Summary
Este manuscrito describe la síntesis de matrices de combustible aluminophosphate por la reacción de ácido ortofosfórico (H3PO4) con aluminio nanopolvos. Cuando esta reacción se lleva a cabo con exceso de aluminio en presencia de nanopolvos de trióxido de tungsteno, conduce a una espuma sólida, porosa nanothermite.
Abstract
El objetivo del protocolo descrito en este artículo es preparar composiciones aluminotérmica (nanothermites) en forma de objetos porosas, monolíticas. Nanothermites son materiales combustibles de inorgánico combustible y un oxidante. En espumas de nanothermite, el aluminio es el combustible y el aluminio trióxido fosfato y tungsteno son las moléculas oxidantes. Las más altas velocidades de propagación llama (FPVs) en nanothermites se observan en los polvos sueltos y FPVs están fuertemente disminuida por nanothermite polvos de la granulación. Desde un punto de vista físico, nanothermite polvos sueltos son sistemas metaestables. Sus propiedades pueden ser alteradas por compactación involuntaria inducida por choques o vibraciones o por la segregación de partículas en el tiempo por asentamiento de fenómenos, que origina las diferencias de densidad de sus componentes. Pasar de un polvo a un objeto es el reto que debe superar para integrar nanothermites en sistemas pirotécnicos. Nanothermite los objetos deben tener una porosidad abierta alta y buena resistencia mecánica. Nanothermite espumas cumplir dos de estos criterios, y se preparan dispersando una mezcla aluminotérmica de tamaño nanométrico (WO/Al3) en ácido ortofosfórico. La reacción del aluminio con la solución ácida da el AlPO4 "cemento" en que Al y ay3 nanopartículas están integradas. En espumas de nanothermite, fosfato de aluminio desempeña la doble función de aglutinante y oxidante. Este método puede utilizarse con trióxido de tungsteno, que no se altera con el proceso de preparación. Probablemente podría extenderse a algunos óxidos, que son usados comúnmente para la preparación de nanothermites de alto rendimiento. El WO3-espumas nanothermite según se describe en este artículo son particularmente insensibles a impacto y fricción, que los hace mucho más seguros manejar que suelta Al/WO3 polvo. La rápida combustión de estos materiales tiene interesantes aplicaciones en encendedores pyrotechnic. Su uso en detonadores como cartillas requeriría la incorporación de un explosivo secundario en su composición.
Introduction
Este artículo divulga sobre un método para la transformación de mezclas aluminotérmica de tamaño nanométrico (WO/Al3) de un estado de polvo suelto a espumas1. Nanothermites están rápidamente quema energéticas composiciones, que se elaboran más frecuentemente por la mezcla física de una óxido metálica/de sal con un metal reductor, en forma de nanopolvos2. Los óxidos más representativos utilizados para preparar nanothermites son Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 y Bi2O310,11, mientras que las sales metálicas empleadas son percloratos12,13iodates14,15, peryodatos16,17 o persulfatos18los sulfatos. Aluminio nanopolvos es la mejor opción como combustible para nanothermites debido a sus numerosas propiedades deseables, tales como una alta oxidación calor (10-25 kJ/g)19, rápida reacción cinética20, baja toxicidad21, y una feria grado de estabilidad una vez que ha sido exactamente había apaciguado22.
En base Al nanothermites, el frente de llama se propaga a velocidades altas (0,1 - 2,5 km/s), pero esto, sin embargo, no se considera como detonación23. El mecanismo de reacción es conducido realmente por la convección de gases calientes en la porosidad del material no reaccionado. En otras palabras, la porosidad es esencial para la rápida quema de nanothermites. Sin embargo, nanothermite suelta polvo no es estable desde un punto de vista físico. Se compactan por choques o vibraciones, y su componente más densa (generalmente el óxido) se separa progresivamente de la composición por el efecto de la gravedad. La estabilización de la porosidad de nanothermite es un reto crucial para su integración en futuros sistemas pirotécnicos.
La principal ventaja del proceso de preparación que se describe a continuación es darle nanothermite altamente porosos, sólidos, monolitos, que pueden ser formados por el moldeado de la pasta de la que forman. Además, nanothermite las espumas son absolutamente insensibles a los golpes, fricción y electrostáticas, en comparación con polvos sueltos de nanothermite. Esta insensibilidad hace particularmente seguro de manejar y la máquina, por ejemplo por corte o perforación.
Polvos sueltos nanothermite presionados o granulados, disminuye su porosidad y objetos se forman. La cohesión de los materiales origina las fuerzas de superficie, que son responsables de la agregación de las nanopartículas. Puede mejorar la resistencia mecánica de los pellets de nanothermite en presencia de nano-fibras de carbono, que actúan como un marco para reforzar estos objetos24. Por desgracia, presionando fuertemente disminuye la reactividad de nanothermites. Según Prentice et al., la pulsación de nano-Al/nano-WO3 composiciones induce un colapso de su velocidad de reacción por dos órdenes de magnitud7. En conclusión, contrariamente a la mayoría de explosivos, nanothermites no puede ser en forma presionando.
Hasta la fecha, muy pocos métodos para estructurar los nanothermites se han divulgado en la literatura científica ocuparse nanothermites. Nanothermites pueden ser depositados sobre sustratos, ya sea de los polvos de sus componentes dispersadas en un medio líquido por electroforesis25o por el chisporroteo de sus componentes en sucesivas capas26. Ambos métodos conducen a depósitos densos, que son menos reactivos que los polvos sueltos y tienden a delaminate del substrato en el cual se preparan.
La preparación de objetos "tridimensionales" compuesto por nanothermite fue propuesta por Tillotson et al. 5, que utiliza la síntesis de sol gel desarrollada por Gash et al. que consta de gelificación soluciones de sales metálicas en epóxidos27. Monolitos de Nanothermite preparan dispersando Al nanopolvos en el sol, antes de gelificar. Posteriormente, los geles se secan en una cámara de calor para producir xerogeles o por un proceso complejo que involucra el uso de supercrítico de CO2 para obtener aerogels. Aerogeles de Nanothermite no sólo tienen reactividad fuerte pero pueden también trabajar a máquina debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Además, el proceso sol-gel permite sintetizar materiales micro y mesoporosos con un inigualable grado de homogeneidad entre el combustible (Al) y el óxido en la mezcla. A pesar de estas interesantes características, el uso del proceso sol-gel está limitado por: (i) la complejidad de la síntesis de la hornada, que depende de numerosos parámetros; (ii) la presencia inevitable de los subproductos de la síntesis (impurezas) en el material final y (iii) el tiempo necesitado por los diferentes pasos del proceso.
Combustibles esteras de nanothermite se prepararon por electrospinning de nitrocelulosa (carpeta) de soluciones cargadas con nanopartículas de Al y CuO28. Estos fieltros nanothermite están compuestos de fibras con diámetros de escala secundario-micrómetro, que son a priori no porosa. En estos materiales, la porosidad se define por el entrelazamiento de las fibras. Las muestras de nanothermite alfombras quema lentamente (0.06 - 1.06 m/s) comparado con mezclas de Al/CuO tamaño nanométrico puros en estado de polvo suelto, en el que el frente de llama se propaga a una velocidad de varios cientos de m/s29. Por último, el uso de celulosa como aglutinante para nanothermites no es ideal, porque aumenta su sensibilidad térmica considerablemente y altera su estabilidad química a largo plazo.
Membranas de nanothermites se prepararon por Yang et al. de complejo jerárquico MnO2/SnO2 heteroestructuras mezclado con nanopartículas de Al6. En estos materiales, la fase de óxido tiene una morfología muy específica, en los que MnO2 nano-cables están cubiertos por SnO2 ramas. Debido a su estructura muy particular, el óxido no sólo atrapa Al nanopartículas, sino que también asegura la resistencia mecánica de la membrana.El proceso de preparación de MnO2/SnO2/Al membranas es muy sencillo; se trata de lo nanothermite contenido en el líquido en el que se ha elaborado, utilizando la torta de filtración como una membrana de filtración.
Para resumir, el nanothermite sólo objetos mencionados en la literatura científica son depósitos en sustratos, aerogeles o esteras. La idea de preparar nanothermites en forma de espumas sólidas abre nuevos horizontes para la integración de estos materiales energéticos en sistemas funcionales de la pirotecnia. El proceso que hace espuma en este artículo es fácil de realizar y puede aplicarse virtualmente a cualquier nanothermite de aluminio nanopolvos. El agente espumante es el ácido ortofosfórico (H3PO4), un químico común, barato y no tóxico, que reacciona con el nano-Al dar el cemento (AlPO4) y los gases (H2, H2O vapor) que crean la porosidad de la material1. Fosfato de aluminio es particularmente estable a altas temperaturas, al contrario de aglutinantes orgánicos como los polímeros energéticos (nitrocelulosa). Sin embargo, AlPO4 se comporta como un oxidante hacia nano-a alta temperatura, según el concepto de "explosivos negativo" propuesta por Shimizu30.
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Protocol
PRECAUCIÓN: Realizar todas las reacciones descritas en este artículo en una cámara de prueba de explosión con una ventana blindada que permite la inspección visual y la observación de los procesos de formación de espuma/combustión por video de alto velocidad. Tenga cuidado con respecto al riesgo experimental de la posible ignición de aluminotérmica composiciones y la explosión de hidrógeno en el aire. Por esta razón, siempre funciona en una cámara de prueba de explosión equipada con ventilación de escape apropiadas. Recuerde que se realizarán experimentos sobre materiales energéticos por científicos experimentados, que son plenamente conscientes de los peligros, y que todas las pruebas deben realizarse con arreglo a las leyes locales y normas de seguridad. Tenga en cuenta que autores declinan cualquier responsabilidad derivada del uso inadecuado de estos resultados.
1. preparación de una matriz de Aluminophosphate
Nota: Los experimentos se realizan a temperatura ambiente (15-25 ° C).
- Pesar 3,00 g de aluminio nanopolvos.
- Pesar 4,00 g de una solución comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H3PO4) en un vaso de precipitados de 150 mL, añadir el ácido gota a gota con un pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
- Opcionalmente, puede añadirse un volumen de 0 - 2 mL de agua desionizada al ácido ortofosfórico.
- Homogeneizar la solución enlenteciendo girando el vaso con la mano en aproximadamente 100 rpm.
- Coloque el vaso que contiene el ácido en la cámara de explosión.
- Verter el aluminio nanopolvos pesadas en el paso 1.1 en el vaso que contiene la solución de H3PO4 .
- Mezclar rápidamente con una espátula de acero inoxidable; realizar este paso en menos de un minuto.
- Cierre inmediatamente la cámara de explosión.
- Espere hasta que se produce la reacción que hace espuma.
- Luego, esperar un min 10 adicional para la matriz de aluminophosphate enfriar.
- Retire el vaso de la cámara de explosión con una pinza del arco de laboratorio.
- Recuperar la muestra, que se adhiere a la pared del vaso, analizando cuidadosamente. Cuidado con la presencia de residuos ácidos y no manipule los materiales sin guantes.
2. síntesis de espumas de Nanothermite
Nota: Los experimentos se realizan a temperatura ambiente (15-25° C).
- Preparación de la mezcla de nanothermite
- En un matraz de fondo redondo de 100 mL, pesar 3.00 g y 3,45 g de Al y ay3 nanopolvos, respectivamente.
- Los nanopolvos de la mezcla con un mezclador de tipo vórtex operando en 2.500 rpm.
- Revuelva la mezcla suavemente con una espátula de acero inoxidable para homogeneizarla. Evitar cualquier fricción entre la pared de vidrio del matraz de fondo redondo y la espátula durante esta operación.
Nota: En este paso, el experimentador debe conectarse a tierra para evitar cualquier descarga electrostática, que podría causar la ignición de la mezcla. - Repetir la operación 2.1.2.
- Preparación de soluciones de H 3 PO 4
- Pesar 4,00 g de una solución comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H3PO4) en un vaso de precipitados de 150 mL, añadir el ácido gota a gota con un pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
- Preparación de diluido H3PO4 soluciones:
- La muestra preparada en el paso 2.2.1 y añadir de 0 a 2 mL de agua desionizada con un pipeta Pasteur de polietileno de 1 mL.
- Homogeneizar la solución por el movimiento de rotación lenta del vaso aplicado con la mano a una velocidad de aproximadamente 100 rpm.
- Preparación de espumas nanothermite
- Coloque el vaso que contiene el ácido preparado en el paso 2.2 en la cámara de explosión.
- Pour la nanothermite preparado en el paso 2.1 en el vaso que contiene la solución de H3PO4 .
- Mezclar rápidamente con una espátula de acero inoxidable; realizar este paso en menos de un minuto.
- Cierre inmediatamente la cámara de explosión.
- Espere hasta que se produce la reacción que hace espuma.
- Luego, esperar un min 10 adicional para el enfriamiento de la espuma de nanothermite.
- Retire el vaso de la cámara de explosión con una pinza del arco de laboratorio.
- Recuperar la muestra, que se adhiere a la pared del vaso, analizando cuidadosamente. Cuidado con la presencia de residuos ácidos y evitar manipular los materiales sin guantes.
3. combustión de espumas de Nanothermite
- Coloque la matriz de aluminophosphate preparado en el paso 1.10 o la espuma de nanothermite preparado en el paso 2.3.8 en la cámara de explosión.
- Lugar un encendedor pirotécnico cerca de la muestra en el paso 3.1.
- Cerca de la cámara de explosión.
- Conecte el encendedor a un dispositivo electrónico seguro.
- Fuego la cadena pirotécnica.
- Observar la combustión a través de la ventana armada con una cámara ultrarrápida en 10.000 a 30.000 fotogramas/s.
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Representative Results
La matriz de aluminophosphate contiene aluminio cristalizado (Al) y fosfato de aluminio (AlPO4). Fue confirmada la presencia de estas fases por difracción de rayos x (figura 1). Además, gravimétricos experimentos han demostrado que este material también contiene una parte no cristalino, que es alúmina amorfo. En estos materiales, fosfato de aluminio se comporta como binder y oxidante. Las propiedades oxidantes de AlPO4 se demuestran midiendo el calor de la explosión (3.340 J/g) de una mezcla de nano-Al/AlPO4 wt./wt.% 50/50 en un calorímetro de bomba1.
El agua, que se agrega al H3PO4 soluciones diluidas, desacelera el aumento de la temperatura del medio de reacción (figura 2). El secado de H3PO4 anhídrido del fósforo (P4O10), o por cualquier secante fuerte, no es aconsejado (figura 2, curva de la izquierda). En la ausencia de agua, la pasta se somete a calentamiento muy rápido, que provoca la ignición de la espuma de energética y una explosión de hidrógeno en el aire. Tenga en cuenta que la masa del hidrógeno liberado por la preparación de una muestra de la espuma de nanothermite de 10 g es aproximadamente 0,5 g y que la combustión de una cantidad de este gas en el aire da una energía de cerca de 60 kJ. Los límites de inflamabilidad del hidrógeno entre 4 y 75 vol.% en aire y su temperatura de ignición está entre 500 y 580 ° C31.
Los sistemas con agua son más fáciles de mezclar, debido a una más favorable relación líquido/polvo. El agua retrasa la reacción que hace espuma y hace más progresivo y más seguro. Espumas de Nanothermite producidos a partir de soluciones diluidas tienen mejor fuerza mecánica pero menos amplían. El análisis por difracción de rayos x de nanothermite espuma revela que contienen aluminio cristalizado, fosfato de aluminio y trióxido de tungsteno (figura 3). Este último no químicamente interactúan con la reacción que hace espuma.
La composición de la matriz de aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) y la espuma de nanothermite (nano-Al/AlPO4/nano-WO3) preparado según el protocolo se dan en la tabla 1. La densidad de la espuma depende de las condiciones experimentales en las que ellos han sido sintetizados, en particular de la concentración de la solución de H3PO4 . Se extiende típicamente de 5 a 20% de su densidad teórica, correspondiente a una alta porosidad (80-95%).
El calor liberado por la combustión de la matriz aluminophosphate y la espuma de nanothermite, que fueron preparados según el protocolo experimental son iguales a 3.4 kJ/g y 2.5 kJ/g, respectivamente. La combustión de espumas en la bomba calorimétrica produce residuos con contenido de fósforo, cuya presencia se caracteriza por la continua emisión de humos blancos en contacto con el oxígeno atmosférico. Fósforo se produce por la reducción de AlPO4 dentro de la cámara cerrada, en ausencia de aire.
Matrices de Aluminophosphate y nanothermite de espumas no son particularmente sensibles a los esfuerzos de fricción y choque. Sin embargo, debe ser manejadas con cuidado debido a su moderada sensibilidad a la descarga electrostática y fuentes, como llamas de calefacción. Su combustión produce grandes bolas de fuego con chispas, de partículas fundidas. El impacto de estas fases incandescentes altera la superficie de la ventana blindada de la cámara de explosión.
El experimento de la combustión se describe en el protocolo experimental cualitativo ilustra las espumas de combustión rápida de aluminophosphate (o nanothermite). No puede utilizarse para medir la velocidad de propagación de llama en los monolitos de nanothermite debido a los abundantes gases liberados por la reacción ocultan el frente de llama. Por otra parte, la combustión sigue varios caminos dentro de la porosidad del material, que hace difícil saber dónde el frente de combustión en un momento dado y, en consecuencia, a medida que una velocidad de propagación.
Figura 1: patrón de difracción de rayos x de una matriz de aluminophosphate. Patrón de difracción de rayos x de una matriz de aluminophosphate, que muestra la presencia del cristalizadas Al y AlPO4. Esta figura ha sido modificada desde cometa et al. 1 el difractograma fue realizada en una espuma, que había sido previamente aplastada en polvo fino con una distribución de tamaño de partícula por debajo de 200 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: evolución de la temperatura para nanothermite pastas durante su reacción espumante. Evolución de la temperatura para nanothermite pastas durante su reacción que hace espuma, dependiendo de la H34 concentración de PO. Esta figura ha sido modificada desde cometa et al. 1 la temperatura fue medida con un termopar de tipo K coloca la pasta y conectado a un controlador de proporcional-integral-derivado (PID). El fugitivo de la reacción que hace espuma se observa cuando la temperatura es superior a 40 ° C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: patrón de difracción de rayos x de una espuma de nanothermite. Patrón de difracción de rayos x de una espuma de nanothermite, que muestra la presencia de Al cristalizado, AlPO4 y WO3. Esta figura ha sido modificada desde cometa et al. 1 como para espumas de aluminophosphate, el difractograma se realizó sobre una muestra, que ha sido previamente aplastado en polvo fino con una distribución de tamaño de partícula por debajo de 200 μm. Nota que trióxido de tungsteno no reacciona con ácido ortofosfórico en los condiciones experimentales utilizadas.Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Muestra | Al (wt.%) | Al2O3 (wt.%) | AlPO4 (wt.%) | WO3 (wt.%) | H2O (wt.%) |
| Al/H3PO4. H2O | 21.8 | 9.4 | 68,8 | 0.0 | 0.0 |
| Al/WO3/h3PO4. H2O | 14.6 | 5.0 | 44.2 | 36.2 | 0.0 |
Tabla 1: composición química de la aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) y nanothermite (nano-Al/nano-WO3/AlPO4) espumas según el protocolo de. Estos valores fueron calculados de datos termogravimétrico.
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Discussion
El proceso de mezcla de nanopolvos con ácido y el cierre de la cámara de explosión deben realizarse rápidamente, por razones de seguridad. El retardo de reacción puede variar hasta cierto punto (1-10 min), dependiendo de las condiciones experimentales. Se acorta cuando la temperatura es demasiado alta o en presencia de fuente de calor externa como un foco, que puede causar la activación temprana de la reacción de formación de espuma. Por el contrario, se incrementa cuando la temperatura ambiente es baja. En el caso de demasiada demora que hace espuma (> 15 min), la reacción puede ser detenida por verter rápidamente una gran cantidad de agua en el vaso de precipitados (100 mL). La preparación de la espuma aluminophosphate de la matriz o nanothermite debe realizarse a temperatura ambiente (15-25 ° C), sabiendo que la reacción que hace espuma se activa cuando la temperatura de la pasta es de entre 40 a 45 ° C (figura 2). La reacción que hace espuma es precedida por un signo de advertencia, que es una leve expansión de la pasta con burbujas de gas rompiendo su superficie. El fugitivo de la reacción se caracteriza por una rápida y fuerte expansión de la pasta, acompañada por el importante lanzamiento gaseoso (H2 y H2O vapor).
La cantidad de nanopolvos mezclado con la solución de H3PO4 define la consistencia de la pasta. Proporciones bajas de líquido de polvo ácido dan pastas, mientras que proporciones bajas de ácido/polvo dificultan la mezcla. El óxido que se utiliza para la preparación de nanothermite debe ser compatible con ácido ortofosfórico. Las espumas aluminophosphate o nanothermite siempre deben estar preparadas en pequeñas cantidades (típicamente de 10 g), para minimizar el riesgo de explosión de hidrógeno liberado en el aire durante el proceso.
El primer paso importante es el pesaje de nanopolvos, que deben llevarse a cabo por un operador con cada equipo de protección adecuado (mascarilla de cartucho con filtro FFP3) bajo una campana de humos. La mezcla de nanopowder(s) con ácido ortofosfórico debe hacerse rápidamente para tener tiempo para cerrar la cámara de prueba de explosión, que es más difícil cuando la pasta es gruesa, por ejemplo con una proporción alta de polvo/ácido. Las espumas deben sintetizarse lejos de fuentes de calor, debido a la formación de hidrógeno de la reacción. Todas las muestras energéticas deben manejarse con cuidado; Nano-Al/nano-WO3 polvo suelto tiene un umbral especialmente bajo sensibilidad a descarga electrostática (0,14 mJ). Por último, la prueba ardiente de espumas debe realizarse en una cámara de combustión que está equipada con un extractor de aire apropiado.
La preparación de objetos nanothermite mediante este proceso es única. El otro método para la preparación de monolitos de gran nanothermite es metodología de sol-gel. Esta técnica requiere precursores específicos y pasos de síntesis y secado muy largo, que hace que sea muy caro. Además, los materiales producidos por la técnica sol-gel siempre contienen impurezas procedentes del proceso. Finalmente, sol gel producto porosidad es extremadamente pequeño en comparación con espumas de nanothermite, que limita la propagación por mecanismos de convección (pérdidas de carga) y puede alterar su reactividad.
La futura integración de nanothermite espumas en sistemas pirotécnicos requerirá el uso de otros óxidos (por ejemplo, CuO y Bi2O3) con el fin de mejorar sus propiedades reactivas. Además, la adición de explosivos secundarios en espumas de nanothermite, en el proceso de composición o por la infiltración posterior (a partir de una solución) de una espuma existente, podría utilizarse para sintetizar a detonantes de nanocomposites energética32. Tales materiales podrían encontrar aplicaciones interesantes en cartillas sin plomo. El moldeado de espuma nanothermite en objetos con formas bien definidas será el próximo reto a superar.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores desean agradecer a los fotógrafos de ISL, Yves Suma y Yannick Boehrer, para las fotos de muestras y para la observación por video de alta velocidad de la síntesis y la combustión de espumas de nanothermite. También les gustaría expresar su agradecimiento a su colega el Dr. Vincent Pichot de NS3E laboratorio para la caracterización de los materiales por difracción de rayos x.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminum nanopowder | Intrinsiq Materials | - | nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891 |
| Tungsten(VI) oxide | Sigma-Aldrich | 550086-25G | nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V |
| Orthophosphoric Acid | Fisher Scientific | - | 85% solution |
| polyethylene Pasteur pipette 3 mL | Th. Geyer | 7691062 | LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm |
| polyethylene Pasteur pipette 1 mL | Th. Geyer | 7691063 | LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm |
| Test tube shaker Reax Control | Heidolph | 541-11000-00 | Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields |
References
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