CN108863687B - 一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火工品领域，具体是一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统及方法。系统包括：用于驱动溶剂和非溶剂溶液的流体驱动单元；重结晶单元，包括温度控制装置和微芯片，微芯片包括微混合结构，流体驱动单元驱动溶剂和非溶剂溶液在微芯片接触后，在重结晶温度下，在微混合结构的作用下实现快速混合，生成悬浮液；样品收集单元，用于收集从微芯片流出的悬浮液；连接组件，连接组件将流体驱动单元、重结晶单元和样品收集单元依次连接。本发明通过重结晶单元的温度控制装置和微混合结构，实现了溶剂和非溶剂溶液的快速混合、反应生成悬浮液，悬浮液经过洗涤、抽滤、干燥后得到晶型均一，晶貌良好，粒径分布集中的纳米炸药。

Description

一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统和方法

技术领域

本发明涉及火工品装置领域，具体是一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统，以及纳米炸药制备的方法。

背景技术

炸药作为一种含能材料，广泛应用于工程爆破、航空航天、爆炸成形、武器系统等，对推动人类社会进步起着关键作用。纳米炸药的制备是指将炸药通过物理或化学的方法将炸药的粒径降低到纳米尺度。由于尺度效应，纳米炸药具有合适的感度和优异的爆炸性能。因此，纳米炸药的制备方法被广泛研究。然而，纳米炸药的制备和实验条件的筛选需要大量重复性实验，这为现有方法快速制备和筛选纳米炸药带来难题。

目前，纳米炸药的制备方法有多种，主要包括溶胶—凝胶法、机械球磨法、雾化结晶法以及常规溶剂/非溶剂法，但现有制备方法或多或少存在缺点。其中，溶胶—凝胶法是一种通过湿化学来制备纳米炸药的方法，但该方法实验周期较长，通常需要几天或几周；机械球磨法是通过球磨介质的撞击、挤压、剪切等机械力作用而使颗粒破碎的方法，但该方法制备的纳米炸药颗粒大小不够均匀、粒径分布范围较宽、易引入杂质；雾化结晶法通过喷雾或者超声等手段使含能材料溶液雾化，形成雾状的小液滴，再进入低压热空气中，雾滴在热空气和负压条件下移向收集装置，同时溶液快速挥发，微小液滴成为过饱和溶液，炸药溶质成核析出，经生长、凝结后形成干燥的纳米炸药，但雾化结晶法制备效率低、过程条件不易控制、产物收集难；常规溶剂/非溶剂法制备和筛选纳米炸药费时费力，获得的纳米炸药粒度分布宽，晶体形貌可控性差，且对溶剂和非溶剂消耗量大，成本较高，存在环境污染的风险等。综上，现有方法操作步骤复杂、研发周期长、试剂消耗量大、重复性较差且具有潜在危险性等，难以实现纳米炸药的快速制备和筛选。

微流控技术是利用微管道精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。近几十年来，随着微流控技术的快速发展，人们开始探索微尺度下多相流液滴动力学原理及流动行为，微通道中的液滴操控技术，以及对这一技术的应用研究。与传统间歇式反应相比，微流控技术具有更高的混合效率、更快的传热传质速率、更低的试剂消耗量以及更精确的反应参数控制。

发明内容

本发明为了克服现有技术中纳米炸药制备复杂、周期长、产品性能差等的问题，提供一种基于微流控技术的纳米炸药制备与筛选系统，以及基于该系统的纳米炸药制备与筛选方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统，包括：

流体驱动单元，用于驱动制备和筛选纳米炸药所用的溶剂溶液和非溶剂溶液；

重结晶单元，包括温度控制装置和微芯片，所述微芯片设置在温度控制装置内部，所述微芯片包括微混合结构，流体驱动单元驱动溶剂溶液和非溶剂溶液在微芯片接触后，在重结晶温度下，在微混合结构的作用下实现快速混合，生成纳米炸药悬浮液；

样品收集单元，用于收集从微芯片流出的纳米炸药悬浮液；

连接组件，所述连接组件包括T型连接器和连接管道，连接组件将所述流体驱动单元、重结晶单元和样品收集单元依次连接。

所述流体驱动单元包括驱动溶剂溶液的溶剂驱动单元和驱动非溶剂溶液的非溶剂驱动单元，所述溶剂驱动单元和非溶剂驱动单元分别选自振荡流驱动和稳流驱动的任一种。

所述振荡流驱动包括高压气瓶、压力调节计、存放非溶剂溶液的密封罐和振荡器；所述稳流驱动包括泵装置和存放溶剂溶液的注射器。高压气瓶内的气体产生高压驱动密封罐中的溶液沿连接管道流向振荡器，产生振荡流；所述稳流驱动包括泵装置和存放溶剂溶液的注射器，泵装置驱动注射器中的溶液。

高压气瓶采用注射泵或者压力泵代替，所述泵装置选自注射泵、蠕动泵和齿轮泵的任一种。

所述流体驱动单元为1组，重结晶单元为2组以上，设置与重结晶单元数量相同数量的收集单元；其中每一组重结晶单元和相对应的收集单元连接成一组制备单元，多组制备单元之间并联设置，流体驱动单元分别与所述2组以上的重结晶单元连接，同时控制2组以上重结晶单元的液体输入流量和压力。

所述微混合结构选自“Y”型微混合结构，涡流型微混合结构，螺旋型微混合结构和三维分散汇合结构的任一种；所述连接管道为硅胶管道。

一种利用上述的制备系统制备纳米炸药的方法，具体步骤如下：

步骤一：将炸药溶解于溶剂，表面活性剂溶解于非溶剂，配制溶剂溶液和非溶剂溶液；

步骤二：将溶剂溶液和非溶剂溶液分别置于溶剂驱动单元和非溶剂驱动单元，设置流体驱动单元的流速和压力，备用；

步骤三：开启温度控制装置，在温度控制装置上设置重结晶温度；

步骤四：待温度加热至设定温度，开启流体驱动单元，推动溶剂溶液和非溶剂溶液流入微芯片，溶剂溶液与非溶剂溶液接触并快速混合，生成纳米炸药悬浮液；

步骤五：将从微芯片流出的纳米炸药悬浮液收集至收集单元，进行洗涤、抽滤、干燥，完成纳米炸药的制备；

改变实验条件，重复以上步骤，直至获得最优纳米炸药的制备条件，完成筛选。

溶解炸药的溶剂选自二甲亚砜和二甲基甲酰胺的任一种，溶解表面活性剂的非溶剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、羧甲基纤维素钠和烷基酚聚氧乙烯醚的任一种。

炸药溶解于溶剂的浓度范围为20～100g/L，表面活性剂溶解于非溶剂的浓度范围为0.1％mol/L～3％mol/L。

所述步骤二中压力的范围为0.5～50bar，非溶剂溶液的流速范围为1～100mL/min；溶剂溶液流速范围为0.01～50mL/min；所述步骤三中的重结晶温度的范围为-10～80℃。

本发明与传统技术相比，其显著优点为：

1.本发明的制备系统，通过设置重结晶单元，使溶剂和非溶剂具有快速混合的功能，从而能够将炸药原料细化至纳米尺度。

2.本发明通过驱动单元驱动以及微芯片加速了混合效率，使得溶剂与非溶剂在重结晶单元的滞留时间短，所制备纳米炸药的粒径分布较窄且晶体形貌均匀，具有优良的物理化学和爆炸性能。

3.利用该系统制备纳米炸药的速度快、产率高、研发周期短、能量和材料消耗量少，对环境污染小，非常适用于纳米炸药制备过程中的实验参数的优化和筛选。

4.该纳米炸药制备和筛选系统可以对重结晶单元简单并联，实现高通量筛选和批量生产。

附图说明

图1本申请基于微流控技术的纳米炸药制备和筛选系统示意图。

图2本申请基于微流控技术的纳米炸药制备和筛选并联系统示意图。

图3本申请不同微混合结构示意图。

图4本申请实施例1所得纳米六硝基芪的晶体形貌图。

图5本申请实施例1所得纳米六硝基芪的粒径分布图。

图6本申请实施例2所得纳米黑索金的晶体形貌图。

图7本申请实施例2所得纳米黑索金的粒径分布图。

附图标记说明：

1-高压气瓶，2-压力调节计，3-密封罐，4-非溶剂溶液，5-振荡器，6-连接管道，7-温度控制装置，8-微芯片，9-微混合结构，10-收集单元，11-纳米炸药悬浮液，12-溶剂溶液，13-注射器，14-注射泵，15-“Y”型微混合结构，16-涡流型微混合结构，17-螺旋型微混合结构，18-三维分散汇合结构。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于微流控技术的纳米炸药的制备和筛选系统，包括流体驱动单元，重结晶单元，样品收集单元以及连接组件。

其中，所述流体驱动单元包括振荡流和稳流两种驱动方式，振荡流驱动单元满足以一定压力实现对流体的振荡驱动即可，包括高压气瓶、压力泵等，本发明所选振荡流驱动单元包括高压气瓶1、压力调节计2、存放非溶剂溶液4的密封罐3、振荡器5。稳流驱动单元满足以固定压力实现对流体的稳定驱动即可，包括注射泵、蠕动泵、齿轮泵等以及相应的配套组件，本发明所选稳流驱动单元包括注射泵14、存放溶剂溶液12的注射器13；高压气瓶1内的气体产生高压驱动密封罐3中的非溶剂溶液4沿连接管道6流向振荡器5，产生振荡流，非溶剂溶液流向重结晶单元；注射器13内的溶剂溶液12由注射泵14驱动，沿连接组件6流向重结晶单元与非溶剂溶液汇合。

重结晶单元包括温度控制装置7和微芯片8，重结晶单元的温度由温度控制装置7控制，溶剂溶液12和非溶剂溶液4在微芯片8接触后，在微混合结构9的作用下实现快速混合；微芯片8流出的纳米炸药悬浮液11收集至收集单元10，并进行洗涤、抽滤、干燥，最终获得纳米炸药颗粒。

所述高压气瓶可以采用注射泵或者压力泵代替，也可以选用其他能够提供一定压力的装置。

所述微混合结构9可以选择的“Y”型微混合结构(15)，涡流型微混合结构(16)，螺旋型微混合结构(17)等满足快速混合功能的二维微混合结构，也可以选择三维分散汇合结构(18)。

如图2所示，一种基于微流控技术的纳米炸药制备和筛选并联系统，包括流体驱动单元，连接组件，2个以上的重结晶单元及相应的收集系统，流体驱动单元分别与这些重结晶单元相连接，同时控制这些重结晶单元的液体输入。

如图3所示，微混合结构9的具体结构，不局限于一种形状，可以是二维结构，例如“Y”型15、涡流型16、螺旋型17，也可以是三维结构，例如三维分散汇合结构18。

本发明的一种利用上述基于微流控技术的纳米炸药制备与筛选系统制备纳米炸药的方法，具体步骤如下：

步骤一，将炸药溶解于选定的溶剂中，表面活性剂溶解于非溶剂，配制溶剂溶液和非溶剂溶液；

步骤二，将溶剂溶液和非溶剂溶液置于驱动单元，并设置好驱动单元流速和相应压力，备用；

步骤三，开启温度控制装置17，在温度控制装置17上设置重结晶温度；

步骤四，待温度加热至设定温度，开启驱动单元，推动溶剂溶液和非溶剂溶液流入微芯片7，溶剂溶液与非溶剂溶液接触并快速混合，生成纳米炸药悬浮液11；

步骤五，将从微芯片8流出的纳米炸药悬浮液11收集至收集单元，并进行洗涤、抽滤、干燥，完成纳米炸药的制备。

步骤六，改变实验条件，重复以上步骤，直至获得最优纳米炸药的制备条件，完成筛选。

其中，溶解炸药的溶剂包括二甲亚砜(DMSO)或二甲基甲酰胺(DMF)，其溶解于溶剂的浓度范围为20～100g/L；溶解表面活性剂的非溶剂包括十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、羧甲基纤维素钠(CMC)或烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)，其溶解于非溶剂的浓度范围为0.1％mol/L～3％mol/L；压力的范围为0.5～50bar；非溶剂流速范围为1～100mL/min；溶剂流速范围为0.01～50mL/min；结晶温度范围为-10～80℃。

采用下面的实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1：纳米六硝基芪的制备

采用振荡流-稳流驱动单元制备纳米六硝基芪。以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，去离子水为非溶剂，十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为表面活性剂制备纳米六硝基芪。将50mg六硝基芪原料溶解于2.5mL的DMSO溶剂内，置于注射器13中，由注射泵14驱动，流速设置为1.8mL/min。CTAC溶解于去离子水形成非溶剂溶液，浓度为0.5％，将非溶剂溶液置于密封罐3中，压力调节计2将压力控制在2.5bar，流速控制在9mL/min。重结晶温度设置为18℃。开启压力调节计2开关，压力驱动非溶剂流向振荡器，并从振荡器流向重结晶单元。开启注射泵14开关，驱动注射器13中溶剂12沿连接组件6向重结晶单元输送。溶剂和非溶剂在涡流芯片中接触并快速混合，形成乳白色纳米六硝基芪溶液。将纳米六硝基芪溶液收集于收集单元，并进行洗涤、抽滤、干燥，最终获得平均粒径为265nm的六硝基芪颗粒。所得纳米六硝基芪的晶体形貌和粒径分布如下图4和5所示。从图中可知利用基于微流控技术的纳米炸药制备与筛选系统所获得的六硝基芪颗粒晶型均一，晶貌良好，粒径分布相对集中，因此本发明作为纳米炸药制备与筛选系统对于六硝基芪的纯化与细化具有明显优势。

实施例2：纳米黑索金的制备

采用振荡流-稳流驱动单元制备纳米黑索金。以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，去离子水为非溶剂，十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)为表面活性剂制备纳米黑索金。将100mg黑索金原料溶解于2.5mL的DMSO溶剂内，置于注射器13中，由注射泵14驱动，流速设置为1.1mL/min。CTAC溶解于去离子水形成非溶剂溶液，浓度为0.1％，将非溶剂溶液置于密封罐3中，压力调节计2将压力控制在2.5bar，流速控制在16.6mL/min。重结晶温度设置为20℃。开启压力调节计2开关，压力驱动非溶剂流向振荡器，并从振荡器流向重结晶单元。开启注射泵14开关，驱动注射器13中溶剂12沿连接管道6向重结晶单元输送。溶剂和非溶剂在涡流芯片中接触并快速混合，形成乳白色纳米黑索金溶液。将纳米黑索金溶液收集于收集单元，并进行洗涤、抽滤、干燥，最终获得平均粒径为352nm的黑索金颗粒。所得纳米黑索金的晶体形貌和粒径分布如图6和7所示。

从图中可知利用基于微流控技术的纳米炸药制备与筛选系统所获得的黑索金颗粒晶型均一，晶貌良好，粒径分布相对集中，因此本发明作为纳米炸药制备与筛选系统对于黑索金的纯化与细化具有明显优势。

Claims (8)

1.一种基于微流控技术的纳米炸药制备系统，其特征在于，包括：

流体驱动单元，用于驱动制备和筛选纳米炸药所用的溶剂溶液(12)和非溶剂溶液(4)；

所述流体驱动单元包括驱动溶剂溶液(12)的溶剂驱动单元和驱动非溶剂溶液(4)的非溶剂驱动单元，所述溶剂驱动单元和非溶剂驱动单元分别选自振荡流驱动和稳流驱动的任一种；

所述振荡流驱动包括高压气瓶(1)、压力调节计(2)、存放非溶剂溶液的密封罐(3)和振荡器(5)，高压气瓶(1)内的气体产生高压驱动密封罐(3)中的溶液沿连接管道(6)流向振荡器(5)，产生振荡流；所述稳流驱动包括泵装置和存放溶剂溶液的注射器(13)，泵装置驱动注射器(13)中的溶液；

重结晶单元，包括温度控制装置(7)和微芯片(8)，所述微芯片(8)设置在温度控制装置(7)内部，所述微芯片(8)包括微混合结构(9)，流体驱动单元驱动溶剂溶液(12)和非溶剂溶液(4)在微芯片(8)接触后，在重结晶温度下，在微混合结构(9)的作用下实现快速混合，生成纳米炸药悬浮液(11)；

样品收集单元，用于收集从微芯片(8)流出的纳米炸药悬浮液(11)；

连接组件，所述连接组件包括T型连接器和连接管道(6)，连接组件将所述流体驱动单元、重结晶单元和样品收集单元依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于微流控技术的纳米炸药制备系统，其特征在于，所述高压气瓶(1)采用注射泵或者压力泵代替，所述泵装置选自注射泵、蠕动泵和齿轮泵的任一种。

3.根据权利要求1所述的基于微流控技术的纳米炸药制备系统，其特征在于，所述流体驱动单元为1组，重结晶单元为2组以上，设置与重结晶单元相同数量的收集单元；其中每一组重结晶单元和相对应的收集单元连接成一组制备单元，多组制备单元之间并联设置，流体驱动单元分别与所述2组以上的重结晶单元连接，同时控制2组以上重结晶单元的液体输入流量和压力。

4.根据权利要求1所述的基于微流控技术的纳米炸药制备系统，其特征在于，所述微混合结构(9)选自“Y”型微混合结构(15)，涡流型微混合结构(16)，螺旋型微混合结构(17)和三维分散汇合结构(18)的任一种。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的制备系统制备纳米炸药的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：将炸药溶解于溶剂，表面活性剂溶解于非溶剂，配制溶剂溶液(12)和非溶剂溶液(4)；

步骤二：将溶剂溶液(12)和非溶剂溶液(4)分别置于溶剂驱动单元和非溶剂驱动单元，设置流体驱动单元的流速和压力，备用；

步骤三：开启温度控制装置(17)，在温度控制装置(17)上设置重结晶温度；

步骤四：待温度加热至设定温度，开启流体驱动单元，推动溶剂溶液(12)和非溶剂溶液(4)流入微芯片(8)，溶剂溶液与非溶剂溶液接触并快速混合，生成纳米炸药悬浮液(11)；

步骤五：将从微芯片(8)流出的纳米炸药悬浮液(11)收集至收集单元，进行洗涤、抽滤、干燥，完成纳米炸药的制备。

6.根据权利要求5所述的制备纳米炸药的方法，其特征在于，溶解炸药的溶剂选自二甲亚砜和二甲基甲酰胺的任一种，溶解表面活性剂的非溶剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、羧甲基纤维素钠和烷基酚聚氧乙烯醚的任一种。

7.根据权利要求6所述的制备纳米炸药的方法，其特征在于，炸药溶解于溶剂的浓度范围为20～100g/L，表面活性剂溶解于非溶剂的浓度范围为0.1％mol/L～3％mol/L。

8.根据权利要求7所述的制备纳米炸药的方法，其特征在于，所述步骤二中压力的范围为0.5～50bar，非溶剂溶液的流速范围为1～100mL/min；溶剂溶液流速范围为0.01～50mL/min；所述步骤三中的重结晶温度的范围为-10～80℃。

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