摘 要

硝酸铵是一种重要的农用化肥和工业原料，由于其存在显著危险性，对其进行热分解机理及抑制机理的研究具有重要的理论与现实意义。本文通过热分析技术中常用的热重分析及差示扫描量热法，并结合傅里叶变换红外光谱仪探测技术，对纯样硝酸铵以及加入10wt%磷酸二氢铵改性的硝酸铵分别进行不同加热速率下的实验并对比其热稳定性、热解能量释放、热分解产物，并对热解机理和抑制机理进行探究。实验结果表明，升温速率不会显著影响硝酸铵的晶型转变和熔融过程，但对其热分解过程产生显著影响；经过改性的硝酸铵热分解气体总量减少，热分解反应速率与反应热量有一定程度的降低，表明磷酸二氢铵对硝酸铵热解反应有一定的抑制作用。其抑制机理主要是以下两个方面：分解出的氨气综合作用于硝酸铵；分解出的磷酸以及后续分解反应吸收大量热量。

关键词：硝酸铵；热分解；改性；机理

Abstract

Ammonium nitrate is an important agricultural fertilizer and industrial raw material. Due to its marked risk, the study on its thermal decomposition and inhibition mechanisms has important theoretical and practical significance. In this work, the widely used Thermogravimetry and Differential Scanning Calorimetry along with Fourier transform infrared spectrometer are employed to the thermal stability, decomposition heat release and decomposition products of ammonium nitrate and its mixture with 10 wt% ammonium dihydrogen phosphate. The experiments are conducted at different heating rate, and the thermal decomposition and inhibition mechanisms are explored. The experimental results show that the heating rate does not affect the crystal transition and melting process of ammonium nitrate, but it has an effect on the thermal decomposition process. The modified ammonium nitrate produce less gas than pure ammonium nitrate during thermal decomposition. At the same time, the thermal decomposition rate and the reaction heat are also reduced to a certain degree. This work confirms that ammonium dihydrogen phosphate exerts inhibitory effect on the pyrolysis of ammonium nitrate. The inhibition mechanisms consist of the following two aspects: The decomposed ammonia works on ammonium nitrate; the decomposed orthophosphoric acid and subsequent decomposition reactions absorb much heat.

Key Words： Ammonium nitrate; Thermal decomposition; Modification; Mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义和目的 2

1.3 硝酸铵特性 2

1.3.1 硝酸铵的理化性质 2

1.3.2 硝酸铵的热分解性 3

1.3.3 影响硝酸铵热稳定性的因素 4

1.3.4 硝酸铵的爆炸性 5

1.4 硝酸铵的改性研究 5

1.5 热分析技术 6

1.5.1 热重分析 7

1.5.2 差示扫描量热法 7

1.6 本文研究内容 8

第2章 硝酸铵热解及抑制实验系统和分析方法 9

2.1 实验系统 9

2.1.1 实验药品 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 实验样品的制备 11

2.3 实验过程介绍 11

2.4 本章小结 11

第3章 硝酸铵的热稳定性及磷酸二氢铵对其的影响 12

3.1 硝酸铵热分解过程的典型表征参数 12

3.2 硝酸铵的热稳定性 13

3.3 添加剂对硝酸铵热稳定性的影响 15

3.3.1 改性硝酸铵热分析实验结果 15

3.3.2 改性硝酸铵对比图谱与数据分析 17

3.4 热分析-红外联用技术对逸出气体的分析 19

3.4.1 硝酸铵热解红外分析 19

3.4.2 改性硝酸铵热解红外分析 20

3.5 添加剂对硝酸铵热分解抑制机理的研究 22

3.5.1 硝酸铵热分解机理 22

3.5.2 磷酸二氢铵对硝酸铵热解反应的抑制机理 23

3.6 本章小结 24

第4章 结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

硝酸铵（化学式NH₄NO₃）简称硝铵（AN），由德国人J·R格劳贝尔于1659年首次合成，并于1867年开始用来制造工业炸药^[1]。自此以后，硝酸铵作为现代化学合成的代表性物质被大量生产，并在全世界范围内得到了极其广泛的应用。硝酸铵的含氮量达到了34.98%，是一种高效的优质肥料，居世界氮肥产量的第2位，仅次于尿素^[2]。同时硝酸铵也是一种重要的工业原材料，而由于其分解产物符合环境友好的概念，因此其还被用作航空领域的清洁能源。现如今，硝酸铵作为一种优质的原料在工业与农业领域得到了广泛的应用。

硝酸铵是一种非常钝感的爆炸性物质，在常温常压下，纯净的硝酸铵对机械作用并不敏感，因此，理论上纯净硝酸铵发生事故的概率极低。但硝酸铵作为一种具有弱爆性的氧化物质，在高温高压条件下或当其中存在某些杂质时其理化性质会发生变化，成为一种具有较高活性的化学物质，易发生热失控从而导致事故的发生。诸多因素会导致硝酸铵在生产、运输、储存和使用过程中事故频发^[3]，下表1.1列出了20世纪以来部分国内外硝酸铵爆炸事故。

表1.1 20世纪以来国内外重大硝酸铵爆炸事故

常见的工业铵油炸药是以硝酸铵、柴油和木粉为主要原料经过简单机械混合制成。由于硝酸铵获取比较容易，加之以其为原料制作可爆物质并不困难，一些不法分子便利用农用硝酸铵为原料进行硝铵类炸药的制备，危害社会安全。在世界范围内，很多爆炸恐袭案件或多或少都与它有关，例如 1995年，美国俄克拉荷马市联邦大楼发生爆炸，共造成168人死亡，事后调查显示炸弹的主要原料便是硝酸铵；又如2002年印尼巴厘岛恐袭事件中主体炸弹便是硝酸铵，共造成190人死亡；而存在于我国的东突势力屡屡使用硝酸铵危害人民的人身与财产安全。