Étude sur les performances et la préparation efficace d’un cocristal à base d’ADN par la technologie de mélange par résonance acoustique

Points forts

• Un procédé de mélange par résonance acoustique a été mis au point pour préparer un cocristal à base de dinitramide d’ammonium.
• Le cocristal ADN/PDO présentait une excellente compatibilité avec les composants des propergols solides à haute énergie .
• Le cocristal ADN/PDO peut améliorer considérablement l’énergie des propergols solides apparentés .

Abstrait

Le dinitramide d’ammonium (ADN) est un oxydant vert idéal pour les propergols solides grâce à sa teneur élevée en oxygène et à ses produits de combustion écologiques . Cependant, sa forte hygroscopicité limite son application. Heureusement, les cocristaux à base d’ADN présentent une meilleure résistance à l’humidité . Néanmoins, les méthodes classiques de préparation de ces cocristaux sont peu productives et chronophages. Dans ce travail, un mélange par résonance acoustique a été développé pour préparer le cocristal ADN/PDO (pyrazine-1,4-dioxyde) avec un excellent rendement. Notamment, à 25 °C et 75 % d’humidité relative (HR), le taux d’absorption d’humidité de ce cocristal n’est que de 1,66 % en poids, contre 48,2 % en poids pour l’ADN. La température de décomposition de ce cocristal est de 202,3 °C, soit 13,0 °C de plus que celle de l’ADN. De plus, le cocristal ADN/PDO présente une bonne compatibilité avec les composants des propergols solides à haute énergie , tels que le GAP, la poudre d’aluminium , le perchlorate d’ammonium (AP) et l’octogène (HMX). Par conséquent, le mélange par résonance acoustique peut favoriser considérablement l’application du cocristal ADN/PDO dans les propergols solides .

Résumé graphique

Le mélange par résonance acoustique constitue une plateforme prometteuse pour la construction de cocristaux à base de dinitramide d’ammonium. Le cocristal ADN/PDO a été synthétisé efficacement par mélange par résonance acoustique . Sa méthode de préparation simple, ses excellentes performances globales et sa compatibilité remarquable lui confèrent un fort potentiel d’application dans les propergols solides .

Introduction

Le dinitramide d’ammonium (ADN) est considéré comme un oxydant de substitution écologique idéal pour les propergols solides en raison de sa teneur élevée en oxygène et de ses produits de combustion écologiques [[1], [2], [3], [4]]. Cependant, sa forte hygroscopicité et sa faible compatibilité limitent son application dans les propergols solides [5]. Les cocristaux à base d’ADN présentent un fort potentiel pour améliorer la résistance à l’humidité et la compatibilité [6,7]. Toutefois, la plupart des cocristaux à base d’ADN connus sont préparés par volatilisation du solvant [[8], [9], [10]]. Cette méthode présente l’inconvénient d’être longue et peu productive, ce qui rend difficile la production de cocristaux à grande échelle. Par conséquent, afin de promouvoir l’application des cocristaux à base d’ADN dans les propergols solides, le développement d’une méthode de préparation efficace et simple est une nécessité urgente.Les cocristaux à base d’ADN sont une classe de cocristaux organiques formés par l’interaction de deux ou plusieurs composés organiques présentant une morphologie et des propriétés spécifiques. Cependant, la plupart des méthodes de préparation des cocristaux organiques ne conviennent pas à la production de cocristaux à base d’ADN en raison de leur forte solubilité dans la plupart des solvants courants, de leur faible stabilité thermique et de leur grande sensibilité mécanique [11, 12, 13]. Par exemple, la méthode d’évaporation de solution, largement utilisée pour la préparation de cocristaux organiques, est inadaptée à la préparation de cocristaux à base d’ADN du fait de la forte solubilité de l’ADN dans la plupart des solvants organiques polaires [14, 15]. De plus, l’obtention de cocristaux à base d’ADN par cette méthode nécessite généralement l’étude de diagrammes de phase ternaires. La méthode de mélange à l’état fondu, autre méthode courante de préparation des cocristaux organiques, est également inadaptée à la préparation de cocristaux à base d’ADN en raison de la faible stabilité thermique de l’ADN [16, 17]. De plus, la méthode de mélange en solution et la méthode de pulvérisation ne conviennent pas non plus en raison de la grande sensibilité mécanique de l’ADN.Le mélange par résonance acoustique (MRA) repose sur la résonance d’un système masse-ressort hybride [[18], [19], [20], [21]]. L’application d’une faible énergie d’excitation génère des vibrations de basse fréquence (60 Hz) et de forte accélération (0–1200 m/s² ⁾ , permettant ainsi un mélange vibratoire macroscopique et un mélange acoustique microscopique dans un champ d’écoulement mixte. Récemment, le MRA a été largement appliqué à des procédés tels que la dispersion, le broyage, l’extraction et l’enrobage de matériaux, démontrant son potentiel dans de nombreux domaines comme l’agroalimentaire et la préparation de cocristaux organiques [[22], [23], [24], [25]]. Comparé au mélange traditionnel, le MRA présente des avantages significatifs en termes d’efficacité, d’applicabilité et de sécurité, et s’adapte à divers systèmes de matériaux et contextes d’applications industrielles. Par conséquent, le MRA est particulièrement adapté à la préparation à grande échelle de cocristaux à base d’ADN.Dans ce travail, poursuivant nos recherches précédentes visant à promouvoir l’application de l’ADN dans les propergols solides, l’utilisation de la méthode ARM pour la préparation de cocristaux à base d’ADN a été étudiée [26]. Grâce à cette méthode, le cocristal ADN/PDO, décrit pour la première fois par Matzger et ses collaborateurs en 2019, a été préparé avec un excellent rendement. Afin d’évaluer plus précisément le potentiel d’application du cocristal ADN/PDO, son hygroscopicité, sa stabilité thermique et sa compatibilité ont été étudiées en détail. De plus, les performances énergétiques des propergols solides à base de cocristal ADN/PDO ont été calculées à l’aide du programme CEA de la NASA [27]. Les avantages de la méthode de préparation, les excellentes performances globales et la haute énergie des propergols solides obtenus font du cocristal ADN/PDO un candidat prometteur pour les applications dans le domaine des propergols solides.

Section expérimentale

Attention ! L’ADN et le cocristal ADN/PDO sont des substances énergétiques dangereuses. Des précautions de sécurité strictes doivent être prises lors de leur préparation, de leur caractérisation et de leur manipulation. Toutes les réactions et tous les tests de performance doivent être effectués sous une hotte à flux laminaire et derrière un écran de protection. Le port d’un écran facial et de gants en cuir est obligatoire.

Préparation

La voie de synthèse du cocristal ADN/PDO est présentée dans le schéma 1. L’ADN et le PDO ont été préparés selon les méthodes décrites dans la littérature. Dans le protocole expérimental standard de préparation du cocristal ADN/PDO, l’ADN et le PDO ont été mélangés dans un réacteur en acier inoxydable sous agitation acoustique à une fréquence de 60 Hz et une accélération équivalente à 20 fois la gravité, pendant 5 min. L’acétonitrile a ensuite été ajouté comme solvant auxiliaire, et le mélange a été agité en continu pendant 60 min sous agitation acoustique.

Conclusion

En résumé, le cocristal ADN/PDO a été préparé par mélange par résonance acoustique avec un rendement ultra-élevé et en un temps très court. Parmi les solvants auxiliaires testés, l’acétonitrile s’est avéré le plus efficace pour favoriser la formation du cocristal ADN/PDO dans ces conditions. La structure cristalline du cocristal ADN/PDO a été étudiée en détail. Ce cocristal présente une structure cristalline unique en forme de sandwich, caractérisée par un réseau dense de liaisons hydrogène.

Déclaration de contribution à l’auteur CRediT

• Xiaoting Ren : Conceptualisation. 
• Liutian Tang : Conservation des données. 
• Xiang Hu : Analyse formelle. 
• Jinxuan He : Méthodologie. 
• Aimin Pang : Supervision.

Déclaration de conflits d’intérêts

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts financiers ou personnels connu susceptible d’avoir influencé les travaux présentés dans cet article.

Références (38)

• F. Chen et al.Technologie de défense(2023)
• S. Qiao et al.Front Énergie. Matière.(2022)
• T. Lee et al.Journal d’ingénierie chimique(2013)
• S. Qiao et al.Journal d’ingénierie chimique(2024)
• P. Barmpalexis et al.Bio.(2018)
• M. Kozakiewicz-Latała et al.Ajouter Manu(2022)
• Z. Li et al.Chimie alimentaire(2024)
• Y. Feng et al.Ingénierie(2020)
• X. Song et al.J. Hazard. Mater.(2008)
• S. Zhang et al.Journal d’ingénierie chimique(2024)