一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法，包括以下步骤：S1、建立模型假设；S2、建立化学反应控制传质模型；S3、建立固体残留膜层的内扩散控制传质模型；S4、建立界面传质和固体残留膜层扩散的混合控制传质模型；S5、实验验证步骤S2、S3和S4所述模型，比较得到最优的梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型。本发明专利技术明确了该反应过程受到固体残留膜层的内扩散控制的影响，对制备梯度硝基发射药梯度硝基层的结构以及反应进程精细化调控具有重要的指导意义。精细化调控具有重要的指导意义。精细化调控具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法


[0001]本专利技术涉及火药领域，尤其涉及一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法。

技术介绍

[0002]实现发射药能量释放由慢到快的高渐增性，成为决定武器性能的核心与关键技术，其控制技术研究一直是国内外研究的热点。发射药的创新与发展对武器系统的提升起着巨大的推动作用，兼顾能量释放高渐增性与低有害现象的发射药是武器装备系统发展的需求。梯度硝基发射药是采用化学剪裁方法，使发射药中的
‑
O
‑
NO2基团沿表面反法向定位、定量和梯度分布，实现了发射药能量释放的高渐增性，是一种满足武器装备系统发展需求的新型能量释放渐增性发射药。
[0003]梯度硝基发射药的制备条件决定了梯度硝基层的结构，梯度硝基层的结构决定了梯度硝基发射药的能量释放渐增性的优劣。梯度硝基发射药的制备过程是一个固
‑
液化学反应的过程，即固体发射药与脱硝反应溶液之间进行的一个脱硝化学反应。梯度硝基发射药制备过程中的物质传质和两相反应都是固相(未反应硝化纤维素、未反应硝化甘油、低氮量的硝化纤维素和低硝酸酯基的硝化甘油)与液相(脱硝反应溶液)之间相互作用的表界面反应，因而研究梯度硝基发射药制备过程的界面化学反应模型对制备梯度硝基发射药梯度硝基层的结构以及反应进程精细化调控具有重要的指导意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法，以指导研究梯度硝基发射药制备过程的界面化学反应模型对制备梯度硝基发射药梯度硝基层的结构以及反应进程精细化调控。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法，包括以下步骤，
[0007]S1、建立模型假设：
[0008]a、假定反应体系是在恒温环境下进行反应；
[0009]b、近似假定反应界面不动，将反应过程视为拟定态过程；
[0010]c、假设脱硝反应为一级不可逆化学反应，其表达式简化为：
[0011]A(l)+b B(s)
→
f F(l)+s S(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]d、假定梯度硝基发射药是球型固体；
[0013]S2、建立化学反应控制传质模型：
[0014]当脱硝反应受到化学反应控制时，反应模型的数学表达式为：
[0015]1‑
(1
‑
x
B
)
1/3
＝k1t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0016]S3、建立固体残留膜层的内扩散控制传质模型：
[0017]当脱硝反应受到固体残留膜层的内扩散控制时，反应模型的数学表达式为：
[0018][0019]S4、建立界面传质和固体残留膜层扩散的混合控制传质模型：
[0020]当脱硝反应受到界面传质和固体残留膜层扩散的混合控制时，反应模型的数学表达式为：
[0021][0022]S5、实验验证步骤S2、S3和S4所述模型，比较得到最优的梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型；
[0023]上式中，A表示脱硝反应液，B表示未反应固体发射药，F表示脱硝反应后的液体产物，S表示脱硝反应后的固体产物；x
B
表示固相反应物B的转化率，k1、k2、k3为常数系数。
[0024]进一步的，所述步骤S1还包括基于所述模型假设进行脱硝反应分析：
[0025](1)脱硝反应液A通过滞留膜的外扩散速率为：
[0026][0027](2)脱硝反应液A通过固体残留膜层的内扩散速率为：
[0028][0029]其中，
[0030][0031](3)脱硝反应液A与未反应固体发射药B进行一级不可逆反应的化学反应速率为：
[0032][0033](4)未反应芯半径R
c
与反应时间的关系为：
[0034][0035](5)固相反应物B的转化率x
B
与R
c
的关系为：
[0036][0037]上式中，k
G
为脱硝反应液A的传质系数，单位是m/s；C0为未反应脱硝液的浓度；C
s
为脱硝液在发射药外表面的浓度；D
eff
为组分A在固体残留膜层内的有效扩散系数，单位是m2/s；C
A
为反应脱硝溶液在R＝R
c
的浓度。
[0038]进一步的，所述步骤S5中的实验包括：
[0039]步骤一、将3.54g浓度为80wt％的水合肼溶解到16.5mL的去离子水中，配制浓度为
14.15％的水合肼溶液；
[0040]步骤二、将所配置的溶液预热至30℃，称取干燥的球型发射药10g，将发射药置于带有搅拌装置的150mL三口烧瓶中，倒入预热后的水合肼
‑
水溶液，在30℃水浴加热、搅拌转速为260rap/min的情况下进行脱硝反应，反应进行4h后停止反应，过滤去除反应溶液，得到脱硝后的发射药；
[0041]步骤三、将脱硝后的发射药置于去离子水中进行煮洗，去除残留在发射药药粒表面的水合肼。煮洗温度为80℃，煮洗时间为30min；
[0042]步骤四、将煮洗后的发射药置于60℃水浴烘箱中进行干燥，干燥时长为48h；
[0043]步骤五、对干燥后的发射药进行称重，并记录实验前后干燥发射药质量数据，求得相应脱硝百分数；
[0044]步骤六、重复步骤一～步骤五，另设三次实验，并延长反应时间分别为：6h，8h和12h，按步骤S2、S3和S4所述模型线性拟合实验数据；
[0045]步骤七、重复步骤一～步骤六，另设三组实验，并调整脱硝反应温度及对应设置各反应温度下的反应时间；
[0046]步骤八、根据拟合的线性相关系数R2，得到最优的梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型。
[0047]相比现有技术，本专利技术的有益效果是：
[0048]本专利技术采用化学反应过程中的收缩未反应核模型的研究方法对梯度硝基发射药制备过程的固液化学反应模型进行建立和推导，使用简单的称重法对所建立模型进行验证，明确了该反应过程受到固体残留膜层的内扩散控制的影响。通过建立梯度硝基发射药制备过程的反应动力学模型将为制备梯度硝基发射药梯度硝基层结构以及反应进程精细化调控提供重要的指导作用。
附图说明
[0049]图1为本专利技术梯度硝基发射药的收缩未反应芯模型及物质浓度分布示意图；
[0050]图2为本专利技术梯度硝基发射药制备过程中模型的实际验证方案图；
[0051]图3为本专利技术实施例一至实施例四的脱硝率随时间变规律图(a：30℃；b：50℃；c：70℃；d：90℃)；
[0052]图4为本专利技术实施例一至实施例四的三种模型的数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤，S1、建立模型假设：a、假定反应体系是在恒温环境下进行反应；b、近似假定反应界面不动，将反应过程视为拟定态过程；c、假设脱硝反应为一级不可逆化学反应，其表达式简化为：A(l)+bB(s)
→
fF(l)+sS(s)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)d、假定梯度硝基发射药是球型固体；S2、建立化学反应控制传质模型：当脱硝反应受到化学反应控制时，反应模型的数学表达式为：S3、建立固体残留膜层的内扩散控制传质模型：当脱硝反应受到固体残留膜层的内扩散控制时，反应模型的数学表达式为：S4、建立界面传质和固体残留膜层扩散的混合控制传质模型：当脱硝反应受到界面传质和固体残留膜层扩散的混合控制时，反应模型的数学表达式为：S5、实验验证步骤S2、S3和S4所述模型，比较得到最优的梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型；上式中，A表示脱硝反应液，B表示未反应固体发射药，F表示脱硝反应后的液体产物，S表示脱硝反应后的固体产物；x
B
表示固相反应物B的转化率，k1、k2、k3为常数系数。2.根据权利要求1所述的一种梯度硝基发射药制备过程反应动力学模型的建立方法，其特征在于，所述步骤S1还包括基于所述模型假设进行脱硝反应分析：(1)脱硝反应液A通过滞留膜的外扩散速率为：(2)脱硝反应液A通过固体残留膜层的内扩散速率为：其中，(3)脱硝反应液A与未反应固体发射药B进行一级不可逆反应的化学反应速率为：
(4)未反应芯半径R
c
与反应时间的关系为：(5)固相反应物B的转化率x
B
与R
c

【专利技术属性】
技术研发人员：李世影，李宇，肖忠良，丁亚军，南风强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：