Nanothermite med marengs-lignende morfologi: fra løs pulver til svært porøs objekter

Summary

Dette manuskriptet beskriver syntesen av brennbare aluminophosphate matriser reaksjon orthophosphoric syre (H₃PO₄) med aluminium nanopowder. Når denne reaksjonen er gjennomført med overflødig aluminium i nærvær av tungsten trioxide nanopowder, fører det til en solid, porøse nanothermite skum.

Abstract

Målet med protokollen beskrevet i denne artikkelen er å forberede aluminothermic komposisjoner (nanothermites) i form av porøs, monolittisk objekter. Nanothermites er brennbare materialer laget av uorganiske drivstoff og en oksidant. I nanothermite skum er aluminium drivstoff og aluminium fosfat og tungsten trioxide er de oksiderende moieties. De høyeste flamme overføring fart (FPVs) i nanothermites er observert i løs pulver og FPVs er sterkt redusert med pellets nanothermite pulver. Fra et fysisk ståsted er nanothermite løs pulver metastable systemer. Egenskaper kan endres utilsiktet komprimeres indusert ved støt eller vibrasjoner eller segregering av partikler over tid av settling fenomener, som stammer fra tetthet forskjellene for sine komponenter. Flytte fra et pulver til et objekt er utfordringen som må overvinnes for å integrere nanothermites i pyroteknisk systemer. Nanothermite objekter må ha både en åpen på høy porøsitet og god mekanisk styrke. Nanothermite skum oppfyller begge disse kriteriene, og de er forberedt ved å spre en nano-størrelse aluminothermic blanding (Al/WO₃) i orthophosphoric syre. Reaksjonen av aluminium med syre løsningen gir AlPO₄ “sement” som Al og ve₃ nanopartikler er innebygd. I nanothermite skum spiller aluminium fosfat den doble rollen bindemiddel og oksidant. Denne metoden kan brukes med tungsten trioxide, som ikke endres av forberedelsesprosessen. Det kan trolig bli utvidet til noen karbonoksider, som vanligvis brukes for utarbeidelse av høytytende nanothermites. WO₃-basert nanothermite skum beskrevet i denne artikkelen er spesielt ufølsom og friksjon, noe som gjør dem langt tryggere å håndtere enn løs Al/WO₃ pulver. Rask forbrenning av disse materialene har interessante programmer i pyroteknisk igniters. Deres bruk i detonatorer som primere ville kreve inkorporering av en sekundær eksplosive i sammensetningen.

Introduction

Denne artikkelen rapporter om en metode for å transformere nano-størrelse aluminothermic blandinger (Al/WO₃) fra en løs pulver tilstand skum¹. Nanothermites er raske brenner energisk komposisjoner som er oftest utarbeidet av fysiske blanding av en metallisk oksid/salt med en redusert metall, i form av nanopowders². Mest representative oksider brukt til å klargjøre nanothermites er Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷MoO₃⁸ , CuO⁹ og Bi₂O₃^10,11, mens metallisk salter brukes er perchlorates^12,13, iodates^14,15, periodates¹⁶, sulfater¹⁷ eller persulfates¹⁸. Aluminium nanopowder er det beste valget som drivstoff for nanothermites på grunn av sine mange attraktive egenskaper, for eksempel en høy oksidasjon varme (10-25 kJ/g)¹⁹, rask reaksjon kinetics²⁰, lav giftighet²¹_, og rettferdig grad av stabilitet når det er nøyaktig paddivert²².

I Al-baserte nanothermites, flammen foran overfører på høy fart (0,1 – 2,5 km/s), men dette kan imidlertid, anses som detonasjon²³. Reaksjon mekanismen er faktisk drevet av konveksjon av varme gasser i porøsitet Ureagert materiale. Med andre ord, er porøsitet avgjørende for rask forbrenning av nanothermites. Løs nanothermite pulver er imidlertid ikke stabil fra et fysisk ståsted. De er komprimert med støt eller vibrasjoner, og deres tetteste komponent (generelt oksid) skiller gradvis fra sammensetningen av effekten av tyngdekraften. Stabilisering av nanothermite porøsitet er en avgjørende utfordring for deres integrering i fremtidige pyroteknisk systemer.

Den største fordelen med forberedelsesprosessen beskrevet her er å gi svært porøs, solid, nanothermite monolitter, som kan være formet av molding lim som utgjør. I tillegg er nanothermite skum svært lite følsom for sjokk, friksjon og elektrostatisk utladning sammenlignet nanothermite løs pulver. Dette insensitivitet gjør dem spesielt trygge å håndtere og maskinen, for eksempel ved saging eller boring.

Når løs nanothermite pulver er trykket eller pelletized, deres porøsitet reduseres og objekter er dannet. Samholdet av slike materialer stammer fra overflaten krefter, som er ansvarlig for aggregering av nanopartikler. Mekanisk styrke av nanothermite pellets kan forbedres i nærvær av carbon nano-fiber, som fungerer som et rammeverk for å forsterke disse objektene²⁴. Dessverre, trykke sterkt reduserer reaktivitet av nanothermites. Ifølge Prentice et al.induserer å trykke på nano-Al/nano-WO₃ komposisjoner en kollaps av deres reaksjon hastighet av to størrelsesordener⁷. I konklusjonen, i motsetning til de fleste sprengstoff, kan ikke nanothermites formes ved å trykke.

Hittil har svært få metoder for å strukturere nanothermites rapportert i vitenskapelig litteratur håndteringen av nanothermites. Nanothermites kan settes på underlag, enten fra pulver av sine komponenter spredt i en flytende medium ved geleelektroforese²⁵eller sputtering sine komponenter i påfølgende lag²⁶. Begge tilnærminger føre til tett innskudd, som er mindre reaktiv enn løs pulver og delaminate fra underlaget der de er forberedt.

Utarbeidelsen av “tredimensjonal” objekter består av nanothermite ble foreslått av Tillotson et al. ⁵, som brukte sol-gel syntese utviklet av flenge et al. som består av gelling løsninger av metallisk salter av epoksider²⁷. Nanothermite monolitter tilberedes av spre Al nanopowder i sol, før gelling. Geléer er deretter tørket i en varme kammer å produsere xerogels eller ved en komplisert prosess som involverer bruk av superkritisk CO₂ å få aerogels. Nanothermite aerogels ikke bare har sterk reaktivitet, men kan også være maskinert på grunn av deres gode mekaniske egenskaper. I tillegg gjør sol-gel prosessen det mulig å syntetisere mikro- og mesoporous materialer med en uovertruffen grad av homogenitet mellom drivstoff (Al) og oksid i miksen. Til tross for disse interessante funksjoner, bruk av sol-gel er begrenset av: (i) kompleksiteten i satsvis syntese, som avhenger av mange parametere; (ii) uunngåelig tilstedeværelse av syntese biprodukter (urenheter) i siste materiale og (iii) i svært lang tid kreves av de ulike trinnene i prosessen.

Brennbare matter av nanothermite ble utarbeidet av electrospinning av nitrocellulose (binder) fra løsninger med Al og CuO nanopartikler²⁸. Disse nanothermite tover består av fibre med sub mikrometer skala diameter, som er en priori ikke-porøse. Disse materialene er i porøsitet definert av sammenfiltring av fiber. Eksempler på nanothermite matter brenner sakte (0,06 – 1.06 m/s) sammenlignet med ren nano-størrelse Al/CuO blandinger i løse pulveret tilstand, som overfører flammen foran på en hastighet av flere hundre m/s²⁹. Til slutt, bruk av nitrocellulose som bindemiddel for nanothermites er ikke ideelt, fordi det betydelig øker deres termisk følsomhet og endrer langsiktig kjemiske stabilitet.

Membraner av nanothermites ble utarbeidet av Yang et al. fra komplekse hierarkisk MnO₂/SnO₂ heterostructures blandet med Al nanopartikler⁶. Disse materialene har oksid fasen en svært spesifikke morfologi, der MnO₂ nano-ledninger er dekket av SnO₂ grener. På grunn av sin meget spesiell struktur, oksid ikke bare feller Al nanopartikler, men også sikrer mekanisk motstand av membranen.Forberedelsesprosessen med MnO₂/SnO₂/Al membraner er meget enkel; Det består av filtrering av nanothermite i væsken der det er utarbeidet, bruke filtrering kaken som en membran.

For å oppsummere, den eneste nanothermite er nevnt i den vitenskapelige litteraturen innskudd på underlag, aerogels eller matter. Ideen om forbereder nanothermites i form av solid skum åpner nye horisonter for integrering av disse energisk materialer i funksjonelle fyrverkeri systemer. Skummende prosessen i denne artikkelen er enkelt å utføre og kan brukes nesten alle nanothermite utarbeidet av aluminium nanopowder. Skummende agent er orthophosphoric syre (H₃PO₄), en felles, billig og giftig kjemisk, som reagerer med nano-Al gi sement (AlPO₄) og gasser (H₂, H₂O damp) oppretter porøsitet av den materiale¹. Aluminium fosfat er spesielt stabil ved høye temperaturer, i motsetning til organisk bindemidler som energisk polymerer (nitrocellulose). Imidlertid fungerer AlPO₄ som et oxidizer mot nano-Al ved høy temperatur, et konsepsjon “negativ eksplosiver” foreslått av Shimizu³⁰.

Protocol

FORHOLDSREGEL: Utføre alle reaksjoner som er beskrevet i denne artikkelen i en eksplosjon-bevist kammer med en pansret vindu som lar både visuell inspeksjon og observasjon av skummende/forbrenning prosessene av høy fart video. Ta vare om eksperimentell risikoen som følge av potensielle tenningen av aluminothermic komposisjoner og hydrogen eksplosjonen i luften. Derfor alltid arbeide i en eksplosjon-bevist kammer utstyrt med egnet ventilasjonsavtrekk. Husk at eksperimenter på energisk materialer må utføres av erfar…

Representative Results

Aluminophosphate matrise inneholder krystallisert aluminium (Al) og aluminium fosfat (AlPO4). Tilstedeværelsen av disse fasene ble bekreftet av X-ray Diffraksjon (figur 1). I tillegg har gravimetric eksperimenter vist at dette materialet inneholder også en ikke-krystallinske del, som er amorfe alumina. Disse materialene fungerer aluminium fosfat både som bindemiddel og oksidant. Oksiderende egenskaper av AlPO4 var dokumentert ved å m…

Discussion

Miksing av nanopowders med syre og stenging av eksplosjonen kammeret må utføres raskt, av sikkerhetsgrunner. Reaksjon forsinkelsen kan variere litt (1-10 min), avhengig av eksperimentelle forhold. Det forkortet når romtemperatur er for høy eller i nærvær av eksterne varme kilder som en spotlight, som kan forårsake tidlig aktivering av skummende reaksjonen. Det er derimot økt når romtemperatur er lav. I tilfelle for mye skummende forsinkelse (> 15 min), reaksjonen kan stoppes ved å helle en stor mengde vann …

Materials

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