Nanothermite beze gibi görünümdeki: Ultra gözenekli nesnelere gevşek toz üzerinden
Summary
Bu el yazması yanıcı aluminophosphate matrisler sentezi dezenfektan maddeler (H3PO4) alüminyum nanopowder ile tepki açıklar. Bu reaksiyon tungsten Temmuzda nanopowder huzurunda aşırı alüminyum ile işlenirken, bir katı, gözenekli nanothermite köpük yol açar.
Abstract
Bu makalede açıklanan protokol amacı aluminothermic besteleri (nanothermites) gözenekli, yekpare nesneleri şeklinde hazırlamaktır. Nanothermites inorganik yakıt ve bir oksitleyici oluşan yanıcı malzemelerdir. Nanothermite köpükler içinde alüminyum yakıt ve alüminyum fosfat ve tungsten trioksit oksitleyici moieties olmasıdır. En yüksek alev yayılma hızları (FPVs) nanothermites içinde gevşek tozlar gözlenir ve FPVs şiddetle nanothermite tozlar cips kesme tarafından düşmüştür. Bir fiziksel açıdan nanothermite gevşek tozlar metastable sistemlerdir. Bunların özelliklerini bileşenlerinin yoğunluğu farklılıklardan kaynaklanan şok veya titreşim veya parçacıklar segregasyon Zamanla olayları, yerleşme tarafından indüklenen kasıtsız sıkıştırma tarafından değiştirilebilir. Bir toz bir nesneye hareket nanothermites piroteknik sistemlerinde tümleştirmek için aşılması gereken mücadeledir. Nanothermite nesnelerinin bir yüksek açık gözeneklilik ve iyi mekanik gücü olmalıdır. Nanothermite köpükler iki ölçütü karşılamak ve onlar dezenfektan maddeler bir nano ölçekli aluminothermic karışımı (Al/WO3) dağıtırken tarafından hazırlanır. Alüminyum ile asitli reaksiyon AlPO4 “çimento” hangi Al ve WO3 nano tanecikleri katıştırılır verir. Nanothermite köpükler içinde alüminyum fosfat bağlayıcı ve oksitleyici çift rol oynamaktadır. Hazırlama işlemi tarafından değiştirilmez tungsten trioksit bu yöntem kullanılabilir. Muhtemelen yüksek performanslı nanothermites hazırlanması için yaygın olarak kullanılan bazı oksitler için uzatılabilir. WO3-bu makalede açıklanan temel nanothermite köpükler özellikle etkileri ve daha güvenli daha gevşek Al/WO3 toz işlemek geçici onları sürtünme duyarsız. Bu malzemelerin hızlı yanma piroteknik ateşleyici ilginç uygulamaları var. Ateşleyiciler astar olarak bunların kullanımı onların kompozisyon içinde ikincil bir patlayıcı ve eklenmesi gerektirir.
Introduction
Bu makalede nano ölçekli aluminothermic karışımlar (Al/WO3) gevşek toz durumundan köpükler1‘ e dönüştürür raporlar. Nanothermites en sık fiziksel bir metal oksit/tuz nanopowders2şeklinde azalan bakiyeli bir metalle karıştırılarak hazırlanır enerjik besteleri yanan hızlı. Nanothermites hazırlamak için kullanılan en iyi temsil eden oksitler vardır Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 ve BI2O310,11, kullanılan metal tuzları ise çoğu perkloratlar12,13,14,15, iodates periodates16,17 veya persulfates18sülfatlar. Alüminyum nanopowder bir yüksek oksidasyon ısı (10-25 kJ/g)19, hızlı reaksiyon kinetiği20, düşük toksisite21, ve adil bir gibi çok sayıda onların arzu özellikleri sayesinde nanothermites için yakıt olarak en iyi seçim olduğunu doğru bir şekilde edildikten sonra istikrar derecesi22düzgünleştirilecek.
Al-esaslı nanothermites içinde alev açık yüksek hızları yayar (0.1 – 2.5 km/s), ama bu olmaz, ancak, patlama23düşünülebilir. Reaksiyon mekanizması aslında unreacted malzeme porozite içinde sıcak gazlar konveksiyon tarafından tahrik edilmektedir. Başka bir deyişle, gözeneklilik nanothermites hızlı yanma için esastır. Ancak, gevşek nanothermite toz bir fiziksel açıdan istikrarlı değildir. Şok veya titreşimler tarafından düzenlenmiş ve onların yoğun bileşeni (genellikle oksit) kademeli kompozisyon yerçekimi etkisiyle ayırır.. Nanothermite porozite istikrar gelecekteki piroteknik sistemleri entegrasyonu için çok önemli bir sorundur.
Burada açıklanan hazırlık sürecinde büyük avantajı hangi onlar formu hamur kalıplama tarafından şeklinde son derece gözenekli, sağlam, nanothermite yekpare vermektir. Ayrıca, nanothermite köpükler oldukça şok, sürtünme ve Elektrostatik Deşarj nanothermite gevşek tozlar için karşılaştırıldığında duyarsızdır. Bu duyarsızlık onları kolu ve makine, örneğin testereyle kesmek veya Delme özellikle güvenli yapar.
Gevşek nanothermite tozlar basıldığında ya da tablet, onların porozite azalır ve nesneleri oluşturulur. Bu materyalleri uyum nano tanecikleri toplama için sorumlu olan yüzey kuvvetlerinden kaynaklanan. Nanothermite granül mekanik gücünü karbon nano-bu nesneleri24güçlendirmek için bir çerçeve hareket lifleri, huzurunda geliştirilebilir. Ne yazık ki, güçlü basarak nanothermites reaktivite azalır. Prentice ve ark.göre nano-Al/nano-WO3 besteleri birine basarak onların reaksiyon hız çöküşü iki büyüklük7tarafından neden olmaktadır. Sonuç olarak, çoğu patlayıcı aksine basarak nanothermites şeklinde olamaz.
Bugüne kadar nanothermites yapılanma için çok az yöntemleri nanothermites ile ilgili bilimsel edebiyatı bildirilmiştir. Nanothermites yüzeylerde, ikisinden biri–dan tozlar Elektroforez25veya bileşenlerinin birbirini izleyen Katmanlar26yılında SAÇTIRMA sıvı bir ortam dağınık bileşenlerinin üzerine yatırılır. Her iki yaklaşımın gevşek tozlar daha az reaktif ve meyletmek-e doğru hangi onlar hazırlanan yüzey–dan delaminate yoğun mevduat, yol.
“Üç boyutlu” nesneleri nanothermite oluşan hazırlanması Tillotson vd tarafından önerildi metal tuzları jelleşme çözümleri, epoksitler27tarafından oluşur Gash vd tarafından geliştirilen sol-jel sentez kullanan 5. Nanothermite yekpare gelling önce Al nanopowder sol, Dispergatör tarafından hazırlanır. Jelleri daha sonra xerogels üretmek için bir ısı odasında ya da aerogels elde etmek için süperkritik CO2 kullanımını içeren karmaşık bir süreç kurutulur. Nanothermite aerogels sadece güçlü reaktivite var ama aynı zamanda mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle işlenmiş. Buna ek olarak, sol-jel işlemin bir mikro – ve mesoporous malzemeleri homojenliği yakıt (Al) ve oksit karışımı arasında rakipsiz bir düzeyde sentezlemek izin verir. Bunlar ilginç özellikleri rağmen sol-jel işlem kullanımı sınırlıdır: (i) çok sayıda parametrelere; bağlıdır toplu sentez karmaşıklığı (ii) sentezi yan (kirleri) son malzeme ve (III) için gerekli işlemi farklı adım tarafından uzun zamandır kaçınılmaz varlığı.
Nanothermite yanıcı paspaslar kullanılıyorsa Al ve CuO nano tanecikleri28ile çözümler nitroselüloz (Cilt) electrospinning tarafından hazırlanmıştır. Bu nanothermite keçeleri lifleri bir muhtemel olmayan gözenekli olan alt mikrometre ölçek çapları ile oluşur. Bu malzemelerin porozite lifleri Dolaşıklık tarafından tanımlanır. Nanothermite örnekleri paspaslar yanık yavaş yavaş (0,06 – 1,06 m/s) saf nano ölçekli Al/CuO karışımlar alev açık birkaç yüz m/s29bir hızda yayar bir gevşek toz durumda göre. Son olarak, önemli ölçüde onların ısı hassasiyeti artar ve onların uzun vadeli kimyasal kararlılık değiştirir çünkü nanothermites için bağlayıcı olarak nitroselüloz kullanımını ideal, değildir.
Nanothermites zarı Yang ve ark. üzerinden Al nano tanecikleri6ile karışık karmaşık hiyerarşik MnO2/SnO2 heterostructures tarafından hazırlanmıştır. Bu malzemeler çok özel bir Morfoloji, MnO2 nano-telleri SnO2 şube tarafından karşılanmaktadır oksit aşama vardır. Çok özel yapısı nedeniyle oksit Al nano tanecikleri yakalar kalmayıp Ayrıca membran mekanik direnç sağlar.MnO2/SnO2/Al membranlar hazırlık sürecinin çok basittir; Bu, bu, bir membran filtrasyon pasta kullanılarak hazırlanmıştır sıvı bulunan nanothermite filtre oluşur.
Özetlemek gerekirse, tek nanothermite bilimsel literatürde bahsedilen mevduat yüzeylerde, aerogels veya paspaslar nesneleridir. Nanothermites katı köpükler şeklinde hazırlama fikri bu enerjik malzemelerin entegrasyonu fonksiyonel piroteknik sistemleri için yeni ufuklar açar. Bu makalesinde bildirilen köpük işlemi için basit yapmak ve hemen hemen herhangi bir nanothermite alüminyum nanopowder hazırlanan uygulanabilir. Dezenfektan maddeler (H3PO4), köpük ajandır nano-Al ile çimento (AlPO4) ve porozite ve oluşturmak gazlar (H2, H2O buharı) vermek için tepki verir bir ortak, ucuz ve non-toksik kimyasal malzeme1. Alüminyum fosfat gibi enerjik Polimerler (nitroselüloz) organik bağlayıcı aksine yüksek sıcaklıklarda özellikle durumu iyi. Ancak, “negatif patlayıcı Shimizu30tarafından önerilen” kavramına göre bir oksitleyici nano-Al yüksek sıcaklıkta doğru olarak AlPO4 davranır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanopowders asit ile karıştırma işlemi ve kapanış patlama odasının güvenlik nedeniyle hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Reaksiyon gecikme bir dereceye kadar (1-10 dk), deneysel koşullarına bağlı olarak değişebilir. Oda sıcaklığı çok yüksek olduğunda veya köpük tepki erken harekete geçirmek neden olabilir bir spot ışığı gibi harici Isıtma kaynakları huzurunda kısaltılır. Diğer taraftan, bu oda sıcaklığında az olduğunda artar. Çok fazla köpük gecikme durumunda (&…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, fotoğrafçılar Isl, Yves Suma ve Yannick Boehrer, sentez ve nanothermite köpükler yanma yüksek hızlı video tarafından gözlem ve örnek fotoğraflar için teşekkür etmek istiyorum. Onlar da onların kendi meslektaşı Dr Vincent Pichot için NS3E laboratuvar gelen malzemelerin karakterizasyonu için x-ışını kırınım tarafından şükranlarını istiyorum.
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 |
References
- Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
- Lafontaine, E., Comet, M. . Nanothermites. , (2016).
- Comet, M., et al. Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material. J. Nanopart. Res. 13 (5), 1961-1969 (2011).
- Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36 (1), 80-87 (2011).
- Tillotson, T. M., Gash, A. E., Simpson, R. L., Hrubesh, L. W., Satcher, J. H., Poco, J. F. Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies. J. Non-Cryst. Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
- Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52 (16), 9449-9455 (2013).
- Prentice, D., Pantoya, M. L., Gash, A. E. Combustion Wave Speeds of Sol-Gel-Synthesized Tungsten Trioxide and Nano-Aluminum: The Effect of Impurities on Flame Propagation. Energ. Fuel. 20 (6), 2370-2376 (2006).
- Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion velocities and propagation mechanisms of metastable interstitial composites. Appl. Phys. Lett. 98, 064903 (2005).
- Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
- Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
- Martirosyan, K. S., Wang, L., Vicent, A., Luss, D. Synthesis and performances of bismuth trioxide nanoparticles for high energy gas generator use. Nanotechnology. 20 (8), 405609 (2009).
- Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3 (2), 253-255 (2003).
- Wu, C., Sullivan, K., Chowdhury, S., Jian, G., Zhou, L., Zachariah, M. R. Encapsulation of Perchlorate Salts within Metal Oxides for Application as Nanoenergetic Oxidizers. Adv. Funct. Mater. 22 (1), 78-85 (2012).
- Sullivan, K. T., Piekiel, N. W., Chowdhury, S., Wu, C., Zachariah, M. R., Johnson, C. E. Ignition and Combustion Characteristics of Nanoscale Al/AgIO3: A Potential Energetic Biocidal System. Combust. Sci. Technol. 183 (3), 285-302 (2010).
- Wang, H., Jian, G., Zhou, W., Delisio, J. B., Lee, V. T., Zachariah, M. R. Metal iodate-based energetic composites and their combustion and biocidal performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (31), 17363-17370 (2015).
- Jian, G., Feng, J., Jacob, R. J., Egan, G. C., Zachariah, M. R. Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (37), 9743-9746 (2013).
- Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (15), 4458-4462 (2015).
- Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites. J. Mater. Chem. A. 3 (22), 11838-11846 (2015).
- Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3. Thermochim. Acta. 444 (2), 117-127 (2006).
- Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. F., Pantoya, M. Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites. Appl. Phys. Lett. 89, 071909 (2006).
- Park, E. -. J., Kim, H., Kim, Y., Choi, K. Repeated-dose toxicity attributed to aluminum nanoparticles following 28-day oral administration, particularly on gene expression in mouse brain. Toxicol. Environ. Chem. 93 (1), 120-133 (2011).
- Walter, K. C., Aumann, C. E., Carpenter, R. D., O’Neill, E. H., Pesiri, D. R. Energetic materials development at technanogy materials development. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 800, 27-37 (2004).
- Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. , (2017).
- Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
- Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites. J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).
- Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. P. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry. J. Appl. Phys. 94 (5), 2915-2922 (2003).
- Gash, A. E., Tillotson, T. M., Satcher, J. H., Poco, J. F., Hrubesh, L. W., Simpson, R. L. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13 (3), 999-1007 (2001).
- Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
- Puszynski, J. A., Groven, L. J., Altavilla, C., Ciliberto, E. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. , (2011).
- Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. , (1986).
- Molkov, V. . Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, (2012).
- Comet, M., Martin, C., Klaumünzer, M., Schnell, F., Spitzer, D. Energetic nanocomposites for detonation initiation in high explosives without primary explosives. Appl. Phys. Lett. 107, 243108 (2015).
