利用微流控技术进行含能化合物合成

利用微流控体系进行含能材料合成的优势之一在于它更高的工作效率。传统实验过程中，我们常通过搅拌来实现反应物混合，这往往需要较长的操作时间才能达到较为均匀的效果。微流控技术则是通过层流剪切、分布混合、延伸流动以及分子扩散实现高效、快速混合。

Zukerman 等参照传统合成工艺路线在微流控体系中从 DAPO一步合成出LLM-105 单质炸药，产品的得率与传统工艺相当。将化学反应单元集成到微流控体系中，实现反应过程的自动化和集成化是十分具有研究价值的，这是烧杯或者反应釜难以做到的。而且传统实验探索合成路径、确定最佳反应条件只能逐次改变实验参数，整个过程耗时长、效率低，实验参数的不连续设置还极易错过最佳条件。

微流控体系不仅能实现工艺参数的精准调控，单次实验还耗时短，筛选工艺条件更为容易高效。对于不同结构的芯片其混合效率也不同，由于管线直径较小，流体在直线型运输通道内始终保持层流状态，仅通过层流剪切及分子扩散实现两相完全混合所需的路径较长，效率低。

常用以下三种理念来设计高效混合型微流控芯片：一是利用特殊的几何结构，如弯曲、转角等；二是在通道中设计障碍物；三是通过结构实现流体的不断分流和混合。对比其物理场模拟结果可以看出，相比简单的直线型通道，经高效混合型微流控芯片后反应物的混合效率有显著改善。此外也报道了由电、磁场驱动的主动式混合模块，但考虑到含能材料本身的敏感性，詹乐武等人采用超声辅助微流控技术制备了纳米 LLM-105，南京理工大学设计了一种以压力驱动的振荡混合器，结合旋涡型微流控芯片成功制备了纳米粒径 HNS。

说明超声波、压力作为外部能量所驱动的主动式混合模块在含能材料制备中是可行且极具应用前景的。优势之二在于它更高的转化率和选择性。产率通常与温度、物料比等因素有关。刘阳艺红采用内趾交叉多层微反应器研究了反应温度及体积流速对转化率的影响，在最佳反应条件下将 5-MDNI的产率从 60%提高到 87%。刘卫孝研究了微流控体系中输入的物料比对TEGDN 产率和纯度的影响，结果表明，过量硝酸有利于反应的进行，但会溶解少量产物，降低产品收率。

硝酸相对用量较少时又会增加不完全硝化的副产物。实现高的转化率和选择性就要精确控制原料用量以及传质传热过程，而在微米级尺寸下，管道内物料体量小，反应物能在极短的时间内快速均匀混合，避免副反应的发生，产率和选择性自然得到提高。

周楠等对比分析了微流控体系和常规方法合成的 N-LTNR 的 XRD 数据。结果显示，常规合成的斯蒂芬酸铅内含有不定性斯蒂芬酸铅晶体，并且可以找到无水斯蒂芬酸铅和一水合斯蒂芬酸铅对应的衍射峰；而采用微流控体系合成的产物为单斜晶系，与卡片匹配率达到4.5，纯度高，没有与不定性晶体对应的衍射峰，这进一步说明了微尺度下材料合成的可控性。

微流控体系的在线样品量少，进行危险化学物质合成时，能极大的保障操作人员安全。基于这些优势，微流控技术在含能材料领域已经成功应用于 1-甲基-4,5-二硝基咪唑、硝基胍、二硝基萘、1,2-丙二醇二硝酸酯、硝酸异辛酯、Pb(N3)2 、BaTNR、LTNR等炸药和含能助剂的合成中。随着现代化战场对探索新型含能材料的需求越来越迫切，微流控技术在化学合成中应用的不断成熟，其广泛的适用性和较低的试错成本未来一定能为新型含能材料的合成提供更加便捷的实验方案。