Computational studies of impact sensitivity in energetic plasticizers – using DFT on BuNENA, MeNENA and DINA

Energetiske materialer er nøkkelingredienser i rakettdrivstoff. Moderne faste rakettdrivstoffer inneholder energetiske myknere, som forbedrer parametere som termisk stabilitet, energiinnhold, mekaniske egenskaper, oksygenbalanse og forbrenningsegenskaper. Vi har undersøkt slagfølsomheten til tre slike energetiske myknere.

I dette prosjektet har vi sett på 2-[butyl(nitro)amino]etyl nitrate (BuNENA), 2-[metyl(nitro)amino]etyl nitrate (MeNENA) og (nitroazandiyl)bis(etan-2,1-diyl) dinitrat (DINA). Vi forsøkte å forutsi slagfølsomheten basert på molekylære bindingsenergier ved å bruke tetthetsfunksjonalteori med exchange-korrelasjonsfunksjonalen M06-2X og basissettet TZVP. Vi har undersøkt to ulike eliminasjonsreaksjoner: homolytisk dissosiasjon av nitrogrupper og eliminering av salpetersyrling.

Basert på disse beregningene er det O–NO2-bindingen som lettest brytes, noe som stemmer overens med litteraturen. Vi viste også at disse bindingene er sterkere i BuNENA enn i MeNENA og DINA, og at de to sistnevnte har lignende bindingsstyrker. Dette stemmer ikke overens med eksperimentelt målte slagfølsomheter. Derfor kan ikke forskjellen i slagfølsomhet angitt i litteraturen forklares av dissosiasjonsenergien til nitrogruppen alene. Eliminering av salpetersyrling bør undersøkes grundigere for å få resultater som gir mer innsikt om dette.

Vi sammenlignet ulike exchange-korrelasjonsfunksjonaler med coupled-cluster singles og doubles med perturberte triples. Det viste seg at bindingsdissosiasjonsenergien beregnet med CAMB3LYP- funksjonalen var nærmest coupled-clusterresultatet.

Til slutt utførte vi et eksperiment med fallhammer på BuNENA. Dette viste betydelig lavere følsomhet enn det som er rapportert i litteraturen. Dette kan skyldes variasjoner i de eksperimentelle metodene. Det bør derfor utføres ytterligere undersøkelser.