CN104391005A - 一种高机械感度含能材料溶解热的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高机械感度含能材料溶解热的测量装置及方法，是为了解决现有量热仪测量高机械感度含能材料溶解热时由于刺破、撞击等操作导致危险事故，使得溶解热无法测量或者无法准确测量的问题。该装置将含能材料盛放在样品槽中，经过电动机搅拌后，通过离心及浸润作用将溶质溶解于溶剂中，通过传感器将样品与参比的热量差传给记录仪，记录仪将热量变化的信号再以热流的形式记录下来。本发明公开的高机械感度含能材料溶解热的测量方法包括六个步骤。本发明可用于量热仪测量含能材料的溶解热，可实现均匀搅拌，避免了刺破、撞击等危险操作，降低了测试过程的风险，提高了实验数据的准确性。

Description

一种高机械感度含能材料溶解热的测量装置及方法

技术领域

本发明属于物理化学测试领域，主要涉及高机械感度含能材料溶解热的测量装置及方法。

背景技术

溶解热是指在特定条件下一定量溶质溶于一定量溶剂时产生的热量。相对于含能材料制备工艺来说，溶解热是一个重要参量，关系到含能材料在合成和制备过程中的工艺安全和质量控制。高机械感度含能材料是指材料自身具有较高能量，同时机械感度高，在冲击、摩檫等机械刺激作用下易发生分解，引发爆燃现象。例如奥托金、1,3,3,5,7,7-六硝基-1,5-二氮杂环辛烷、硝化甘油、多硝基的呋咱类炸药等。

传统测量溶解热采用量热计法测量溶质溶解热，量热计法是根据溶质溶解后温度传感器的变化来计算热量，不考虑容器散失的热量，适合于测试剧烈的热量变化，测量精度有待提高。目前测量溶解热广泛采用的是卡尔文式量热法，其采用三维量热原理，具有较高的灵敏度和准确性，所采用的仪器有C80，C500，BT2.15等微量热仪。C80采用体积约为6mL、带有搅拌功能的具膜混合池，混合池由中间的薄膜分为上下两个腔体，一个腔体盛放溶剂，另一个腔体盛放溶质，薄膜采用聚四氟乙烯或者铝箔(厚约0.05mm)材料，待达到热平衡后，用搅拌杆同时将参比池和测量池的薄膜刺破并搅拌，使溶质和溶剂接触，并在搅拌作用下充分混合，记录混合过程的热流曲线；C500测量溶解热是将溶剂和溶质分别加入到一个小玻璃试管和一个大玻璃试管里面，小试管刚好嵌入大试管，两个试管底部保持一定高度，然后采用一端尖锐的金属杆刺破小试管底部，达到混合的目的。BT2.15微量热仪也是采用撞击、刺破的方法来达到溶剂和溶质混合的目的。总之，以上的测量方法都是通过破坏隔膜的方式来实现溶质与溶剂混合的，但对于高机械感度的含能材料，这种方法是不可行的：(1)撞击、刺破等剧烈操作方式引发的撞击能和摩擦能会引起含能材料的分解乃至燃爆，造成仪器损坏和人身伤害等严重的后果；撞击、刺破这些操作所使用的搅拌桨、搅拌杆均为金属材料，使用过程中因摩擦或撞击易产生火花、静电，也会引发含能材料燃爆，造成安全事故。(2)撞击、刺破操作剧烈，不仅给实验测量带来巨大的扰动，而且产生的薄膜碎片、玻璃残渣进入混合溶液中，给测试结果带来偶然误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对高机械感度含能材料溶解热无法测量的问题，提供一套本质安全的溶解热测试装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所提供的高机械感度含能材料溶解热测量装置，包括混合搅拌单元、测试单元和炉体。

所述的混合搅拌单元上端是电动机，电动机下端装配有齿轮，齿轮要有足够的硬度，以保证在转动过程中不会发生变形，材料不限。

所述的混合搅拌单元中间部位是连接杆，连接杆为圆柱体，上端装有齿轮，与电动机下端装配的齿轮大小相匹配，参比和样品的齿轮分别安装在电动机齿轮的左右两侧；连接杆中间装有密封盖，密封盖中央有圆孔，可紧密的套在连接杆上上下滑动，密封盖内侧有内螺纹，可以和溶剂槽螺接，密封盖与溶剂槽的接触部位装有垫圈，起密封作用，保证量热的准确性；连接杆下端带有一段外螺纹，用于和小搅拌器的内螺纹螺接，连接杆为金属材料，防止在使用过程发生变形。

所述的混合搅拌单元下端是一个小搅拌器，包括内螺纹、样品槽、连接圆柱、搅拌头，均为聚四氟乙烯材料，小搅拌器与连接杆的螺接方向和电动机的旋转方向是相反的，以防止在电动机搅拌期间发生螺纹松动脱落。样品槽为圆锥形槽，倾角小于45度，由一个同轴的圆柱分别将几个样品槽和搅拌头连接在一起。样品槽用来盛放含能材料，再由它将含能材料放到盛有溶剂的溶剂槽里面。

所述的测试单元由传感器、连接线、记录仪组成。传感器紧密环绕在溶剂槽周围，监测样品槽的热量变化，并将样品与参比的热量差通过线路传递给记录仪，记录仪将热量变化的信号再以热流的形式记录下来。

所述的炉体包括传热层、隔热层、加热元件、外壳。从外到内依次是外壳、隔热层、加热元件、传热层，其中隔热层的作用是将炉体的内部与环境隔离，起保温炉体的作用，加热元件可以对炉体进行程序升温，满足试验对温度的要求，传热层的作用是将加热元件产生的热量传递给样品和参比。

为解决上述技术问题，本发明提供了测量高机械感度含能材料溶解热的方法。步骤一：将连接杆与小搅拌器组装；步骤二：分别称取溶质和溶剂；步骤三：经过搅拌后通过离心及浸润作用将溶质溶解于溶剂中；步骤四：通过记录仪记录热流随时间的变化曲线；步骤五：对热流随时间的变化曲线积分求面积得到溶解热数据；步骤六：给出溶解热数据报告。这种方法可以有效地避免现有的测量过程中撞击、刺破等危险操作。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)采用本发明，将含能材料盛放在样品槽中，再将样品槽放到溶剂里面，经过电动机搅拌后，通过离心及浸润作用将溶质溶解于溶剂中，避免了由于撞击、刺破等危险操作引起的事故。

(2)本发明的小搅拌器由聚四氟乙烯材料制备，避免了在旋转时产生火花、静电等引起燃爆事故；与此同时，避免了撞击、刺破产生的薄膜碎片、玻璃残渣进入混合溶液带来的实验误差。

附图说明

图1本发明提供的高机械感度含能材料溶解热测量装置的总体构成示意图。

1—电动机，2—齿轮(电动机)，3—齿轮(连接杆)，4—外螺纹(连接杆)，5—内螺纹(小搅拌器)，6—传热层，7—隔热层，8—样品槽，9—连接圆柱，10—搅拌头，11—溶剂槽，12—加热元件，13—外壳，14—传感器，15—外螺纹(溶剂槽)，16—内螺纹(密封盖)，17—垫圈，18—密封盖，19—记录仪，20—连接线，21—连接杆。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如附图所示，本发明包括混合搅拌单元、测试单元、炉体。

混合搅拌单元上端是电动机[1]，电动机[1]下端装配有电机齿轮[2]。混合搅拌单元中间部位是一个圆柱体的连接杆[21]，连接杆[21]上端为连接杆齿轮[3]，与电动机[1]下端装配的电机齿轮[2]大小相匹配，参比和样品的连接杆齿轮[3]分别安装在电机齿轮[2]的左右两侧，并与电机齿轮[2]齿接。连接杆[21]中间装有密封盖[18]，密封盖[18]可紧密的套在连接杆[21]上上下滑动，密封盖[18]内侧有内螺纹[16]，可以和溶剂槽[11]螺接，密封盖[18]与溶剂槽[11]的接触部位装有垫圈[17]。连接杆[21]下端带有一段外螺纹[4]，用于和小搅拌器的内螺纹[5]螺接。

混合搅拌单元下端是一个小搅拌器，包括内螺纹[5]、样品槽[8]、连接圆柱[9]、搅拌头[10]，整个小搅拌器均为聚四氟乙烯材料，小搅拌器与连接杆[21]的螺接方向和电动机[1]的旋转方向是相反的，样品槽[8]为圆锥形槽，倾角小于45度，由一个同轴的连接圆柱[9]分别将几个样品槽[8]和搅拌头[10]连接在一起。

测试单元由传感器[14]、连接线[20]、记录仪[19]组成。传感器[14]紧密环绕在溶剂槽[11]周围，监测溶剂槽[11]的热量变化，并将样品与参比的热量差通过线路传递给记录仪[19]，记录仪[19]将热量变化的信号再以热流的形式记录下来。

炉体包括传热层[6]、隔热层[7]、加热元件[12]、外壳[13]。从外到内依次是外壳[13]、隔热层[7]、加热元件[12]、传热层[6]，其中隔热层[7]的作用是将炉体的内部与环境隔离，起保温炉体的作用，加热元件[12]可以对炉体进行程序升温，满足试验对温度的要求，传热层[6]的作用是将加热元件[12]产生的热量传递给样品和参比。

以硝化甘油在乙酸乙酯(质量比为1：3)中溶解热实验为例，介绍本装置的使用方法。

将连接杆与小搅拌器组装，将测试单元电路接通并调试好，通过减量法称取硝化甘油0.3716g，同时在测量和参比的溶剂槽里面分别称量1.1148g乙酸乙酯(AR)，然后将测量和参比的小搅拌器、溶剂槽一起分别放入恒温25℃的炉体中，拧紧密封盖，保持样品槽未没入溶剂中。待仪器基线稳定后，将样品和参比同时没入盛有溶剂的溶剂槽里面，再确保连接杆的齿轮和电动机的齿轮吻合，然后开动电动机开始搅拌，等没有明显的热流变化时，关闭电动机，保存实验数据，积分得到溶解热数据29.6J/g，将测量和参比的小搅拌器和溶剂槽缓慢拿出，用溶剂和蒸馏水处理干净，干燥后将测量和参比的小搅拌器和连接杆拆除后放置。

Claims (2)

1.一种高机械感度含能材料溶解热的测量装置，其特征在于：包括混合搅拌单元、测试单元、炉体；

混合搅拌单元包括电动机[1]、电机齿轮[2]、连接杆齿轮[3]、连接杆[21]、外螺纹[4]、内螺纹[5]、外螺纹[15]、内螺纹[16]、垫圈[17]、密封盖[18]、样品槽[8]、连接圆柱[9]、搅拌头[10]、溶剂槽[11]；

电动机[1]位于所述混合搅拌单元上端，电动机[1]下端装配有电机齿轮[2]；连接杆[21]上端为连接杆齿轮[3]，连接杆齿轮[3]与电机齿轮[2]齿接，连接杆[21]中间装有密封盖[18]，密封盖[18]和溶剂槽[11]螺接，密封盖[18]与溶剂槽[11]的接触部位装有垫圈[17]，连接杆[21]下端设有外螺纹[4]，连接杆[21]和小搅拌器螺接；

小搅拌器包括内螺纹[5]、样品槽[8]、连接圆柱[9]、搅拌头[10]，小搅拌器位于混合搅拌单元下端，小搅拌器设有内螺纹[5]，连接杆[21]与小搅拌器螺接；样品槽[8]、连接圆柱[9]、搅拌头[10]均为聚四氟乙烯材料，样品槽[8]为圆锥形槽，倾角小于45度，由一个同轴的连接圆柱[9]分别将几个样品槽[8]和搅拌头[10]连接在一起；

测试单元由传感器[14]、连接线[20]、记录仪[19]组成；传感器[14]环绕在溶剂槽[11]周围，传感器[14]与记录仪[19]通过连接线[20]连接；

炉体从外到内依次设有外壳[13]、隔热层[7]、加热元件[12]、传热层[6]。

2.一种高机械感度含能材料溶解热的测量方法，其特征在于分为以下几个步骤；步骤一：将连接杆与小搅拌器组装；步骤二：称取溶质和溶剂；步骤三：溶质经过搅拌、离心、浸润溶解于溶剂中；步骤四：得到热流随时间的变化曲线；步骤五：对热流随时间的变化曲线积分得到溶解热数据；步骤六：给出溶解热数据报告。