Produksi Skala Besar Komposit Nanoskala CL-20/Grafit Oksida dengan Ball Milling

Abstrak

Kami melaporkan metode ball milling satu langkah yang mengeksfoliasi bahan grafit menjadi grafen sambil membentuk komposit CL-20/grafit oksida (GO) dalam suspensi air. SEM dan XRD mengonfirmasi konversi yang berhasil menjadi komposit nanoskala yang homogen. Pengukuran sensitivitas dampak menunjukkan penurunan yang mencolok dalam sensitivitas, sementara analisis termal menunjukkan stabilitas yang setara dengan CL-20 mentah. Material yang dihasilkan menunjukkan butir bola sekitar 200 nm, penurunan drastis dari bubuk CL-20 asli 300 µm.

Latar Belakang

Ledakan tidak disengaja dari bahan peledak tinggi (HE) seperti CL-20, HMX, dan RDX tetap menjadi masalah keselamatan kritis di zona konflik modern.1 Kepadatan energi tinggi dari senyawa ini seringkali ditimbal oleh sensitivitas buruk terhadap dampak, gesekan, getaran, dan stimulus termal.2 Sejumlah dekade terakhir, peneliti telah mengeksplorasi beberapa strategi untuk menghasilkan bahan energi yang tidak sensitif, termasuk peledak terikat polimer (PBXs), pembentukan mikrokapsul melalui polimerisasi in-situ, dan kristal energi kocrystal.3-6 Rute pelapisan adalah yang paling umum, namun ia sangat bergantung pada pelarut organik, yang menimbulkan masalah lingkungan dan keselamatan.7-9 Pendekatan alternatif, seperti kristalisasi bersama CL-20 dengan HMX, telah menunjukkan janji tetapi masih menghadapi tantangan terkait kompatibilitas kimia dan sensitivitas residu.10-15 Ball milling menawarkan rute bebas pelarut dan dapat diskalakan untuk menghasilkan bahan energi nanokristal. Proses dapat mereduksi ukuran partikel secara seragam, menyempitkan distribusi ukuran, dan membulatkan morfologi partikel—semua faktor yang menurunkan sensitivitas inisiasi.16 Pada saat yang sama, pemolesan mekanis mempertahankan struktur kristal, yang esensial untuk mempertahankan performa energi CL-20.17 Grafen dan turunan oksidasi, grafit oksida (GO), telah menarik perhatian karena konduktivitas termal tinggi, kekuatan mekanis, dan kemampuan untuk menstabilkan senyawa energi.18-21 Kerja sebelumnya telah menunjukkan bahwa GO dapat mengurangi sensitivitas dampak dan getaran HMX dan RDX.8 Studi saat ini memperluas konsep ini ke CL-20, memanfaatkan kapasitas eksfoliasi ball milling untuk menghasilkan GO lapisan sedikit langsung dari bahan grafit, sehingga menyederhanakan alur produksi dan menghindari kebutuhan untuk langkah reduksi kimia tambahan.

Metode

Sintesis Komposit Nanoskala CL-20/GO

CL-20 mentah (Liang & Co., Ltd.) disperdi dalam air deionisasi dengan berbagai persentase berat bahan grafit (GIMs): 0,5 %, 1 %, 2 %, dan 5 % relatif terhadap CL-20. Suspensi diperlakukan dengan ball milling (benur zirconia, diameter 0,1 mm, rasio bola-bubuk 20, 300 RPM, 10 min). Setelah milling, bubuk diultrasonikasi untuk menghilangkan sisa benur. Hasilnya diberi nama CL-20, CL-20/GO_0.5, CL-20/GO₁, CL-20/GO₂, dan CL-20/GO₅ (nomenklatur analog berlaku untuk GO yang direduksi, rGO).

Karakterisasi

Data morfologi diperoleh dari SEM pemancar medan (MIRA3 LMH, Tescan) pada 10 kV. Difraksi bubuk XRD (DX-2700, Dandong Haoyuan) dengan radiasi Cu-Kα (λ = 1,5418 Å) mencakup 5°–50° (langkah 0,03°, 6 s). Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) (DSX-131, Setaram) dilakukan pada 5, 10, dan 20 °C min⁻¹. Sensitivitas dampak diukur menggunakan aparatur palu jatuh 12-titik buatan sendiri; ketingingkatan khusus H₅₀ ditentukan dari 25 percobaan.

Hasil dan Pembahasan

Citra SEM (Gambar 1) menunjukkan bahwa CL-20 mentah adopts bentuk palu dengan ukuran rata-rata ~300 µm. Setelah ball milling, butir menjadi hampir bola dengan ukuran yang dikurangi ~200 nm (Gambar 1c–f). Ketika GO ada, lembaran tipis berkerut diamati melapisi permukaan CL-20 (Gambar 1d–g), yang menunjukkan depoesi yang berhasil selama milling. rGO, justru, menunjukkan lapisan yang kurang mencolok, sesuai dengan densitas grup fungsi yang lebih rendah. Pola XRD (Gambar 2) mengonfirmasi retensi struktur kristal ε-CL-20 setelah milling; puncak karakteristik pada 12,59°, 13,82°, dan 30,29° (bidang (1,1,-1), (2,0,0), dan (2,0,-3)) tetap ada, meskipun intensitas puncak bergeser karena orientasi yang diinginkan yang diinduksi oleh milling. Puncak GO yang jelas pada 10° (0,0,2) muncul dalam CL-20/GO₅, mengkoreborasi bukti SEM. Mekanisme pembentukan yang diusulkan (Gambar 3) melibatkan eksfoliasi bersamaan grafit menjadi GO lapisan sedikit dan penyempitan partikel CL-20, yang menghasilkan komposit terkalir melalui interaksi non-kovalen (ikatan hidrogen) di antara grup fungsi GO dan atom nitrogen CL-20. rGO kurang memiliki grup fungsi yang cukup, resulting in ikatan antarmuka yang lebih lemah. Analisis DSC (Gambar 4) mengungkapkan bahwa CL-20 nanoskala dan komposit GO-nya menunjukkan endoterm yang lebih halus dan tidak terpotong dibandingkan CL-20 mentah, yang menunjukkan mitigasi runaway termal. Plot Kissinger (Gambar 5a) dan analisis kompensasi kinetik (Gambar 5b) menunjukkan bahwa energi aktivasi aparen (E_a) dari CL-20/GO₂ dan CL-20/GO₅ sedikit lebih tinggi dari sampel lain, namun faktor pre-eksponensial (A) mengikuti hubungan linier yang diharapkan dengan E_a, yang menunjukkan mekanisme dekomposisi yang konsisten di seluruh spesimen. Parameter termodinamis (ΔG^≠, ΔH^≠, ΔS^≠) yang dihitung dari data DSC mengonfirmasi bahwa semua komposit mempertahankan stabilitas inherent CL-20; suhu puncak (T_p0) dan suhu ledak kritis (T_b) tetap tidak berubah dibandingkan CL-20 mentah. Pengukuran sensitivitas dampak (Gambar 6) menunjukkan peningkatan progresif H₅₀ dengan beban GO yang lebih tinggi: CL-20/GO₅ mencapai >150 cm, sedangkan CL-20 mentah ~60 cm. Komposit rGO menunjukkan nilai H₅₀ yang lebih rendah (misalnya, CL-20/rGO₅ ~120 cm) karena interaksi grup fungsi yang berkurang. Pelumas dan dispersi panas yang ditingkatkan yang disediakan oleh lapisan GO mengurangi pembentukan titik panas dan jaringan dislokasi selama dampak, sehingga menurunkan sensitivitas. Secara kolektif, hasil ini mengonfirmasi bahwa ball milling menghasilkan komposit CL-20/GO nanoskala yang baik morfologis dan terdesensitisasi mekanis, tanpa mengorbankan performa termal.

Kesimpulan

Pendekatan ball milling yang dapat diskalakan yang dijelaskan di sini menghasilkan komposit CL-20/grafit oksida dengan ukuran butir ~200 nm, morfologi bola, stabilitas termal yang setara, dan penurunan sensitivitas dampak yang mencolok. Proses memanfaatkan grup oksigen GO untuk membentuk antarmuka non-kovalen yang kuat yang menekan agregasi dan mempromosikan eksfoliasi yang efisien. Metode ini menghilangkan kebutuhan untuk langkah reduksi kimia terpisah dan dapat dengan mudah disesuaikan dengan sistem energi lainnya (misalnya, komposit GO termuat logam atau polimer). Material yang dihasilkan adalah kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi booster atau properelan di mana keselamatan dan performa harus diimbangi.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

CL-20:

2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane

E_a:

Energi aktivasi aparen

EPDM:

Etilen-propilena-dien monomer

FESEM:

Mikroskopi elektron pemindai pemancar medan

GEMs:

Bahan grafen

GIMs:

Bahan grafit

GO:

Grafit oksida

H₅₀:

Ketinggian khusus

HEs:

Bahan peledak tinggi

HMX:

1,3,5,7-teranitro-1,3,5,7-tetrazocine

NC:

Nitrocelulosa

PBXs:

Peledak terikat polimer

PDF:

Format dokumen portabel

RDX:

Heksahidro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine

rGO:

Grafit oksida yang direduksi/grafen

ΔG^≠:

Energi bebas aktivasi

ΔH^≠:

Entalpi aktivasi

ΔS^≠:

Entropi aktivasi