Synthesis and Characterization of Novel Energetic Materials Based on NTO & Energetic Binder Through Cast-Cured Technique

Le domaine des matériaux énergétiques évolue constamment en réponse au potentiel destructeur considérable résultant de stimuli involontaires et d’initiations accidentelles, des événements qui entraînent des pertes importantes en vies humaines et en biens. Par conséquent, ce domaine de recherche suscite une grande attention et un intérêt croissant visant à développer de nouveaux matériaux énergétiques. Les explosifs plastiques (PBXs) constituent une classe de matériaux énergétiques reconnus pour leur manutention sécuritaire et leur insensibilité à divers stimuli. D’importants efforts ont été consacrés au développement de la prochaine génération de PBXs afin d’améliorer leurs performances et leurs caractéristiques de sécurité. L’intégration de polymères énergétiques et d’explosifs intrinsèquement insensibles tels que le 3-nitro-1,2,4-triazole-5-one (NTO) et le 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène (TATB), comme substituts potentiels aux explosifs traditionnels tels que le 1,3,5,7-tétranitro-1,3,5,7-tétrazocane (HMX) et le 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazinane (RDX), attire aujourd’hui beaucoup d’intérêt. L’objectif est la synthèse et la caractérisation de matériaux explosifs avancés, en particulier par la technique du moulage-coulée, afin de développer de nouveaux PBXs combinant une performance de détonation améliorée avec une meilleure sensibilité mécanique et une stabilité thermique accrue. De plus, cette recherche propose une nouvelle méthode de synthèse de NTO basée sur un microréacteur, visant à surmonter les limitations et les risques des procédés traditionnels en batch. Les activités de la thèse sont divisées en cinq axes principaux. La première partie vise à étudier la nature et les paramètres critiques associés à la synthèse conventionnelle du NTO par la technique en batch et par la procédure (one-pot). Ce travail a pour objectif de proposer une voie de synthèse plus sûre et plus efficace. Les données obtenues à ce stade, en particulier la température de nitration, ont été essentielles pour orienter le développement d’une nouvelle méthode de synthèse du NTO dans un microréacteur.

Abstract

The field of energetic materials continually evolves in response to the substantial destructive potential resulting from unintended stimuli and accidental initiation. These events result in significant loss of human lives and assets. Consequently, this research area has attracted much attention and substantial interest aimed at developing novel energetic materials. Plastic bonded explosives (PBXs) represent a class of energetic materials recognized for their safe handling characteristics and unsensitivity to diverse stimuli. Great efforts had been devoted to developing the next generation of PBXs, aiming to improve their performance and safety attributes. The incorporation of energetic polymers and intrinsically insensitive explosives such as 3-nitro, 1, 2,4-triazole, 5-one (NTO) and 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene (TATB), as potential replacements for traditional explosive materials like 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane (HMX) and 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazinane (RDX) has attracted much attention nowadays. The objective is the synthesis and characterization of advanced explosive materials, particularly through the cast cured technique to develop novel PBXs that combined between enhanced detonation performance with enhanced mechanical sensitivity and thermal stability. In addition, this research proposes a novel microreactor based synthesis method for NTO explosive, aiming to overcome the limitations and risks of traditional batch processes. The thesis activities are divided into five main trusts; the first part is to investigate the nature and critical parameters associated with the conventional synthesis of NTO explosives using the batch technique and the one-pot procedure. This work aims to propose a safer and more efficient synthesis route. The data obtained from this stage particularly the nitration temperature was critical for guiding the development of a new method for NTO synthesis inside the microreactor.