Cr2O3/硝化棉的相容性及熱分解機理研究

韓布興

中國科學院化學研究所，北京 100190

硝化棉(NC)是固體推進劑中常見的含能組分，廣泛應用于火炸藥、爆炸膠、火箭推進劑中1-3，其分解特性與固體推進劑的燃燒性能密切相關4。近年來，納米金屬氧化物作為燃燒催化劑對含能材料熱分解過程的催化作用受到廣泛關注5-7。研究表明，納米金屬氧化物如Fe2O3、CuO、Cr2O3、PbO、Bi2O3等可顯著加速含能組分分解，提高固體推進劑的燃燒速度8,9。然而，目前納米金屬氧化物/NC復合體系的熱力學與動力學缺乏系統研究，同時，NC自身的熱分解過程尚未明確。納米金屬氧化物與NC的相容性及復合材料的熱分解機理也有待進一步深入探討。

升溫速率為10 °C·min-1時NC的三維IR圖譜及分解過程(a)及Cr2O3/NC的三維IR圖譜及分解過程(b)。

最近，針對上述問題，西北大學馬海霞教授課題組在RSC Advances上發表題為《利用DSC和TGFTIR研究硝化棉/Cr2O3納米顆粒相容性和熱分解機理》的研究論文10，詳細探討了Cr2O3納米顆粒對NC熱分解過程的影響。他們首先利用溶膠-凝膠法合成粒徑約100 nm的Cr2O3納米顆粒，并將其與NC按質量比1 : 1研磨復合。隨后以掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射儀、能譜分析儀、氣體吸附分析儀、差示掃描量熱儀DSC、熱紅聯用TG-FTIR等手段對材料結構及性能進行了分析測試。利用混合體系與含能材料兩者分解峰溫之差(ΔTp)為判定標準判定標準發現Cr2O3納米顆粒與NC相容性良好，可以混合使用。基于非等溫動力學研究方法，獲得了NC及Cr2O3/NC熱分解過程均遵循Avrami-Erofeev方程：f(α) = 0.75(1 -α)[-ln(1 -α)]1/3，納米Cr2O3的加入可使Cr2O3/NC的表觀活化能、指前因子、熱點火溫度、熱爆炸臨界溫度均低于單組分NC，說明Cr2O3能夠加速NC的熱分解過程。最后根據TG-FTIR測試結果對不同溫度下的產物進行分析，提出了NC及Cr2O3/NC的具體熱分解過程。該工作證明納米Cr2O3能夠加快NC聚合骨架中O―NO2鍵斷裂，并能促進凝聚相二次自催化反應。

文中報道的創新性研究成果是馬海霞教授課題組在燃燒催化劑應用于固體推進劑方面的系列成果之一，對含能材料的發展具有重要意義。該項工作得到了國家自然科學基金委、西安近代化學研究所及大陸動力學國家重點實驗室的大力支持。