Peningkatan Keamanan Eksplosif Nitramin melalui Polimerisasi Antarmuka Resin Melamin-Urea-Formaldehida

Abstrak

Untuk meningkatkan keamanan amunisi berbasis ammonium nitrate, kami menggunakan perekat melamin-urea-formaldehida (MUF) untuk memproduksi eksplosif terikat polimer hijau (GPBX) dengan tiga inti nitraman benchmark—HMX, RDX, dan CL-20—menggunakan polimerisasi antarmuka. Untuk perbandingan, komposit identik juga disiapkan dengan campuran fisik dan metode pengeringan mandi yang dimodifikasi. Partikel inti-kulit yang dihasilkan dikarakterisasi dengan mikroskopi elektron pemindai (SEM), difraksi sinar X bubuk (XRD), spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR), kalorimetri pemindaian diferensial (DSC), dan pengujian sensitivitas dampak. SEM mengungkapkan lapisan MUF yang seragam pada semua tiga eksplosif; morfologi bervariasi secara jelas di antara tiga metode pembuatan, mencerminkan kemampuan perekat untuk mengisolasi dan melindungi dari stimulus eksternal. Hasil kami mengonfirmasi bahwa polimerisasi antarmuka adalah strategi desensitisasi yang efektif untuk memproduksi partikel energi inti-kulit.

Latar Belakang

Sistem senjata modern memerlukan amunisi yang menggabungkan performa tinggi dengan keamanan yang kuat. Nitraman energi konvensional—RDX, HMX, dan CL-20—unggul dalam kekuatan tetapi tetap sangat sensitif, menimbulkan risiko penanganan. Pengembangan eksplosif tinggi tidak sensitif (IHEs) oleh karena itu telah menjadi prioritas untuk penelitian pertahanan [1–3]. Peneliti telah mengeksplorasi pendekatan penyaringan, pelapisan, dan eutektik untuk mengurangi sensitivitas [4–9]. Teknologi pelapisan—fisik atau kimia—mengelilingi partikel energi dengan lapisan pelindung, bertujuan untuk mengurangi sensitivitas dampak dan gesekan sambil mempertahankan performa [15]. Keefektifan desain inti-kulit bergantung pada keseragaman cakupan, kekuatan mekanis, dan penahanan pembentukan diri [15]. Pilihan perekat sangat mempengaruhi morfologi partikel, distribusi ukuran, dan performa energi. Resin melamin-formaldehida (MF), meski efektif, menderita kerapuhan, biaya tinggi, dan masa simpan terbatas [16]. Sebaliknya, resin melamin-urea-formaldehida (MUF) menggabungkan keunggulan mekanis urea-formaldehida dengan sifat kaya nitrogen melamin, menawarkan perekat dan properti termal yang unggul. Studi terbaru telah menunjukkan bahwa MUF dapat meningkatkan keamanan dan stabilitas nitraman saat digunakan sebagai perekat pelapisan [16–18]. Bantuan ultrasonik telah terbukti bermanfaat dalam proses pelapisan berbasis polimer, mempromosikan dispersi seragam dan mengurangi aglomerasi [19–20]. Berdasarkan ini, kami menyintesis perekat MUF hijau melalui proses dua tahapan dan menerapkannya pada inti HMX, RDX, dan CL-20. Kami membandingkan tiga rute pembuatan—campuran fisik, metode mandi pengeringan yang ditingkatkan, dan teknik polimerisasi antarmuka yang dioptimalkan—yang masing-masing menghasilkan sembilan komposit yang berbeda (konten MUF lima persen). Pendekatan polimerisasi antarmuka menghasilkan partikel yang paling seragam, padat terlapisi dengan stabilitas termal yang unggul dan sensitivitas yang jauh lebih rendah.

Metode

Bahan

HMX, RDX, dan CL-20 dengan murni tinggi disumberkan dari Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co. Bahan baku direkristalisasi sesuai protokol [21]. Dimetil sulfoksida, Tween 80, Span 80, triethanolamin (TEOA), urea, formaldehida, asit klorida, resorsinol, klorida ammonium, dan alkohol polivinil (PVA) diperoleh dari pemasok terkemuka. Air tisu digunakan selama proses.

Sintesis MUF Resin Dua Tahapan

Langkah 1: Prepolimer urea-formaldehida dibentuk dengan bereaksi 0,62 g urea dengan 1,87 g formaldehida 37 persen dengan pengadukan pada 65 °C. pH disesuaikan menjadi 8,5–9,5 menggunakan TEOA, kemudian campuran didinginkan, dan HCl ditambahkan secara tetesan untuk mencapai pH ≈ 3,5. Langkah 2: 1,87 g prepolimer diemulsi dalam 35 mL air tisu, diikuti dengan penambahan 8 persen PVA, 0,01 g melamin, 0,125 g resorsinol, dan 0,06 g klorida ammonium. pH lagi disesuaikan menjadi ≈ 3,5, kemudian reaksi dilanjutkan pada 65 °C selama 3–4 jam. Setelah pendinginan, campuran difilter, dicuci dengan air tisu, dan dikeringkan vakum untuk menghasilkan resin MUF berkualitas tinggi (~0,3 g per batch).

Persiapan Komposit Eksplosif/MUF dengan Polimerisasi Antarmuka dan Metode Mandi Pengeringan

Kedua rute menggunakan protokol prepolimer MUF yang sama, hanya berbeda pada langkah kedua.

• Polimerisasi antarmuka: 6 g eksplosif dispersi dalam 35 mL air tisu dengan 0,01 g Span 80. Emulsi diayak pada 7.000 rad min⁻¹ selama 30 menit untuk membentuk emulsi eksplosif yang stabil, yang menggantikan air dalam urutan sintesis MUF.
• Metode mandi pengeringan: 6 g eksplosif dilarutkan dalam 35 mL DMSO pada 65 °C untuk membentuk larutan eksplosif, yang menggantikan air dalam sintesis MUF. Setelah 3–4 jam, emulsi dikeringkan pada 70 °C selama 48 jam untuk mendapatkan partikel inti-kulit.

Persiapan Komposit Eksplosif/MUF dengan Campuran Fisik

Untuk perbandingan, 6 g eksplosif dicampur dengan perekat MUF yang telah disintesis dalam 35 mL air tisu dan diaduk pada 65 °C selama 2 jam. Campuran kemudian dibiarkan berdiri, difilter, dan dikeringkan untuk menghasilkan komposit yang dicampur secara fisik.

Sampel ditetapkan sebagai berikut: polimerisasi antarmuka (sampel 1), mandi pengeringan (sampel 2), dan campuran fisik (sampel 3).

Karakterisasi

SEM (MIRA3 LMH, 10 kV) memvisualisasikan morfologi partikel. XRD (DX-2700, Cu-Kα, 1,5418 Å) memindai 5°–50° (langkah 0,03°, 6 detik). FT-IR (Nicolet FT-IR 8700) mengumpulkan 32 skan dengan resolusi 4 cm⁻¹. DSC (DSC-131) diukur pada 10 °C min⁻¹. Sensitivitas dampak ditilai dengan palu jatuh (H₅₀, sampel 30 mg, 25 percobaan). Sensitivitas gesekan menggunakan instrumen WM-1 (sampel 20 mg, 25 percobaan). Ukuran partikel diukur oleh analyzer dinamis QICPIC di bawah suhu dan kelembaban yang dikontrol.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi Sampel

Gambar SEM menunjukkan nitraman mentah sebagai kristal poligon dengan distribusi ukuran tidak merata, sedangkan perekat MUF sendirian tampak bola namun sebagian berlubang. Partikel komposit bervariasi secara nyata tergantung pada rute pembuatan:

• Campuran fisik: Inti yang terbuka dan lapisan yang tidak merata menunjukkan distribusi perekat yang buruk.
• Mandi pengeringan: Partikel padat dan tidak teratur timbul dari penguapan pelarut dan keterbatasan kelarutan dispersan dalam DMSO, yang mengarah pada re-agregasi dan bentuk yang tidak bulat.
• Polimerisasi antarmuka: Partikel seragam, halus, hampir bola dengan cakupan padat, mencerminkan basahi yang efektif dan halangan steril yang disediakan oleh PVA dan konstanta Hamaker yang dikurangi.

Struktur Kristal Sampel

Pola XRD mengonfirmasi bahwa fase kristal HMX, RDX, dan CL-20 tetap tidak berubah setelah pelapisan MUF. Puncak yang khas MUF (≈ 27° 2θ) muncul dalam semua komposit, mengindikasikan pembentukan kulit yang berhasil. Perlebaran puncak minor dan peredaman dikaitkan dengan sifat amorf MUF, yang mengganggu urutan panjang dalam lattice komposit. Spektra FT-IR menunjukkan semua grup fungsi kunci dari perekat dan inti, memverifikasi lebih lanjut bahwa fase energi terpelihara.

Properti Termal

Analisis DSC mengungkapkan bahwa pelapisan mengurangi suhu dekomposisi nitraman sebesar 2,6–10 °C. Rute polimerisasi antarmuka menghasilkan penurunan suhu terkecil (≈ 2,6 °C untuk HMX), mencerminkan cakupan yang lebih padat dan seragam. Ini menunjukkan bahwa inti yang dilapisi dengan baik mengurangi transfer panas dan mempertahankan stabilitas termal. Sebaliknya, komposit mandi pengeringan menunjukkan penurunan yang lebih besar, kemungkinan karena cakupan yang tidak merata.

Sensitivitas

Sensitivitas dampak (H₅₀) meningkat secara dramatis untuk komposit polimerisasi antarmuka: HMX dari 21,6 cm menjadi 73,4 cm, RDX dari 31,8 cm menjadi 85,6 cm, dan CL-20 dari 15,3 cm menjadi 64,0 cm. Sensitivitas gesekan mengikuti tren yang sama, dengan komposit antarmuka menunjukkan nilai terendah. Keamanan yang ditingkatkan dikaitkan dengan kulit yang seragam, yang melindungi stimulus mekanis dan menunda pembentukan hotspot. Hasil ini melebihi laporan sebelumnya yang menggunakan MF atau perekat lain [7, 18, 26].

Kesimpulan

Kami telah memproduksi sembilan komposit inti-kulit (HMX/MUF, RDX/MUF, CL-20/MUF) menggunakan tiga rute pembuatan dengan perekat MUF lima persen. XRD dan FT-IR mengonfirmasi integritas fase; DSC menunjukkan penurunan suhu dekomposisi yang modest, minimal untuk polimerisasi antarmuka. Yang paling menonjol, komposit antarmuka mencapai peningkatan H₅₀ sebesar 3–4 kali, menunjukkan keamanan yang unggul. Kulit yang padat dan seragam mereka juga meningkatkan stabilitas termal dibandingkan dengan rute lainnya. Untuk formulasi energi di masa depan, memilih MUF sebagai perekat dan menggunakan polimerisasi antarmuka direkomendasikan untuk memproduksi amunisi energi tinggi dan sensitivitas rendah yang cocok untuk senjata canggih.

Singkatan

CL-20:

Hexanitrohexaazaisowurtzitane

DSC:

Kalorimetri pemindaian diferensial

ESV:

Penguapan pelarut emulsi

FT-IR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

GPBX:

Eksplosif terikat polimer hijau

HMX:

Cyclotetramethylenetetranitramine

IHEs:

Eksplosif tinggi tidak sensitif

MF:

Melamin formaldehida

MUF:

Melamin-modifikasi urea-formaldehida

NC:

Nitroselulosa

PF:

Resin fenolik

RDX:

Cyclotrimethylenetrinitramine

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

UF:

Urea formaldehida

XRD:

Difraksi sinar X