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

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Martin, C., Comet, M., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects. J. Vis. Exp. (130), e56479, doi:10.3791/56479 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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 Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 e Bi2O310,11, mentre i sali metallici usati sono iodati perclorati12,13,14,15, 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 tossicità21, 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. Ricordate che esperimenti su materiali energetici devono essere effettuati da scienziati esperti, che sono pienamente consapevoli dei pericoli pirotecnici, e che tutti i test devono essere effettuati conformemente alle leggi e normative di sicurezza locali. Nota che gli autori declinano ogni responsabilità per uso improprio di questi risultati.

1. preparazione di una matrice di Aluminophosphate

Nota: Gli esperimenti vengono eseguiti a temperatura ambiente (15-25 ° C).

  1. Peso 3,00 g di alluminio nanopolveri.
  2. Pesare 4,00 g di una soluzione commerciale (85%) di acido ortofosforico (H3PO4) in un becher da 150 mL; aggiungere l'acido goccia a goccia con un polietilene 3ml pipetta Pasteur.
    1. Facoltativamente, un volume da 0 - 2 mL di acqua deionizzata può essere aggiunto all'acido ortofosforico.
    2. Omogeneizzare la soluzione rallentando rotante Becher a mano a circa 100 rpm.
  3. Porre il becher contenente l'acido nella camera di scoppio.
  4. Versare le nanopolveri di alluminio pesato nel passaggio 1.1 nel becher contenente la soluzione di4 H3PO.
  5. Mescolare rapidamente con una spatola in acciaio inox; eseguire questo passaggio in meno di un minuto.
  6. Chiudere immediatamente la camera di scoppio.
  7. Attendere che si verifichi la reazione di formazione di schiuma.
  8. In seguito, attendere altri 10 min per la matrice di aluminophosphate raffreddare.
  9. Rimuovere il becher da camera di esplosione usando un laboratorio arco tong.
  10. Recuperare il campione, che aderisce alla parete del bicchiere, rompendo con attenzione. Fare attenzione alla presenza di residui acidi e non maneggiare i materiali senza guanti.

2. sintesi di nanotermite schiume

Nota: Gli esperimenti vengono eseguiti a temperatura ambiente (15-25° C).

  1. Preparazione della miscela nanotermite
    1. In un pallone 100 mL, pesare 3,00 g e g 3,45 di Al e WO3 nanopolveri, rispettivamente.
    2. Mescolare le nanopolveri con un miscelatore vortex operanti a 2.500 giri/min.
    3. Mescolare delicatamente con una spatola di acciaio inox per omogeneizzare esso. Evitare qualsiasi attrito tra la parete di vetro del pallone e la spatola durante questa operazione.
      Nota: In questo passaggio, lo sperimentatore deve essere a terra per evitare eventuali scariche elettrostatiche, che potrebbe causare l'accensione della miscela.
    4. Ripetere l'operazione 2.1.2.
  2. Preparazione delle soluzioni di H 3 PO 4
    1. Pesare 4,00 g di una soluzione commerciale (85%) di acido ortofosforico (H3PO4) in un becher da 150 mL; aggiungere l'acido goccia a goccia con un polietilene 3ml pipetta Pasteur.
    2. Preparazione delle soluzioni diluite di4 3PO H:
      1. Prendete il campione preparato nel passaggio 2.2.1 e aggiungere 0 a 2 mL di acqua deionizzata con un 1 mL in polietilene pipetta Pasteur.
      2. Omogeneizzare la soluzione mediante il movimento di rotazione lenta del becher applicato a mano ad una velocità di circa 100 giri/min.
  3. Preparazione di schiume di nanotermite
    1. Porre il becher contenente l'acido preparata al punto 2.2 nella camera di scoppio.
    2. Pour la nanotermite preparata al punto 2.1 nel becher contenente la soluzione di4 H3PO.
    3. Mescolare rapidamente con una spatola di acciaio inox; eseguire questo passaggio in meno di un minuto.
    4. Chiudere immediatamente la camera di scoppio.
    5. Attendere che si verifichi la reazione di formazione di schiuma.
    6. In seguito, attendere altri 10 min per il raffreddamento della schiuma nanotermite.
    7. Rimuovere il recipiente dalla camera di scoppio con un laboratorio arco tong.
    8. Recuperare il campione, che aderisce alla parete del bicchiere, rompendo con attenzione. Fate attenzione alla presenza di residui acidi ed evitare di maneggiare i materiali senza guanti.

3. la combustione di nanotermite schiume

  1. Inserire la matrice di aluminophosphate preparata al punto 1.10 o la schiuma di nanotermite preparata al punto 2.3.8 nella camera di scoppio.
  2. Posto un accenditore pirotecnico vicino il campione dal punto 3.1.
  3. Chiudere la camera di scoppio.
  4. Collegare il dispositivo di accensione di un dispositivo elettronico sicuro.
  5. Fuoco la catena pirotecnica.
  6. Osservare la combustione attraverso la finestra blindata con una telecamera ultraveloce operanti a 10.000 a 30.000 fotogrammi/s.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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'AlPO4 sono state provate misurando il calore di esplosione (3.340 J/g) di una miscela di nano-Al/AlPO4 wt./wt.% 50/50 in una bomba calorimetrica1.

L'acqua, che viene aggiunto a diluire le soluzioni di4 H3PO, rallenta l'aumento della temperatura del mezzo di reazione (Figura 2). L'essiccazione di H3PO4 da anidride acetica di fosforo (P4O10), o da qualsiasi diseccante forte, non è consigliato (Figura 2, curva a sinistra). In assenza di acqua, la pasta viene sottoposto a riscaldamento molto rapido, che provoca l'accensione di schiuma energica e un esplosione di idrogeno nell'aria. Siete pregati di notare che la massa di idrogeno rilasciato dalla preparazione di un campione di schiuma di nanotermite di 10g è circa 0,5 g e che la combustione di una tale quantità di questo gas in aria dà un'energia di circa 60 kJ. I limiti di infiammabilità della gamma di idrogeno da 4 a 75 vol.% in aria e la sua temperatura di accensione è tra 500 e 580 ° C31.

I sistemi preparati con acqua sono più facili da mescolare, a causa di un più favorevole rapporto polvere/liquido. Acqua ritarda la reazione di formazione di schiuma e rende più progressivo e sicuro. Nanotermite schiume prodotte da soluzioni diluite hanno migliore resistenza meccanica ma espandere meno. L'analisi di diffrazione di raggi x di nanotermite schiume rivela che contengono alluminio cristallizzato, fosfato di alluminio e triossido di tungsteno (Figura 3). Quest'ultimo non chimicamente interagiscono con la reazione di formazione di schiuma.

La composizione della matrice aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) e la schiuma di nanotermite (nano-Al/AlPO4/nano-WO3) preparati secondo il protocollo sono riportati nella tabella 1. La densità delle schiume dipende dalle condizioni sperimentali in cui essi sono stati sintetizzati, in particolare della concentrazione della soluzione H3PO4 . Si va in genere da 5 a 20% della loro densità teorica, corrispondente a un'elevata porosità (80-95%).

Il calore prodotto dalla combustione della matrice aluminophosphate e la schiuma di nanotermite, che sono stati preparati secondo il protocollo sperimentale sono pari a 3,4 kJ/g e 2,5 kJ/g, rispettivamente. La combustione di schiume in bomba calorimetrica produce residui contenenti fosforo, la cui presenza è caratterizzata dalla continua emissione di fumi bianchi a contatto con ossigeno atmosferico. Fosforo è prodotto tramite la riduzione di AlPO4 all'interno della camera chiusa, in assenza di aria.

Aluminophosphate matrici e schiume di nanotermite non sono particolarmente sensibili alle sollecitazioni di attrito e shock. Tuttavia, essi devono essere maneggiati con cura a causa della loro sensibilità moderata a scariche elettrostatiche e riscaldamento fonti, come una fiamma aperta. Loro combustione produce grandi palle di fuoco con scintille costituita da particelle fusa. L'impatto di queste fasi incandescenti altera la superficie della finestra blindata della camera di scoppio.

L'esperimento di combustione descritto nel protocollo sperimentale qualitativamente illustra le schiume veloce combustione del aluminophosphate (o nanotermite). Non può essere utilizzato per misurare la velocità di propagazione della fiamma in nanotermite monoliti perché abbondanti fumi rilasciati dalla reazione nascondono il fronte di fiamma. Inoltre, la combustione segue percorsi diversi all'interno della porosità del materiale, che rende difficile sapere dove il fronte di combustione è in un determinato momento e, di conseguenza, misura una velocità di propagazione.

Figure 1
Figura 1: modello di diffrazione dei raggi x di una matrice di aluminophosphate. Reticolo di diffrazione dei raggi x di una matrice di aluminophosphate, mostrando la presenza di Al e AlPO cristallizzato4. Questa figura è stata modificata da Comet et al. 1 il diffrattogramma è stato effettuato su una schiuma, che era stato precedentemente schiacciata in polvere fine con una distribuzione granulometrica inferiore a 200 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: evoluzione della temperatura per nanotermite paste durante la loro reazione di schiumatura. Evoluzione della temperatura per nanotermite paste durante la loro reazione schiumogeno, a seconda la H3concentrazione4 PO. Questa figura è stata modificata da Comet et al. 1 la temperatura è stata misurata mediante una termocoppia di tipo K collocate nella pasta e collegato a un controller di proporzionale-integrale-derivato (PID). La fuga della reazione schiumogeno è osservata quando la temperatura è superiore a 40 ° C. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: modello di diffrazione dei raggi x di una schiuma di nanotermite. Reticolo di diffrazione di raggi x di una schiuma di nanotermite, mostrando la presenza di Al cristallizzato, AlPO4 e WO3. Questa figura è stata modificata da Comet et al. 1 come per schiume aluminophosphate, il diffrattogramma è stato effettuato su un campione, che è stato precedentemente schiacciato in polvere fine con una distribuzione granulometrica inferiore a 200 µm. nota che il triossido di tungsteno non reagiscono con acido ortofosforico nella condizioni sperimentali utilizzate.Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Campione 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

Tabella 1: composizione chimica del aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) e schiume di nanotermite (nano-Al/nano-WO3/AlPO4) preparate secondo il protocollo. Questi valori sono stati calcolati dai dati termogravimetrica.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 bassa. In caso di ritardo troppo schiumogeno (> 15 min), la reazione può essere fermata versando rapidamente una grande quantità di acqua nel becher (100 mL). La preparazione della schiuma di matrice o nanotermite aluminophosphate deve essere eseguita a temperatura ambiente (15-25 ° C), sapendo che la reazione di schiumatura viene attivata quando la temperatura della pasta è tra 40 e 45 ° C (Figura 2). La reazione di schiumatura è preceduta da un segno di avvertimento, che è una leggera espansione della pasta con le bolle di gas la sua superficie di rottura. La fuga di reazione è caratterizzata da una veloce e forte espansione della pasta, accompagnata da importante rilascio gassoso (H2 e H2O vapore).

La quantità di nanopolveri mescolato con la soluzione di4 H3PO definisce la consistenza della pasta. Rapporti bassi di polvere/liquido dare incolla, considerando che rapporti bassi di acido/polvere rendono difficile il missaggio. L'ossido utilizzato per la preparazione di nanotermite deve essere compatibile con acido ortofosforico. Le schiume aluminophosphate o nanotermite devono sempre essere preparate in piccole quantità (in genere 10 g), per ridurre al minimo il pericolo di esplosione derivanti dall'idrogeno rilasciato nell'aria durante il processo.

Il primo passaggio fondamentale è la pesatura di nanopolveri, che devono essere effettuate da un operatore indossare adeguati dispositivi di protezione individuale (maschera di cartuccia filtro FFP3) sotto una cappa aspirante. La miscelazione di nanopowder(s) con acido ortofosforico deve essere fatto rapidamente per avere il tempo di chiudere la camera di esplosione-provata, che è più difficile quando la pasta è spessa, per esempio con un rapporto di alta polvere/acido. Le schiume devono essere sintetizzate da fonti di calore, dovuta alla formazione di idrogeno dalla reazione. Energici tutti i campioni devono essere maneggiati con cura; nano-Al/nano-WO3 cipria in polvere ha una soglia particolarmente bassa sensibilità alle scariche elettrostatiche (0,14 mJ). Infine, il test di masterizzazione di schiume deve avvenire in una camera di combustione che è dotata di uno scarico di aria appropriata.

La preparazione di nanotermite oggetti da questo processo è unica. Il solo metodo per la preparazione di nanotermite grandi monoliti è metodologia di sol-gel. Questa tecnica richiede specifici precursori e sintesi/asciugatura molto lunghi passi, che lo rende molto costoso. Inoltre, materiali prodotti con la tecnica sol-gel sempre contengono impurità provenienti dal processo. Infine, porosità prodotto sol-gel è estremamente piccola rispetto alle schiume di nanotermite, che limita la propagazione da meccanismi di convezione (perdite di carico) e può alterare la sua reattività.

L'integrazione futura di schiume di nanotermite in sistemi pirotecnici richiedono l'uso di altri ossidi (ad es. CuO e Bi2O3) al fine di migliorare le loro proprietà reattive. Inoltre, l'aggiunta di esplosivi secondari nelle schiume di nanotermite, il processo di composizione o da infiltrazione successiva (da una soluzione) di una schiuma pre-esistente, potrebbe essere usato per sintetizzare detonanti energico nanocompositi32. Tali materiali potrebbero trovare interessanti applicazioni in piombo primer. Lo stampaggio della gomma piuma di nanotermite in oggetti con forme ben definite sarà la prossima sfida da superare.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Non abbiamo nulla di divulgare.

Acknowledgements

Gli autori vorrei ringraziare i fotografi di ISL, Yves Suma e Yannick Boehrer, per le foto dei campioni e per l'osservazione di video ad alta velocità della sintesi e la combustione di schiume di nanotermite. Vorrebbero anche esprimere la loro gratitudine al loro collega Dr. Vincent Pichot da NS3E laboratorio per la caratterizzazione dei materiali di diffrazione di raggi 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
  2. Lafontaine, E., Comet, M. Nanothermites. ISTE Editions Ltd. London. (2016).
  3. 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).
  4. Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36, (1), 80-87 (2011).
  5. 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).
  6. Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52, (16), 9449-9455 (2013).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
  10. Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
  11. 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).
  12. Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3, (2), 253-255 (2003).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. (2017).
  24. Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
  29. Puszynski, J. A., Groven, L. J. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. Altavilla, C., Ciliberto, E. CRC Press. Boca Raton, Florida. (2011).
  30. Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. (1986).
  31. Molkov, V. Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, Ventus Publishing ApS. (2012).
  32. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics