不同氧化程度的典型硝基含能材料自燃特性及机理研究

Nitro-based energetic materials are an extremely flammable and explosive substance. The oxidation reaction easily occurs to change the constituents in weather with high temperature, causing the increase in characteristics of the spontaneous combustion. In order to face the grim situation of safety management in the problem of characteristics of spontaneous combustion affected by degree of oxidation, two kinds of nitro-based energetic materials with different degrees of oxidation are prepared and characterized, exploring the effect on constituents of oxidation products. The process of formation in oxidation reaction is investigated via the observation of the change in microstructure, free radicals, and gaseous products. The technology of segmented characteristics during the process of spontaneous combustion (Exothermic reaction of oxidation at low temperature, thermal decomposition at high temperature as well as ignition and combustion) combined with different advance instruments is used to analyze the important parameters, such as characteristic temperatures and products,thermodynamic parameters, flame properties for different degree of oxidation in nitro-based energetic materials. The relationship between degree of oxidation and parameters of spontaneous combustion is quantized to reveal the mechanism of process of spontaneous combustion for nitro-based energetic materials. The results of this project will provide the support of theory for technical development of prevention and control in spontaneous combustion of nitro-based energetic materials.

硝基含能材料是一种极易自燃和爆炸的物质（如硝化棉、硝酸甘油等），受高温天气影响容易发生氧化反应而使组分发生改变，从而导致自燃特性增强。本项目面向当前危险化学品安全生产管理严峻形势，围绕氧化程度对硝基含能材料自燃特性影响问题，以两种典型硝基含能材料为研究对象，制备并表征不同氧化程度的硝基含能材料，研究氧化程度对硝基含能材料氧化产物组分的影响，掌握硝基含能材料氧化过程中微观结构变化、自由基形成以及气体产物生成规律，探究硝基含能材料氧化反应形成演化过程。采用自燃过程分段特性研究技术，综合不同实验平台特色与优势，对比分析不同氧化程度的硝基含能材料在低温氧化放热、高温热解、着火燃烧等过程中的特征温度、特征产物、热动力学参数、火焰特性等重要自燃特性参数，提出氧化程度与自燃特性参数的定量关系，从而揭示硝基含能材料自燃过程机理。项目研究成果对硝基含能材料自燃有效防治技术发展提供理论支持。

本项目面向当前危险化学品安全生产管理严峻形势，围绕氧化程度对硝基含能材料自燃特性影响问题，以典型硝基含能材料为研究对象，制备并表征了不同氧化程度的硝基含能材料，研究了氧化程度对硝基含能材料氧化产物组分的影响，掌握了硝基含能材料氧化过程中微观结构变化、自由基形成以及气体产物生成规律，探究了硝基含能材料氧化反应形成演化过程。采用自燃过程分段特性研究技术，综合不同实验平台特色与优势，对比分析了不同氧化程度的硝基含能材料在低温氧化放热、高温热解、着火燃烧等过程中的特征温度、特征产物、热动力学参数、火焰特性等重要自燃特性参数，提出了氧化程度与自燃特性参数的定量关系，研究了工业规模硝化纤维素的热稳定性参数和热爆炸模型，从而揭示了硝基含能材料自燃过程机理。采用线性回归和模型拟合相结合的方法进行了动力学计算，在绝热和非绝热条件下建立了可靠的分解动力学和热爆炸模型，自催化动力学模型的拟合结果与实验数据均吻合良好。这些模型可用于工业规模硝基含能材料在实际情况下的热爆炸风险预测，并可用于开发新的灭火技术。当环境温度从150℃上升到200℃时，硝基含能材料爆炸所需时间(从初始NC温度25℃)从7.4 h下降到2.5 h，当温度超过300℃时，所需时间不到1 h。此外，硝基含能材料氧化过程对爆炸风险具有明显影响，工业安全设计时不能仅将室温存储情况下的安全性作为考量。项目研究成果对硝基含能材料自燃有效防治技术发展提供理论支持。