CN103864035B

CN103864035B - 一种叠氮化合物及其合成方法以及作为耐高温起爆药的应用

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Publication number: CN103864035B
Application number: CN201410099932.6A
Authority: CN
Inventors: 盛涤伦; 陈利魁; 朱雅红; 杨斌; 张裕峰
Original assignee: No213 Research Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No213 Research Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: CN103864035A

Abstract

本发明提出了一种叠氮化合物及其合成方法以及作为耐高温起爆药的应用,叠氮化合物的化学名称为叠氮化镉，分子式为Cd(N₃)₂；通过硝酸镉溶液和叠氮化钠溶液在要求的反应温度、物料配比、加料顺序、反应时间和反应液的pH值下进行反应，得到叠氮化镉。通过测试对叠氮化镉性能进行了综合评价：CA的撞击感度相当于叠氮化铅，而摩擦感度、静电感度要比叠氮化铅钝感得多。CA的分解峰温度比叠氮化铅高，达到334℃～370℃，爆炸温度达到417℃～426℃。CA的起爆威力比叠氮化铅要大。CA可以代替叠氮化铅用于耐高温雷管以及各种小型雷管中。

Description

一种叠氮化合物及其合成方法以及作为耐高温起爆药的应用

技术领域

本发明涉及火工品技术领域，具体为一种叠氮化合物及其合成方法以及作为耐高温起爆药的应用。

背景技术

近年来，无论是在民用上还是在军事上，火工品的使用环境愈来愈恶劣。根据环境效应分析，火工品所遇到的极限服役环境主要有复杂电磁干扰环境，恶劣力学环境，极端高温高湿等自然气候。火工品在这种极限的电磁、力、温度、湿度等多种应力作用下服役，其性能将可能受到变化和损坏，以至于发生误作用和不作用。起爆药是火工品的关键含能材料，它是火工品可靠作用的能源，同时也是发生损伤失效与意外事故的根源。

在军事上，弹药中火工品要求能够耐高温暴露和瞬间烤爆，例如：某些战场环境与设备仓内，弹药高温暴露温度达到160℃，速射火炮弹药炮膛温度达到200℃。远程发射弹药与高速机载弹药要求能够承受反复的空气动力效应而产生的高温加热和气压变化，常规火工品及装药在高温和低压下不稳定，甚至导致武器失效。

在民用上，油气井和地下探测作业使用的爆破器材中也急需耐高温起爆药，根据现场测试报道：井深2000m，温度为100℃；井深3000-4500m，温度为200℃；井深6000-7000m，温度为300℃；井深15000-20000m，温度为400℃；爆破器材极限热安定性条件为：要在该相应条件下，6小时以内爆炸性能不应有变化，在24小时内不应发生自爆。某些使用环境的耐温时间甚至达到150小时。

因此，研制一种耐高温起爆药一直是世界各国倍受关注的科学问题，对于提高军事和民用各类火工品的安全性和可靠性都具有十分重要意义。

目前，在我国常用的典型起爆药当中，具有显著耐温性能的品种没有。典型起爆药的耐温性能对比见表1。

表1：典型起爆药的耐温性能对比

从上表可以看出，耐温性能最好的是BNCP与LA，但是经过这两种装药的火工品的实际应用表明，它们仍然不能够通过250℃，6小时的高温试验。

发明内容

要解决的技术问题

为解决目前对耐高温起爆药的需求问题，本发明提出了一种叠氮化合物及其合成方法以及作为耐高温起爆药的应用。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种叠氮化合物，其特征在于：叠氮化合物的化学名称为叠氮化镉，分子式为Cd(N₃)₂，结构式为

所述一种叠氮化合物，其特征在于：叠氮化镉的外观为白色棱形片状结晶体，粒度均匀，粒度在30μm～60μm。

所述一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：将四水合硝酸镉用蒸馏水溶解，配置成硝酸镉溶液，再用稀硝酸将硝酸镉溶液的pH值调成2～4，得到反应底液；将叠氮化钠用蒸馏水溶解，配成叠氮化钠溶液，其中叠氮化钠与硝酸镉的摩尔比为2:1；

步骤2：将装有反应底液的反应瓶水浴加热至60℃±5℃，并匀速搅拌反应底液；

步骤3：将叠氮化钠溶液以每分钟约3ml～5ml的速度加入到装有反应底液的反应瓶中，在60℃±5℃恒温下搅拌反应溶液，继续反应至少20分钟；

步骤4：将反应溶液冷却至室温，过滤出白色结晶产物，用乙醇洗涤白色结晶产物，在60℃±5℃下烘干，得到叠氮化镉。

所述一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：步骤1中配置的硝酸镉溶液质量浓度为15%～30%，配成的叠氮化钠溶液质量浓度为10%～20%。

所述一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：步骤1中配置的硝酸镉溶液质量浓度为20%，配成的叠氮化钠溶液质量浓度为13%。

所述一种叠氮化合物作为耐高温起爆药用于军用耐温雷管、深井石油开采爆破装置或工程雷管中。

有益效果

本发明从叠氮化合物中发掘新的耐高温起爆药——叠氮化镉，公布了叠氮化镉（CA）的基本性能，并对其性能进行了综合评价：CA的撞击感度相当于叠氮化铅，而摩擦感度、静电感度要比叠氮化铅钝感得多。CA的分解峰温度比叠氮化铅高，达到334℃～370℃，爆炸温度达到417℃～426℃。CA的起爆威力比叠氮化铅要大。CA可以代替叠氮化铅用于耐高温雷管以及各种小型雷管中。

附图说明

图1：叠氮化镉的外观与晶体形貌；

图2：叠氮化镉的红外图谱分析；

图3：CA的DSC热分解。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明的目的之一是公开了一种耐高温起爆药——叠氮化镉，简称CA，其分子式为：Cd(N₃)₂。

本发明的目的之二是公开了一种新型耐高温起爆药CA的制备原理及其步骤、工艺条件。

本发明的目的之三是公开了CA基本性能及其评价，根据其特性和测试结果表明，CA可以作为耐高温起爆药用于深井石油开采爆破装置、工程雷管以及军用耐温雷管中。

首先本发明从叠氮化合物中发掘新的耐高温起爆药。镉是周期表中第ⅡB族元素中锌、镉、汞之一。ⅡB族元素各元素最外电子层有2个s电子，次外层有18个电子，由于18个电子层结构对原子核的屏蔽作用较小，因此它们的有效核电荷较大，造成它们的离子半径与活泼性均比同周期的碱土金属元素小，利于形成稳定性的化合物。ⅡB族元素中，锌化学活性高，而汞毒性大，所以目标为合成叠氮化镉。

本实施例设计并合成了一种叠氮化合物——叠氮化镉，CadmiumAzide，简称CA，分子式为Cd(N₃)₂，相对分子质量：196.46，结构式为

该叠氮化合物及其合成方法迄今未见国内外文献报道，而且也没有关于CA的专利报道。

合成叠氮化镉的反应式为：

Cd(NO₃)₂＋2NaN₃→Cd(N₃)₂+2NaNO₃

具体的步骤为：

步骤1：将46.3g（0.15mol）四水合硝酸镉用185ml的蒸馏水溶解，配置成质量浓度为20%的硝酸镉溶液，再用质量分数为10%～20%的稀硝酸将硝酸镉溶液的pH值调成2～4，得到反应底液；将19.5g（0.3mol）叠氮化钠用130ml的蒸馏水溶解，配成质量浓度为13%的叠氮化钠溶液，其中叠氮化钠与硝酸镉的摩尔比为2:1。

步骤3：将叠氮化钠溶液以每分钟约3ml～5ml的速度加入到装有反应底液的反应瓶中，在60℃±5℃下搅拌反应溶液，继续反应2小时。

采用硝酸镉和叠氮化钠为原材料合成叠氮化镉，合成中关键技术是控制反应的温度、物料配比、加料顺序、反应时间和反应液的pH值。根据以上CA合成步骤和已确定的工艺条件，连续进行了10批稳定批合成试验。产率在67.1%～73.9%。

CA外观：白色棱形片状结晶体，粒度均匀。粒度在30μm～60μm。见图1。

红外图谱：美国尼高力公司Magna-760傅立叶红外光谱仪（KBr压片，扫描范围4000～400cm-1)。其中2102.70cm^-1、1360.69cm^-1、666.32cm^-1是典型无机离子N₃ ^-的吸收峰。见图2。

DSC热分析：美国TA公司Q1000型DSC分析仪（N₂气氛，流速为20mL/min，升温速率10℃/min）。CA为单峰分解，起始分解温度为：334.0℃，放热峰温度为：369.8℃、放热量为：894.9J/g。热分解为直接分解，放热峰型尖锐，放热量大，具有显著的起爆药放热特征。见图3。

按照GJB5891.28-2006、GJB5891.29-2006测定CA的爆热为：1385J/g，比容为：355ml/g。CA的爆热和比容相当于叠氮化铅（分别为：1536J/g、308ml/g）。

按照GJB5891.20-2006标准，用BDY-2型爆发点测定仪，测定了CA的5S延滞期爆发点高于：673K，即400℃。爆发点均高于叠氮化铅、斯蒂芬酸铅、BNCP、四氮稀等常规起爆药。见表2。压好装有CA起爆药的电极塞，将其放于防爆罐中，在高温烘箱中进行烤爆试验。在280℃下，2小时未发现爆炸，药剂也未变色。CA具有良好的耐热性能。

按照GJB5891.21-2006标准测定CA的爆速为（密度：2.80g/cm³）为：5155m/S，4902m/S。钢凹深度为：0.76mm和0.83mm。CA的爆速相当于叠氮化铅（5180m/s，密度4.0g/cm³）。

按照GJB5891.22-2006标准测定CA的撞击感度为：H₅₀%=16.9cm，标准偏差为：5.5cm。试验条件：800g落锤，20mg药量，压装于火帽。CA的撞击感度相当于叠氮化铅（H₅₀%=16.8cm）。

按照GJB5891.24-2006标准测定了CA的摩擦感度，平均发火率为（两组）：26%（28%、24%）。（试验条件：摆锤摆角：70°，表压为1.23MPa，药量20mg）。CA的摩擦感度较低，钝感于叠氮化铅（发火率为64%(72%，56%)）。

按照GJB5891.25-2006标准测定CA的火焰感度为：50%的发火率为：6.1cm，试验发数为37发（有效发数为30发）。CA的火焰感度钝感于叠氮化铅（50%的发火率为18.0cm）。

按照GJB5891.27-2006标准测定CA的静电感度为：正极（1.00mm间隙、0.22μF、240kΩ）：在最大电容0.22μF，最大电压7.00kV条件下，都未见发火。负极（1.00mm间隙、0.22μF、240kΩ）：在最大电容0.22μF，最大电压7.00kV条件下，都未见发火。

按照GJB5891.26-2006标准测定CA的桥丝起爆感度为：50%的发火电流：583.33mA，标准偏差为：37.84mA（Φ30μm的Ni-Cr丝，电阻1-2Ω，20mg的药量，电极塞内径为5.6mm）。CA与其它药剂桥丝起爆感度的比较见下表。

表2：CA与其它药剂桥丝起爆感度的比较

CA能够可靠被桥丝起爆，桥丝发火感度稍钝感于叠氮化铅。

按照GJB5891.12-2006、GJB5891.16-2006测定CA的真空安定性与相容性，CA在100℃、连续40小时、真空状态下，放气量仅为0.62ml/g，CA的真空安定性良好。CA与Ni-Cr丝、HMX、RDX、PETN相容。

按照工业电雷管GB8031-87和工业火雷管GB13230-91标准，测定了CA在各种状态下的极限起爆药量。主要结果见下表。

表3：CA在各种状态下的极限起爆药量

CA的极限药量仅为10mg，低于常规起爆药。

综合上述测试结果：CA的撞击感度相当于叠氮化铅，而摩擦感度、静电感度要比叠氮化铅钝感得多，CA的分解峰温度比叠氮化铅高，达到334℃～370℃，爆炸温度达到417℃～426℃。CA的起爆威力比叠氮化铅要大。基于CA基本性能及其评价，上述特性和测试结果表明，CA可以作为耐高温起爆药用于军用耐温雷管、深井石油开采爆破装置以及工程雷管中。

Claims

1.一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤3：将叠氮化钠溶液以每分钟3ml～5ml的速度加入到装有反应底液的反应瓶中，在60℃±5℃恒温下搅拌反应溶液，继续反应至少20分钟；

2.根据权利要求1所述一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：步骤1中配置的硝酸镉溶液质量浓度为15％～30％，配成的叠氮化钠溶液质量浓度为10％～20％。

3.根据权利要求2所述一种叠氮化合物的合成方法，其特征在于：步骤1中配置的硝酸镉溶液质量浓度为20％，配成的叠氮化钠溶液质量浓度为13％。