfologi yang tidak teratur ini. Metode penangas pengering menyebabkan bahan peledak mengalami proses pertumbuhan dan perkembangan “kristal embrio-inti-kristal”. Karena sistem MUF berada dalam fase fluida metastabil dan sistem mengandung berbagai permukaan luar, partikel-partikel eksplosif terlarut bernukleasi pada permukaan ini, yang dapat mengurangi penghalang nukleasi yang disebabkan oleh peningkatan energi permukaan MUF dan secara efektif menurunkan energi permukaan. penghalang selama nukleasi bahan peledak. Nukleasi eksplosif lebih disukai terbentuk pada ketidakrataan ini, yaitu, nukleasi yang tidak seragam juga merupakan penyebab morfologi partikel yang tidak teratur. Dari ilustrasi pada Gambar 3d, kita dapat melihat bahwa morfologi keseluruhan partikel HMX/MUF adalah “sarang lebah”, yang terkait dengan energi ikat yang lebih rendah antara MUF dan HMX (File tambahan 1:Bagian S2). Saat penguapan berlangsung, pengikat MUF secara bertahap akan menyusut. Energi pengikatan yang terlalu rendah di antara keduanya membuat MUF tidak dapat merangkum HMX sepenuhnya, dan di sana menghasilkan tekanan internal yang kuat, yang akhirnya membentuk bentuk “sarang lebah” [24].
Hal yang paling menarik adalah bahwa partikel komposit eksplosif/MUF yang dibuat dengan metode polimerisasi antarmuka semuanya memiliki struktur spheroid, dan permukaan partikel yang dihasilkan padat dan halus (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, 4b, dan 5b). Hal ini mungkin karena penambahan pendispersi PVA menurunkan tegangan permukaan air dan meningkatkan keterbasahan, sehingga meningkatkan afinitas antara molekul peledak dan larutan pengikat. Konstanta Hamaker berkurang secara bersamaan, dan energi tarik-menarik antar partikel berkurang, membentuk penghalang sterik yang efektif. Lebih penting lagi, energi tolak-menolak antara partikel komposit meningkat, yang sangat meningkatkan dispersibilitas antara bahan peledak/MUF [25]. Seperti yang digambarkan dalam sisipan pada Gambar. 4b dan 5b, banyak partikel komposit RDX/MUF dan CL-20/MUF menunjukkan morfologi bola super padat, dengan permukaannya padat dan halus. Anehnya, morfologi partikel HMX/MUF yang ditunjukkan pada Gambar 3b juga berbentuk bulat, tetapi tidak selengkap partikel komposit RDX/MUF dan CL-20/MUF, yang disebabkan oleh energi ikat minimal antara HMX dan MUF. Energi ikat yang terlalu rendah membuat sistem campuran menjadi terlalu stabil, yang mengakibatkan permukaan MUF cenderung menyusut secara otomatis. Oleh karena itu, meskipun partikel HMX/MUF cenderung berbentuk spheroid, mereka tidak penuh.
Struktur Kristal Sampel
Untuk menyelidiki apakah transformasi fasa HMX dan CL-20 terjadi, digunakan analisis XRD, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Melalui analisis, dapat dilihat apakah struktur kristal telah berubah selama persiapan bahan peledak/MUF partikel komposit. Lebih penting lagi, analisis difraksi sinar-X mengkonfirmasi dari samping bahwa MUF berhasil melapisi permukaan bahan peledak. Dari Gambar 6a, HMX/MUF-1, HMX/MUF-2, dan HMX/MUF-3 mengandung hampir semua puncak difraksi dari HMX mentah. Dan fenomena serupa juga tampak pada pola difraksi partikel komposit RDX dan CL-20, seperti terlihat pada Gambar 6c, e. Hal ini menunjukkan bahwa struktur kristal bahan peledak tidak berubah selama pembuatan MUF/bahan peledak secara keseluruhan dengan metode pencampuran fisik, bak pengering, dan polimerisasi antarmuka. Selain itu, kami telah melihat fenomena serupa di antara tiga partikel komposit eksplosif/MUF, yaitu puncak difraksi utama dari partikel komposit eksplosif/MUF melemah dan melebar dibandingkan dengan bahan bakunya. Misalnya, pada pola difraksi HMX/MUF, RDX/MUF, dan CL-20/MUF, puncak difraksi utama pada 2θ = 16.39°, 12.58°, dan 13.29° menunjukkan fenomena pelemahan dan pelebaran yang paling nyata. Hal ini dapat dikaitkan dengan sifat fisik "isotropik" dari MUF amorf, yang menghasilkan pengaturan yang tidak teratur untuk partikel peledak/MUF yang dihasilkan dalam distribusi spasial. Susunan periodik seperti itu melemahkan intensitas difraksi bahan peledak [26]. Yang paling penting, puncak difraksi MUF juga ada di puncak difraksi partikel komposit eksplosif/MUF. Misalnya, pada pola difraksi HMX/MUF, RDX/MUF, dan CL-20/MUF, puncak difraksi pada 2θ = 26.71°, 26.78°, dan 26.99° jauh lebih tinggi dari puncak difraksi pada posisi bahan baku yang sama. Jelas, ini karena puncak difraksi sekitar 2θ = 27° adalah salah satu puncak karakteristik difraksi yang paling dominan dari MUF. Karena kandungan MUF hanya 5% dari bahan peledak, puncak difraksi yang tidak mencolok yang ada di MUF itu sendiri kurang menonjol dalam partikel komposit. Seperti yang digambarkan dalam tampilan diperbesar dari puncak difraksi yang disisipkan di setiap gambar, dibandingkan dengan bahan peledak asli, puncak difraksi baru muncul di tiga partikel komposit bahan peledak, seperti pada 2θ = 41.30° dalam pola difraksi sampel HMX, 2θ = 39,45° dalam pola difraksi sampel RDX dan 2θ = 35,93° dalam pola difraksi sampel CL-20, yang secara efektif mengkonfirmasi keberadaan pengikat MUF dalam partikel komposit bahan peledak/MUF.
a –f Sampel spektrum XRD dan FI-IR
Analisis FI-IR dilakukan untuk mengidentifikasi struktur molekul sampel. Secara keseluruhan, partikel komposit yang dibuat dengan tiga teknik berbeda mengandung hampir semua puncak vibrasi regangan bahan pengikat dan bahan peledak. Hasil pengukuran mengkonfirmasi dari samping bahwa resin MUF berhasil membentuk lapisan pelindung pada permukaan bahan peledak, sesuai dengan hasil uji XRD. Diketahui bahwa HMX memiliki empat struktur kristal yang berbeda, tiga fase kristal murni (α-HMX, -HMX dan -HMX), dan satu fase hidrat (γ-HMX). Dan -HMX umumnya dianggap sebagai fase paling stabil dengan energi ledakan tinggi, densitas besar, dan sensitivitas rendah, yang tentu saja terkait dengan struktur spasial monoklin P21/c-nya [27]. Pada spektrum inframerah MUF, terdapat puncak serapan getaran ulur –C=O pada 1735 cm
−1
. Sedangkan pada spektrum inframerah HMX, –NO2 dan –CH2 peregangan puncak penyerapan getaran muncul di dekat 1560 cm
−1
dan 2980 cm
−1
, masing-masing (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b). Dapat diperhatikan bahwa puncak serapan getaran regangan yang serupa muncul pada posisi yang sesuai pada pita karakteristik HMX/MUF, yang berarti bahwa struktur kristal HMX tidak akan berubah selama preparasi melalui pencampuran fisik, rendaman pengeringan, dan metode polimerisasi antarmuka. . Selain itu, situasi serupa juga ditemukan pada spektrum inframerah partikel CL-20 (Gbr. 6f), terutama puncak getaran regangan partikel CL-20 di wilayah sidik jari 760 cm
−1
menunjukkan bahwa struktur kristal -CL-20 tidak berubah selama percobaan [28].
Properti Termal
Menyelidiki proses dekomposisi termal sangat penting untuk bahan energik [29]. Dalam penelitian kami, kurva DSC yang dikumpulkan pada laju pemanasan 10 °C/menit diperoleh pada Gambar 7. Kami telah menemukan beberapa fenomena menarik tentang dekomposisi termal dari ketiga bahan peledak nitramin ini. Secara keseluruhan, HMX dan CL-20 memiliki karakteristik dekomposisi termal yang serupa (ada puncak endotermik transformasi kristal selama dekomposisi termal); namun, fenomena pemanasan sendiri CL-20 lebih serius daripada HMX. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sebagai bahan peledak amonium nitrat tipe sangkar, pembelahan kerangka molekul dan "reaksi fase terkondensasi heterogen" dari fase kental ada secara bersamaan dan memperburuk, sementara HMX adalah jenis "dekomposisi-pelelehan" bahan, dan proses peleburannya dipengaruhi oleh proses dekomposisi termal. Dalam praktiknya, HMX dan RDX juga memiliki perilaku termal yang serupa, karena keduanya memiliki rantai bercabang yang sama. Perbedaannya adalah HMX melepaskan panas dengan cepat selama dekomposisi termal, dan kurva DSC-nya menunjukkan puncak yang curam dan tajam (Gbr. 7a). Karena penguraian HMX adalah proses yang heterogen dimana reaksi padat-cair berlangsung secara bersamaan, sedangkan penguraian RDX adalah proses homogen dalam keadaan cair setelah selesainya peleburan. Reaksi yang dipercepat yang disebabkan oleh perubahan fase simultan selama dekomposisi membuat dekomposisi HMX lebih parah daripada RDX [30].
a –c Kurva DSC dari sampel yang dikumpulkan pada laju pemanasan 10 °C/menit
Untuk HMX, kurva DSC menunjukkan puncak endotermik pada 279,2 °C, kemudian puncak eksotermik pada 284,54 °C (Gbr. 7a), yang berhubungan dengan transisi fase leleh dan puncak karakteristik untuk dekomposisi termal HMX, masing-masing [31] . Dibandingkan dengan HMX mentah, suhu dekomposisi termal HMX/MUF-1, HMX/MUF-2, dan HMX/MUF-3 semuanya menurun. Dan suhu partikel komposit yang dibuat dengan polimerisasi antarmuka, bak pengering, dan metode pencampuran fisik diturunkan masing-masing sebesar 2,58 °C, 8,76 °C, dan 10,14 °C. Hasil serupa dilaporkan sebagai penurunan suhu dekomposisi HMX ketika dilapisi dengan pengikat [32, 33]. Di bawah premis yang mengandung 5% MUF, tingkat penurunan cukup berbeda untuk suhu puncak dekomposisi partikel komposit berbasis HMX yang dibuat dengan metode yang berbeda; jelas, efek polimerisasi antarmuka pada kinerja dekomposisi termal HMX minimal. Situasi serupa juga dapat dilihat pada partikel komposit RDX/MUF dan CL-20/MUF (seperti yang diamati pada Gambar 7c). Ini mungkin relevan dengan morfologi pelapisan dan kekompakan HMX/MUF, dan pelapisan seragam berkontribusi pada stabilitas proses dekomposisi termal partikel komposit. Oleh karena itu, untuk meningkatkan stabilitas termal partikel komposit, merupakan cara yang efektif untuk memilih bahan pelapis dengan sifat termal yang sangat baik. Selain itu, di bawah premis untuk memilih pengikat tertentu, mungkin merupakan cara yang baik untuk mempertimbangkan menggunakan metode polimerisasi antarmuka untuk menyiapkan partikel komposit.
Sensitivitas
Untuk menyelidiki kinerja keamanan sampel, pengujian sensitivitas benturan dan gesekan dilakukan, dan hasilnya disajikan pada Gambar 8. Seperti yang dapat kita lihat, di antara perawatan desensitisasi yang dilakukan pada HMX, RDX, dan CL-20, MUF memiliki efek desensitisasi paling signifikan pada partikel komposit yang dibuat dengan metode polimerisasi antarmuka. Dibandingkan dengan HMX mentah, RDX dan CL-20, tinggi karakteristik H50 meningkat dari 21,6 cm, 31,8 cm, dan 15,3 cm masing-masing menjadi 73,4 cm, 85,6 cm, dan 64,03 cm (Gbr. 8a), sehingga secara signifikan meningkatkan kinerja keselamatan. Selain itu, dapat dilihat dari Gambar 8b bahwa sensitivitas gesekan GPBX yang dibuat dengan tiga metode yang berbeda ini lebih rendah daripada senyawa eksplosif yang tidak dilapisi. Menariknya, tiga sampel yang disiapkan oleh polimerisasi antarmuka menunjukkan sensitivitas gesekan terendah. Lebih penting lagi, dibandingkan dengan laporan sebelumnya [7, 18, 26], kinerja keamanan GPBX yang dibuat dengan polimerisasi antarmuka optimal. Efek desensitisasinya luar biasa. Hal ini dapat dijelaskan dengan teori hotspot [34]. MUF berhasil dilapisi pada permukaan HMX, yang dapat menghasilkan efek buffer tertentu di bawah stimulus mekanis eksternal, secara efektif memperlambat pembentukan hot spot. Schematic diagram of desensitization effect of composite particles prepared by three different techniques can be seen from Fig. 9. Obviously, with the same proportion of MUF binder, the composite particles fabricated by interfacial polymerization possess the most distinct desensitization effect, attributing to more uniform particle morphology. The uniform, small particle size distribution between the particles increases the gap between themselves, and the force area of the same quality composite particles increases, which reduces the stress concentration between the particles and effectively prevents the formation of local hot spots.
Impact sensitivity of samples:a impact sensitivity and b friction sensitivity
Schematic diagram of sensitivity
Kesimpulan
Via ultrasonic assistance, nine different composite particles were fabricated by a simple physical mixing method, an improved drying bath method, and an optimized interfacial polymerization method. XRD and FT-IR analysis did not show any change in the crystal structure before and after the preparation of HMX and CL-20, still maintaining β-HMX and Ɛ-CL-20, respectively. Compared with the raw explosives, the thermal decomposition peak temperature of the composite energetic particles after adding MUF was reduced; however, the reduction effect of the thermal decomposition peak temperature of the sample 3 was not significant. The characteristic height H50 of the composite particles prepared by interfacial polymerization method increased by three to four times, most obviously improving the safety performance. In short, HMX/MUF, RDX/MUF, and CL-20/MUF particles prepared by each method have similarities in morphology, particle size, and even performance. In particular, the three composite particles fabricated by interfacial polymerization method possess better thermal stability and safety performance with smooth surfaces, dense and uniform coating layers. Therefore, in order to improve the thermal stability of the composite particles, it is an effective approach to select a coating material with excellent thermal performance. And under the premise of choosing a specific binder, it may be effective to prioritize the use of interfacial polymerization method to prepare composite particles. This study provides certain reference for the application of high-energy and low-sensitivity ammunition in weapon firepower and rocket systems.
