Synthesis and characterisation of ammonium dinitramide

Krzysztof Krupa

Abstract

Introduction Ammonium dinitramide (ADN) is modern oxidizer which could replace ammonium perchlorate (AP) in solid rocket fuel compositions [1]. Despite of having lover oxygen balance mixtures containing AND, as oxidizer it possess higher specific impulse (ISP) than analogical fuels based on AP [2, 3]. Greatest advantage of ammonium dinitramide is lack of chlorine molecules in combustion products. This attribute greatly matters in civil applications – reduced impact on environment and in military applications – absence of visible fumes behind operating motor [3]. However, ADN possess several disadvantages such as: high hygroscopity, sensitivity to UV radiation and higher (in comparison to AP) sensitivity to friction and impact [1, 4, 5]. Replacing ammonium perchlorate by ammonium dinitramide requires careful study of it properties and develop efficient ways of industrial production The purpose of this thesis was to synthesize ADN by nitrating potassium sulfamate and subsequent ion exchange. Define the deciding factors influencing yield and purity of products. In addition, calculations were made of detonation parameters and specific impulse for mixtures containing hexogen (HMX), glycidyl azide polimer (GAP) and oxidizer – ADN or AP. Results and discussion To determine efficiency of synthesis on particular stages utilized UV-Vis spectroscopy, analysis were carried out on Thermo Scientific’s Evolution 60S in wavelength range between 200 – 500 nm. Samples of potassium dinitramide (KDN) were purified via crystallization from methanol. Purity of ammonium and potassium dinitramide were determined by analysis of melting process by differential scanning calorymetry (DSC). Samples weighting 10 mg were closed under lowered pressure in aluminum pans and analyzed in Unipan’s DSC 605 apparatus. Tests were conducted in temperature range of 353-453 K for KDN and 297-400 K for ADN. Temperature increase rate was set to 2°C/min. Specific impulses were calculated in computer program ISP2001, whereas detonation parameters were calculated via TIGER thermodynamic code. Conclusions Nitration of potassium sulfamate proceeds with average yield of 50%. Largest loss of products appears on acetone extract distillation stage. When said process was carried out in temperature 40°C, none or small amount of polluted product was obtainable. Lowering temperature of distillation by 10°C resulted in reduced loss of KDN and purity ≥ 99% with total yield of 30 – 40%. KDN purification by recrystallization from methanol proceeds with 50% yield. To prevent potassium dinitramide decomposition process should be carried out as fast as possible. The attempt to isolate second wave of product has not been successful, further studies are required to optimize purification process. ADN synthesis via ion exchange and further neutralization yields more than 90%. Product separation should be conducted immediately since one day delay causes 2% decrease of purity. On the basis of calculations it was found, that the best performance has a fuel composed of 10% GAP; 60% ADN; 30% HMX. It has highest specific impulse (267,9 s) and high detonation velocity (9201 m/s). References [1] P. Sjӧberg, „Chemistry and Applications of Dinitramides,” Theoretical and Computional Chemistry, tom 12, pp. 389-404, 2003. [2] K. Menke, T. Heintz, W. Schweikert, T. Keicher i H. Krause, „Formulation and Properties of ADN/GAP Propellants,” Propellants Explos. Pyrotech., tom 34, pp. 218-230, 2009. [3] M. Nagamachi, J. Oliveira, A. Kawamoto i R. Dutra, „ADN – The new oxidizer around the corner for an enviormentally friendly smokeless propellant,” Journal of Aerospace Technology and Management, tom 1, pp. 153-160, 2009. [4] S. Venkatachalam, G. Santhosh i K. N. Ninan, „An Overview on the Synthetic Routes and Properties of Ammonium Dinitramide (ADN) and other Dinitramide Salts,” Propellants Explos. Pyrotech., tom 29, pp. 178-187, 2004. [5] N. Wingborg, „Ammonium Dinitramide – Water: Interaction and Properties,” J. Chem. Eng. Data, tom 51, pp. 1582-1586, 2006.
Diploma typeMaster of Science
Author Krzysztof Krupa
Krzysztof Krupa,,
-
Title in PolishSynteza i badanie właściwości soli amonowej dinitroaminy
Supervisor Tomasz Gołofit ZMW
Tomasz Gołofit,,
- Department Of High-Energetic Materials
Certifying unitFaculty of Chemistry (FC)
Affiliation unitDepartment Of High-Energetic Materials (DH-EM)
Study subject / specializationTechnologia Chemiczna
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date15-11-2013
Issue date (year)2013
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishWprowadzenie Sól amonowa dinitroaminy (ADN) jest nowoczesnym utleniaczem mogącym zastąpić chloran(VII) amonu (AP) w stałych paliwach rakietowych [1]. Mieszaniny zawierające ADN jako utleniacz – pomimo niższego bilansu tlenowego – charakteryzują się wyższym impulsem właściwym (ISP) od analogicznych paliw zawierających AP [2, 3]. Najważniejszą zaletą ADN jest nieobecność związków chloru w produktach spalania. Ma to znaczenie w zastosowaniach cywilnych – mniejszy wpływ na środowisko i w zastosowaniach wojskowych – brak widocznej smugi za pracującym silnikiem [3]. Sól amonowa dinitroaminy posiada szereg wad. Należą do nich m.in. wysoka higroskopijność, wrażliwość na promieniowanie UV, wyższa (w porównaniu do AP) wrażliwość na bodźce mechaniczne takie, jak: uderzenie czy tarcie [1, 4, 5]. Zastąpienie chloranu(VII) amonu przez sól amonową dinitroaminy wymaga poznania jej dokładnych właściwości i opracowania technologi produkcji na skalę przemysłową. Celem niniejszej pracy była synteza ADN przez nitrowanie soli potasowej kwasu sulfamidowego, a następnie wymianę jonową. Określenie czynników wpływających na wydajność i czystość produktu. Wykonano również obliczenia impulsu właściwego i parametrów detonacyjnych trójskładnikowych paliw zawierających heksogen (HMX), polimer azydku glicydu (GAP) i utleniacz – ADN lub AP. Wyniki i dyskusja Do określenia wydajności syntez na poszczególnych etapach posłużono się metodą spektroskopii UV-Vis, badania prowadzono na aparacie Evolution 60S firmy Thermo Scientific w zakresie długości fal 200 – 500 nm. Próbki soli potasowej dinitroaminy (KDN) poddano oczyszczaniu przez krystalizację z metanolu. Czystości soli potasowej i amonowej dinitroaminy oznaczano za pomocą skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC). Badano procesy topnienia próbek o masie 10 mg zamkniętych pod zmniejszonym ciśnieniem w aluminiowych naczynkach. Pomiary przeprowadzono na aparacie DSC 605 firmu Unipan w zakresie temperatur 353 – 453 K dla soli potasowej i 297 – 400 K dla soli amonowej dinitroaminy. Szybkość przyrostu temperatury wyniosła 2K/min. Obliczenia impulsu właściwego wykonano w programie ISP 2001, natomiast do wyznaczenia parametrów detonacyjnych wykorzystano program TIGER. Wnioski Nitrowanie soli potasowej kwasu sulfamidowego przebiega ze średnią wydajnością wynoszącą 50%. Największe straty produktu występują na etapie destylacji ekstraktu acetonowego. W przypadku gdy proces ten prowadzono w temperaturze 40°C nie udało się wydzielić lub otrzymywano niewielkie ilości zanieczyszczonej KDN. Obniżenie temperatury destylacji do 30°C pozwoliło na znaczne ograniczenie strat i otrzymanie produktu o czystości ≥ 99% z całkowitą wydajnością wynoszącą 30 – 40%. Oczyszczanie KDN przez krystalizację z metanolu przebiega z wydajnością 50%. Aby zapobiec rozkładowi, proces należy prowadzić możliwie szybko. Podjęta próba wydzielenia drugiego rzutu krystalizacji nie odniosła sukcesu. Wymagane są dodatkowe badania w celu optymalizacji procesu. Synteza ADN przez wymianę jonową i zobojętnianie przebiega z wydajnością powyżej 90%. Wydzielenie produktu powinno następować natychmiast po zakończeniu syntezy, ponieważ odstęp jednego dnia powoduje spadek czystości o ok. 2%. Na podstawie obliczeń stwierdzono, że najlepsze parametry posiada paliwo o składzie 10% GAP; 60% ADN; 30% HMX. Posiada ono najwyższy impuls właściwy (267,9 s) i wysoką prędkość detonacji (9201 m/s). Literatura [1] P. Sjӧberg, „Chemistry and Applications of Dinitramides,” Theoretical and Computional Chemistry, tom 12, pp. 389-404, 2003. [2] K. Menke, T. Heintz, W. Schweikert, T. Keicher i H. Krause, „Formulation and Properties of ADN/GAP Propellants,” Propellants Explos. Pyrotech., tom 34, pp. 218-230, 2009. [3] M. Nagamachi, J. Oliveira, A. Kawamoto i R. Dutra, „ADN – The new oxidizer around the corner for an enviormentally friendly smokeless propellant,” Journal of Aerospace Technology and Management, tom 1, pp. 153-160, 2009. [4] S. Venkatachalam, G. Santhosh i K. N. Ninan, „An Overview on the Synthetic Routes and Properties of Ammonium Dinitramide (ADN) and other Dinitramide Salts,” Propellants Explos. Pyrotech., tom 29, pp. 178-187, 2004. [5] N. Wingborg, „Ammonium Dinitramide – Water: Interaction and Properties,” J. Chem. Eng. Data, tom 51, pp. 1582-1586, 2006.
File
Synteza i badania właściwości soli amonowej dinitroaminy - praca dyplomowa Krzysztof Krupa.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) Synteza i badania właściwości soli amonowej dinitroaminy - praca dyplomowa Krzysztof Krupa.pdf 1.04 MB


Back