一种NTO与ATO共晶炸药及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高能低感共晶炸药及其制备方法，具体涉及NTO与ATO共晶炸药及其制备方法，属于含能材料领域。

背景技术

三唑酮类氮杂环化合物具有密度大、含氮量高和生成热高等特点，在含能材料领域应用广泛。其中，3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)作为三唑酮类氮杂环炸药的代表，以其能量水平高、安全性能好、合成工艺简单和制造成本低等特点，受到国内外学者的普遍关注。目前，NTO已在多国军队的不敏感弹药配方中使用，可见其具有良好的应用前景。

然而，NTO的酸性问题限制了其更广泛的应用。NTO分子结构中的硝基和羰基具有较强的吸电子效应，且位于NTO三唑环上4位氮原子的临位，使其4位上的H更容易被电离。因此，当NTO存在于电解质环境中便会表现出较强的酸性(pKa＝3.76)。NTO在贮存、运输或使用的过程中，会不可避免的接触空气中的水(电解质)环境，从而引起对武器装备的酸性腐蚀，直接影响武器装备的寿命和使用效果，乃至威胁人员和武器装备的安全。因此，如何降低或解决NTO的酸性一直是科研人员所关注的焦点。

利用共晶技术可将不同分子通过分子间非共价键作用，结合在同一晶胞中，形成具有新型结构和性能的多组分分子晶体。5-氨基-1,2,4-三唑-3酮(ATO)与NTO类似，同样属于三唑酮类氮杂环化合物，具有密度大和氮含量高的优点。将二者通过共晶技术形成NTO/ATO共晶炸药后，有望在不降低能量和安全水平的前提下，通过分子内(间)氢键等作用力抑制NTO三唑环中H的解离，有效改善NTO的酸性问题。目前，有关NTO/ATO共晶炸药的制备无公开文献报道。

发明内容

本发明的目的是为了改善NTO酸性对武器装备造成的腐蚀问题，提供了一种3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)和5-氨基-1,2,4-三唑-3-酮(ATO)共晶炸药及其制备方法，该方法在降低了NTO酸性的同时，为高能低感含能材料的制备提供一种新的方法。

为解决上述问题，本发明通过下述技术方案实现。

一种NTO与ATO的共晶炸药，该共晶炸药分子式为C

一种NTO和ATO共晶炸药的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、NTO和ATO混合溶液的制备

室温下，用低浓度的硝酸溶液将去离子水的pH值调至2～3，并用其配置指定溶剂。将适量NTO溶解于该指定溶剂中，随后在NTO溶液中加入适量ATO。最后进行超声处理使其充分混合，得到NTO和ATO的混合溶液；

步骤二、NTO/ATO共晶炸药的制备

将步骤一制得的混合溶液静置于恒温环境(15～45℃)中，缓慢挥发溶剂，有晶体生成，经过滤、干燥获得NTO/ATO共晶炸药。

所述指定溶剂水或水与甲醇、水与乙醇的一定比例混合物，其中混合溶剂中水与有机溶剂的体积比为1:1、1:2、2:1。

上述步骤中NTO与ATO的摩尔比为1:1。

NTO/ATO共晶炸药可用于压装、熔铸和浇注三种装药形式的混合炸药中，并可应用于破甲、杀爆和侵彻等战斗部中。

有益效果

1、本发明制备的NTO/ATO共晶炸药pKa＝8.72，远小于NTO，有效改善了NTO中H解离所引起的酸性问题。

2、本发明制备的NTO/ATO共晶炸药，结构单元中引入了一个水分子，可使共晶中形成多种氢键作用，提高共晶结构的稳定性。此外，共晶中的水分子可以吸收更多热点，降低该共晶炸药的机械感度。

3、本发明的制备工艺简单、操作简便、易于制作，实验条件温和，生产成本低。

附图说明

图1为NTO/ATO共晶炸药的分子结构图；

图2为NTO/ATO共晶炸药的扫描电镜图；

图3为NTO/ATO共晶炸药和各组分的红外吸收光谱

图4为NTO/ATO共晶炸药和各组分的X射线粉末衍射图；

图5为NTO/ATO共晶炸药和各组分的拉曼光谱；

图6为NTO/ATO共晶炸药的热分析图。

具体实施方式

为使本发明的实验技术方案更加清晰，下面结合附图和和实例对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

在玻璃瓶中加入50mL去离子水，用低浓度的硝酸溶液将去离子水的pH值调至2，随后加入0.049g NTO和0.036gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至45℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。

实施例2

在玻璃瓶中加入100mL去离子水，用低浓度的硝酸溶液将去离子水的pH值调至2.5，随后加入0.098g NTO和0.072gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至35℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。该共晶炸药的热分解温度为242.89℃。该共晶炸药的撞击感度＞40J，优于NTO(15J)；该共晶炸药的摩擦感度＞360N，与NTO(＞360N)处于同一水平，表面NTO/ATO共晶炸药是一种对机械刺激不敏感的炸药。

实施例3

在玻璃瓶中加入50mL去离子水，用低浓度的硝酸溶液将去离子水的pH值调至3，随后加入0.049g NTO和0.036gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至25℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。测得该共晶炸药的酸性解离常数pKa值，为8.72。该共晶炸药pKa值远大于NTO，表明NTO/ATO共晶炸药的酸性弱于NTO，提高了使用安全性。

实施例4

在玻璃瓶中加入200mL去离子水和100mL无水乙醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至2，随后加入0.196g NTO和0.144gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至40℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。将该共晶炸药直接放置于45

实施例5

在玻璃瓶中加入25mL去离子水和50mL无水乙醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至2.5，随后加入0.025g NTO和0.018gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至30℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。该共晶炸药撞击感度＞40J、摩擦感度＞360N。

实施例6

在玻璃瓶中加入500mL去离子水和250mL无水乙醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至3，随后加入0.49g NTO和0.36gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至20℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。

实施例7

在玻璃瓶中加入2500mL去离子水和2500mL无水甲醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至2，随后加入2.5gNTO和1.8gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至35℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。测得该共晶炸药的酸性解离常数pKa值，为8.72。该共晶炸药撞击感度＞40J、摩擦感度＞360N。该共晶炸药的爆速为8320m/s,基本与NTO(8550m/s)处于同一水平。在保证了能量水平的同时，NTO/ATO共晶炸药的形成解决了NTO的酸性问题，并小幅度降低了NTO对机械刺激的敏感性。

实施例8

在玻璃瓶中加入25mL去离子水和50mL无水甲醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至2.5，随后加入0.025g NTO和0.018gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至25℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。

实施例9

在玻璃瓶中加入50mL去离子水和25mL无水甲醇，用低浓度的硝酸溶液将溶液的pH值调至3，随后加入0.049g NTO和0.036gATO。将玻璃瓶超声震荡直至NTO、ATO颗粒完全溶解。在将恒温箱温度调至15℃，恒温条件下缓慢蒸发溶剂，待大量晶体析出后，过滤、干燥，获得NTO/ATO共晶炸药。

采用单晶X射线衍射仪对NTO/ATO共晶炸药的结构进行了确认，分子结构如图1所示。从结果可以看出：NTO分子、ATO分子和水分子以摩尔比1:1:1，通过N-H…O、O-H…O、N-H…N等相互作用形成共晶炸药。其晶胞参数为：a＝10.3737(11)，b＝17.138(2)，c＝12.1635，β＝113.007(4)。

采用扫描电镜、红外光谱、粉末衍射、拉曼光谱和热分析等方法对NTO/ATO共晶炸药进行了结构表征。

图2为NTO/ATO共晶炸药的扫描电镜图。从图2中可以看出，NTO/ATO共晶炸药呈针状。图3为NTO/ATO共晶炸药和各组分的红外吸收光谱。从图3中可以看出，与NTO和ATO相比，共晶炸药的有新的特征峰出现(如在1242.1cm

图6为NTO/ATO共晶炸药的热分析图。在102.61℃时，共晶出现第一次失重过程，同时伴随吸热现象，吸热峰峰值温度为112.43℃，这是由于共晶脱去其中的结晶水造成的。共晶的第二次失重过程在233.09℃，伴随放热现象，放热峰峰值温度为242.89℃，即NTO/ATO共晶炸药的热分解温度。

使用BAM方法对NTO/ATO共晶炸药的摩擦感度和撞击感度进行了测试，结果显示，NTO/ATO共晶炸药的撞击感度＞40J、摩擦感度＞360N,表明NTO/ATO共晶炸药的机械感度低于NTO，具有较好的安全性能。

使用滴定法测得了NTO/ATO共晶炸药的酸性解离常数pKa值，为8.72，远大于NTO，表明NTO/ATO共晶炸药的酸性弱于NTO。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。