Nanotermite con meringa-come la morfologia: da cipria in polvere agli oggetti ultra-porosi

Summary

Questo manoscritto descrive la sintesi delle matrici di combustibili aluminophosphate dalla reazione di acido ortofosforico (H₃PO₄) con alluminio nanopolveri. Quando questa reazione avviene con alluminio in eccesso in presenza di nanopolveri di triossido di tungsteno, porta ad una schiuma di nanotermite solido, poroso.

Abstract

L’obiettivo del protocollo descritto in questo articolo è quello di preparare alluminotermica composizioni (nanothermites) in forma di oggetti porosi, monolitiche. Nanothermites sono materiali combustibili composto inorganico carburante e ossidante. Nelle schiume di nanotermite, l’alluminio è il triossido di tungsteno e fosfato carburante e alluminio sono le moiety ossidanti. Le più alte velocità di propagazione della fiamma (FPVs) in nanothermites sono state osservate in polveri sfuse e FPVs sono fortemente diminuiti di pelletizzazione nanotermite polveri. Da un punto di vista fisico, nanotermite polveri sfuse sono sistemi metastabili. Le loro proprietà possono essere modificate tramite involontaria costipazione indotta da urti o vibrazioni o dalla segregazione delle particelle nel tempo di sedimentazione di fenomeni, che trae origine dalle differenze di densità dei loro componenti. Lo spostamento da una polvere a un oggetto è la sfida che dovrà essere superata per integrare nanothermites nei sistemi pirotecnici. Gli oggetti nanotermite devono avere un’alta porosità aperta e la buona resistenza meccanica. Schiume di nanotermite soddisfano entrambi i criteri menzionati, e sono preparati dalla dispersione di una miscela di nano-dimensioni alluminotermica (Al/WO₃) in acido ortofosforico. La reazione di alluminio con la soluzione acida dà AlPO₄ “il cemento” in cui Al e WO₃ nanoparticelle sono incorporate. Nelle schiume nanotermite, fosfato di alluminio svolge il duplice ruolo di legante e ossidante. Questo metodo può essere utilizzato con triossido di tungsteno, che non è alterato dal processo di preparazione. Probabilmente potrebbe essere esteso ad alcuni ossidi, che sono comunemente usati per la preparazione di nanothermites ad alte prestazioni. Il WO₃-schiume nanotermite base descritte in questo articolo sono particolarmente insensibile agli urti e alle frizioni, che li rendono molto più sicuro gestire che cipria₃ Al/WO. Rapida combustione di questi materiali ha interessanti applicazioni in accenditori pirotecnici. Loro utilizzo in detonatori come primer richiederebbe l’incorporazione di un esplosivo secondario nella loro composizione.

Introduction

Questo articolo segnala su un metodo per la trasformazione nanometriche alluminotermica miscele (Al/WO₃) da uno stato di cipria in polvere per schiume¹. Nanothermites sono veloci masterizzazione energici composizioni, che sono più frequentemente preparate mescolando il fisico di un ossido metallico/sale con un metallo riducente, sotto forma di nanopolveri². Gli ossidi più rappresentativi utilizzati per preparare nanothermites sono Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ e Bi₂O₃^10,11, mentre i sali metallici usati sono iodati perclorati^12,13,^14,15, periodati¹⁶,¹⁷ o persolfati¹⁸di solfati. Nanopolveri di alluminio sono la scelta migliore come combustibile per nanothermites a causa delle loro numerose proprietà desiderabili, quali un ossidazione alto calore (10-25 kJ/g)¹⁹, veloce reazione cinetica²⁰, bassa tossicitಹ_, e una fiera grado di stabilità una volta che è stato accuratamente passivato²².

In base Al nanothermites, il fronte di fiamma si propaga alle alte velocità (0,1 – 2,5 km/s), ma questo non può, tuttavia, essere considerati come detonazione²³. Il meccanismo di reazione è effettivamente guidato per la convezione del gas caldi nella porosità del materiale che non ha reagito. In altre parole, la porosità è essenziale per la masterizzazione veloce di nanothermites. Tuttavia, nanotermite loose powder non è stabile da un punto di vista fisico. Essi vengono compattati da urti o vibrazioni, e loro componente più densa (generalmente l’ossido) separa progressivamente dalla composizione per effetto della gravità. La stabilizzazione di nanotermite porosità è una sfida cruciale per la loro integrazione in sistemi pirotecnici futuri.

Il vantaggio principale del processo di preparazione descritto nel presente documento è di dare nanotermite altamente poroso, solido, monoliti, che possono essere a forma di modellando la pasta da cui essi formano. Inoltre, le schiume nanotermite sono abbastanza insensibile agli urti, attrito e scarica elettrostatica rispetto alle polveri sfuse nanotermite. Questa insensibilità li rende particolarmente sicuro da maneggiare e macchina, per esempio di taglio o foratura.

Quando sciolto nanotermite polveri sono premuti o pellettizzati, diminuisce la porosità e oggetti sono formati. La coesione di tali materiali proviene da parte delle forze di superficie, che sono responsabili per l’aggregazione delle nanoparticelle. La resistenza meccanica di nanotermite pellet può essere migliorata in presenza di nano-fibre di carbonio, che agiscono come un quadro per rafforzare questi oggetti²⁴. Purtroppo, premendo fortemente diminuisce la reattività dei nanothermites. Secondo Prentice et al., la pressatura delle nano-Al/nano-WO₃ composizioni induce un crollo della loro velocità di reazione di due ordini di grandezza⁷. In conclusione, contraria più esplosivi, nanothermites non può essere modellato premendo.

Fin qui, molto pochi metodi per strutturare nanothermites sono stati segnalati nella letteratura scientifica si occupa nanothermites. Nanothermites possono essere depositati su substrati, sia dalle polveri fini dei loro componenti dislocati in un mezzo liquido da elettroforesi²⁵o da sputtering dei loro componenti in strati successivi²⁶. Entrambi gli approcci portano a depositi densi, che sono meno reattivo del polveri sfuse e tendono a delaminare dal substrato su cui sono preparati.

La preparazione di oggetti “tridimensionali” composto di nanotermite è stato proposto da Tillotson et al. ⁵, che ha usato la sintesi sol-gel sviluppata da Gash et al che consiste di gelificanti soluzioni di sali metallici di epossidi²⁷. Nanotermite monoliti sono preparati disperdendo Al nanopolveri in sol, prima gelificante. I gel sono successivamente essiccati in una camera di calore per produrre xerogel o di un processo complesso che coinvolge l’uso di supercritici CO₂ per ottenere gli aerogel. Gli aerogel nanotermite non solo hanno forte reattività ma possono anche essere lavorati a causa delle loro proprietà meccaniche eccellenti. Inoltre, il processo sol-gel permette di sintetizzare materiali micro – e mesoporosi con un ineguagliabile grado di omogeneità tra il combustibile (Al) e l’ossido nel mix. Nonostante queste caratteristiche interessanti, l’uso del processo sol-gel è limitato da: (i) la complessità della sintesi batch, che dipende da numerosi parametri; (ii) la presenza inevitabile di sottoprodotti di sintesi (impurità) nel materiale finale e (iii) il molto tempo necessario per le diverse fasi del processo.

Stuoie di combustibile di nanotermite sono state preparate da elettrofilatura di nitrocellulosa (raccoglitore) da soluzioni incaricato con Al e CuO nanoparticelle²⁸. Questi feltri nanotermite sono composti da fibre con i diametri di scala sub-micrometrica, che sono aprioristicamente non poroso. In questi materiali, la porosità è definita dall’intreccio delle fibre. I campioni di nanotermite stuoie bruciare lentamente (0,06 – 1,06 m/s) rispetto al puro nanometriche Al/CuO miscele in uno stato di cipria in polvere, in cui il fronte di fiamma si propaga a una velocità di diverse centinaia di m/s²⁹. Infine, l’uso di nitrocellulosa come legante per nanothermites non è ideale, perché notevolmente aumenta la loro sensibilità termica e altera la loro stabilità chimica a lungo termine.

Membrane di nanothermites sono state preparate da Yang et al. dal complesso gerarchica MnO₂/SnO₂ eterostrutture mischiato Al nanoparticelle⁶. In questi materiali, la fase di ossido ha una morfologia molto specifica, in cui MnO₂ nano-fili sono coperti da SnO₂ rami. Grazie alla sua struttura molto particolare, l’ossido non solo cattura Al nanoparticelle, ma assicura anche la resistenza meccanica della membrana.Il processo di preparazione di MnO₂/SnO₂/Al membrane è molto semplice; si compone di filtraggio nanotermite contenuti nel liquido in cui è stato preparato, utilizzando la torta di filtrazione come una membrana.

Per riassumere, la nanotermite solo oggetti menzionati nella letteratura scientifica sono depositi su substrati, gli aerogel o stuoie. L’idea di preparare nanothermites sotto forma di schiume solide apre nuovi orizzonti per l’integrazione di questi materiali energetici nei sistemi funzionali pirotecnica. Il processo di schiumatura riportato in questo articolo è semplice da eseguire e può essere applicato praticamente a qualsiasi nanotermite preparato da alluminio nanopolveri. L’agente schiumogeno è acido ortofosforico (H₃PO₄), un prodotto chimico comune, poco costoso e non tossico, che reagisce con nano-Al dare il cemento (AlPO₄) e il gas (H₂, H₂O vapore) che creano la porosità della materiale¹. Fosfato di alluminio è particolarmente stabile alle alte temperature, contrariamente a leganti organici come i polimeri energici (nitrocellulosa). Tuttavia, AlPO₄ si comporta come un ossidante verso nano-Al ad alta temperatura, secondo il concetto di “negativi esplosivi” proposta da Shimizu³⁰.

Protocol

Attenzione: Prima di eseguire tutte le reazioni descritte in questo articolo in una camera con una finestra blindata che consente sia ispezione visiva e l’osservazione dei processi di combustione che spuma esplosione-provata da videocamere ad alta velocità. Prendersi cura per quanto riguarda il rischio sperimentale derivanti dall’accensione del potenziale di alluminotermica composizioni e l’esplosione di idrogeno nell’aria. Per questo motivo, lavorare sempre in una camera di esplosione-provata con adeguata ventilazione….

Representative Results

Cristallizzato in alluminio (Al) e fosfato di alluminio (AlPO4) contiene la matrice di aluminophosphate. La presenza di queste fasi è stata confermata dalla diffrazione dei raggi x (Figura 1). Inoltre, gravimetrici esperimenti hanno dimostrato che questo materiale contiene anche una parte non cristallini, che è allumina amorfo. In questi materiali, fosfato di alluminio si comporta sia come legante e ossidante. Le proprietà ossidanti dell’AlPO<su…

Discussion

Il processo di miscelazione delle nanopolveri con acido e la chiusura della camera di esplosione deve essere eseguiti rapidamente, per motivi di sicurezza. Il ritardo di reazione può variare in una certa misura (1-10 min.), a seconda delle condizioni sperimentali. È abbreviato quando la temperatura ambiente è troppo elevata o in presenza di fonti di riscaldamento esterno come un riflettore, che può causare l’attivazione iniziale della reazione schiumogeno. Al contrario, è aumentato quando la temperatura ambiente è …

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