[发明专利]合成四硝基胺四钠盐的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高产率合成四硝基胺四钠盐的合成技术。该方法合成出的四硝基胺四钠盐具有较好的热稳定性和较高的爆速，可作为高能炸药、推进剂和烟火药的具有除氯功能的高能组分。

背景技术

四硝基胺四钠盐（缩写Na₄TNAE)是一种有前途的新的高密度、高威力且安定的炸药。理论计算爆轰参数为42.7GPa，爆速为10.9km/s，爆轰能量达到7081kJ/mol，是已知含能物质中能量最高的化合物之一。由于其具有正的氧平衡和令人满意的机械安全性能，因而可作为高能氧化剂用于先进的固体火箭推进剂中。

四硝基胺四钠盐的标准摩尔燃烧焓是-2090kJ/mol，在298K使用Hess law计算标准摩尔生成焓是+190kJ/mol（假设燃烧产物：CO₂；H₂O；N₂；Na₂O），像其它高氮化合物一样是吸热化合物，撞击感度和热稳定性与硝胺相似。但该化合物具有正的氧平衡，是一种高能氧化剂，其分解温度比AP低（192℃），对实现推进剂低易损性有利。特别是该化合物对摩擦较钝感，这一点无疑对复合固体推进剂很重要。

从需求分析来看，该化合物中含有4个钠原子，特别适合大型固体助推器HTPB推进剂中用于消除燃气中的氯化氢。根据大助推综合论证报告中提出的最佳途径是采用KNO₃来中和氯化氢，但该途径使推进剂比冲显著降低。理论计算表明，对87％固体含量的三组元HTPB推进剂，其理论比冲为264s。当加入30％的KNO₃时，可以中和产物中的氯化氢，但推进剂理论比冲降低到244s，降幅达到20s，能量损失相当大，几乎达到了不可用状态。而用31％的Na₄TNAE取代AP，不仅可以完全消除氢化氢，而且理论比冲可达到262s，几乎没有降低。如果不用钠盐而是改用锂盐，理论比冲甚至可以保持与三组元推进剂相当的水平。因此，如果推进剂配方中只加入15％左右的Na₄TNAE来部分消除氯化氢，不仅能量不会降低，而且可以预计，对推进剂其它性能也不会有大的影响。

《兵工学报》1980年第3期中“四硝基甘脲及其水解产物的合成研究”一文中介绍了合成四硝基甘脲（缩写TENGU）、四硝基胺乙烷（缩写TNAE）及四硝胺四钠盐的方法，但经过文中介绍的后处理方法得到的四硝基胺四钠盐的产率低，只有36.04%左右。

总之，现有技术存在的不足是合成四硝基胺四钠盐技术的三步总产率低，反应过程和后处理过程中，使用溶剂品种多且用量大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足而提供一种合成四硝基胺四钠盐的方法，该方法操作简单安全，减少过程中溶剂的品种与使用量，三步反应得到四硝基胺四钠盐的总产率高、工艺重现性好。

本发明的四硝基胺四钠盐是带有两个结晶水的四硝基胺四钠盐二水化合物（Na₄TNAE·2H₂O），具体的合成路线如下：

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本发明的技术解决方案是：以甘脲(Glycoluril)为原材料，经甘脲的硝化反应、四硝基甘脲（TENGU）的水解反应和四硝基胺乙烷（TNAE）的中和反应三步制备四硝基胺四钠盐。

本发明所述甘脲的硝化反应，包括以下步骤：（1）将发烟硝酸加入反应容器中，将温度降至10℃时，加入甘脲，甘脲溶解后，得到甘脲-发烟硝酸溶液；（2）将甘脲-发烟硝酸溶液的温度降至0～5℃，滴加乙酸酐，滴加温度保持在0～5℃；（3）乙酸酐加毕，硝化温度保持在0～5℃，硝化反应4h后，升高硝化温度至5～10℃，继续硝化2～3h；硝化反应开始10min瓶内有沉淀产生，硝化温度梯度逐步升温；（4）硝化反应后，将步骤（3）的物料降至-10℃～0℃，把反应瓶内物料过滤，得到白色固体四硝基甘脲，将白色固体四硝基甘脲用二氯甲烷洗至中性，浸泡在二氯甲烷中待用。

所述甘脲的硝化反应中， 甘脲与发烟硝酸的投料质量比=1：10～1：50，乙酸酐与发烟硝酸的体积比=1：2。

所述甘脲的硝化反应的步骤（3）中，硝化温度梯度逐步升温，即：采用5℃为梯度，保持2小时后再升温5℃，即开始硝化温度保持在0℃，硝化反应2h，升高5℃，即硝化温度升至5℃，继续硝化2h，再升高5℃，即硝化温度升至10℃，再保持2～3小时。