Ученые заполнили поры вещества CL-20 сильным окислителем
Сотрудники РХТУ им. Д.И. Менделеева вместе с коллегами из Китая совместили в одном составе одно из самых сильных взрывчатых веществ CL-20 и экстремально активный окислитель N2O4. Результаты работы опубликованы в сентябрьском номере журнала ChemPlusChem.
Обычно энергонасыщенный материал состоит из горючего и окислителя. После какого-нибудь внешнего воздействия – например, удара или повышения температуры – они вступают между в собой реакцию, которая постепенно разгоняет сама себя, и в результате выделяется большое количество тепла, газов и появляется ударная волна – раздается взрыв. Для идеальных характеристик в ВВ должно быть поровну окислителя и восстановителя, но в реальных молекулах, в том числе CL-20, окислителя всегда меньше. В своей работе исследователи показали, что молекулы N2O4 можно включать в полости CL-20 и новое взрывчатое вещество будет получаться не только стабильным, но и обладать новыми свойствами по сравнению с чистым CL-20.
“Мы хотели ввести в CL-20 дополнительный окислитель, чтобы улучшить его энергетику, а в некоторых кристаллических модификациях этой молекулы в ее структуре как раз есть внутренние полости”, – рассказывает один из авторов работы, профессор РХТУ, Валерий Синдицкий. “Мы заполнили их чрезвычайно агрессивным соединением – тетраоксидом азота N2O4. Это очень сильный окислитель, который широко применяют в жидких ракетных топливах, и при его контакте с органическим соединением обычно начинается бурная реакция окисления-восстановления. Однако, молекулы CL-20 сами содержат так много NO2 групп, что просто не вступают в реакцию с этим окислителем и служат как бы сосудом для такого агрессивного соединения”.
Энергонасыщенные материалы используются не только в военных целях. С их помощью прокладывают тоннели, демонтируют здания и создают искусственные водоемы, такие материалы добавляют в ракетное топливо и используют в газогенераторах. Существует множество взрывчатых веществ, и CL-20 является одним из самых мощных среди них. Его скорость детонации, то есть скорость распространения ударной волны при взрыве (а это один из ключевых технических параметров ВВ) составляет около 9.5 км/с, в то время как, например, у тротила скорость детонации всего 7 км/c. Химики из РХТУ вместе с китайскими коллегами попробовали улучшить CL-20. Ученые подчеркивают, что их результат носит, прежде всего, фундаментальный характер, но также ищут практические способы применения своей разработки.
Механика разработки
Чтобы модифицировать CL-20 исследователи брали его кристаллы, растворяли их при комнатной температуре в хлороформе и добавляли жидкий N2O4, а потом из этой смеси кристаллизовался CL-20 уже с захваченными молекулами окислителя. Все эксперименты проводили в средствах индивидуальной защиты, под тягами и с маленькими объемами веществ, чтобы минимизировать опасность от взрыва. После этого ученые изучили структуру полученных соединений и показали, что N2O4 действительно встроился в полости кристалла CL-20. При этом с течением времени молекулы N2O4 диссоциируют до еще более активных соединений – радикалов NO2, а изначально белые кристаллы вместе с этим становятся коричневатыми.
Далее исследователи провели серию экспериментов по термическому разложению и горению новых соединений. То есть CL-20 не взрывали, а аккуратно сжигали, так как из информации, полученной в подобных экспериментах, можно достоверно оценить технические характеристики взрывчатого вещества. Заряд из модифицированного CL-20 запрессовывали в толстостенные трубки из оргстекла и поджигали, а с помощью встроенных тонких термопар фиксировали распределение температуры в волне горения. Одновременно весь процесс записывали на скоростную видеокамеру, чтобы потом рассчитать скорость движения фронта горения.
Оказалось, что скорость горения нового вещества превосходит аналогичную величину для чистого CL-20 в такой же кристаллической модификации, а их термическая стабильность сопоставима. А из других полученных данных ученые оценили скорость детонации нового вещества и давление в ударной волне от его взрыва и показали, что по этим параметрам модифицированный CL-20 даже превосходит чистый CL-20. До этой работы у других научных групп уже были похожие исследования с сольватами CL-20 – то есть молекулами CL-20, в полости кристаллической структуры которых заключены какие-либо жидкости, но объединять CL-20 с N2O4 еще никто не пробовал.
“Это первый пример сольвата с таким мощным и агрессивным окислителем, и мы были вообще поражены, что такое возможно”, – говорит Синдицкий. “За счет введения N2O4 мы немножко улучшили кислородный баланс системы, и в пламени появился добавочный окислитель. Он чуть-чуть, но всё-таки поднял скорость горения, у которого эта характеристика и так очень высока”.
СПРАВКА
РХТУ им. Д.И. Менделеева – опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химии и технологии органических соединений азота вместе с коллегами из Пекинского института технологий (Китай) при финансовой поддержке гранта РФФИ и гранта государственного фонда естественных наук Китая.
Источник:
Пресс-служба Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева