Comparative Investigation of Thermal Decomposition of Various Modifications of Hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) (2000)

The thermal decomposition kinetics of different polymorphs of CL-20 (α, γ and ε) has been investigated by thermogravimetry, IR spectroscopy and optical and electronic microscopy. The reactions proceed with self-acceleration and can be described by a kinetic law of first order with autocatalysis. Already at the earliest stages of decomposition (≤1%) phase transitions take place from αγ and from εγ. For this reason the observed decomposition is related to the decomposition of γ-CL-20. On the other hand, the kinetics of decomposition depends on the initial polymorphic state, so that the thermal decomposition increases in the series: α<γ<ε. Experiments with different samples of α-CL-20 demonstrate that different rates of decomposition are observed for the same polymorph depending on the mean size and the size distribution of the crystals and their morphological features. In some cases the thermal stability of α-CL-20 can be increased by previous annealing. It is concluded that the thermal decomposition of CL-20 is purely a solid-state process. Microscopical and spectroscopical analysis of the condensed CL-20 decomposition product (formed after prolonged heating at high temperature) show that it has a network structure and consists mainly of carbon and nitrogen. Vergleichende Untersuchung der thermischen Zersetzung verschiedener Modifikationen von Hexanitrohexaazaisowurtzitan (CL-20) Die Kinetik der thermischen Zersetzung verschiedener Modifikationen (α, γ, ε) von CL-20 wurde untersucht mit Hilfe von Thermogravimetrie, IR-Spektroskopie sowie optischer Mikroskopie und Elektronenmikroskopie. Die Reaktionen verlaufen selbstbeschleunigend und können durch ein Gesetz 1. Ordnung mit Autokatalyse beschrieben werden. Schon nach Beginn der ersten Zersetzungsstufen (<1%) erfolgt die Umwandlung von α nach γ und von ε nach γ. Aus diesem Grunde handelt es sich vorwiegend um eine Zersetzung von γ-CL-20. Auf der anderen Seite hängt die Zerfallskinetik von der ursprünglich vorhandenen Modifikation ab, so dass die Zersetzungsgeschwindigkeit in der folgenden Weise ansteigt: α<γ<ε. Die Untersuchung von verschiedenen Proben von α-CL-20 hat gezeigt, dass für dieselbe Modifikation unterschiedliche Zerfallsgeschwindigkeiten beobachtet werden, die von der mittleren Korngröße, der Größenverteilung der Kristalle sowie von der morphologischen Struktur der Kristalle abhängen. In einigen Fällen kann die thermische Stabilität von α-CL-20 durch eine vorausgehende Temperaturbehandlung verbessert werden. Es wird angenommen, dass es sich bei der thermischen Zersetzung von CL-20 um eine Reaktion in fester Phase handelt. Eine mikroskopische und spektroskopische Analyse des kondensierten Zersetzungsproduktes von CL-20, das nach langem Erhitzen auf eine höhere Temperatur erhalten wurde, weist auf eine Netzwerkstruktur hin und besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und Stickstoff. Étude comparative de la décomposition thermique de différentes modifications de l'hexanitrohexaazaisowurtzitane (CL-20) La cinétique de la décomposition thermique de différentes modifications (α, γ, ε) du CL-20 a été étudiée à l'aide de la thermogravimétrie, de la spectroscopie IR ainsi que des microscopies optique et électronique. Les réactions se déroulent avec auto-accélération et peuvent être décrites par une loi de 1er ordre à autocatalyse. Dès le début de la première phase de décomposition (<1%) a lieu la transition de α vers γ et de ε vers γ. Il s'agit donc essentiellement d'une décomposition de CL-20 γ. d'autre part, la cinétique de décomposition dépend de la forme cristalline initiale, de sorte que la vitesse de décomposition augmente de la manière suivante: α<γ<ε. l'étude de différents échantillons de CL-20 α a montré que, pour la même forme cristalline, on observait différentes vitesses de décomposition, qui dépendent de la taille moyenne des particules, de la répartition granulométrique des cristaux ainsi que de leur morphologie. Dans certains cas, on peut améliorer la stabilité thermique du CL-20 α par un traitement thermique préliminaire. On suppose que la décomposition thermique du CL-20 est une réaction en phase solide. Une analyse microscopique et spectroscopique du produit de décomposition condensé du CL-20, obtenu à l'issue d'un chauffage prolongé à haute température, révèle une structure réticulaire composée essentiellement de carbone et d'azote.