Nanothermite met Meringue-achtige morfologie: van losse poeder aan ultra poreuze objecten

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

Dit manuscript beschrijft de synthese van brandbare aluminophosphate matrices door de reactie van fosforzuur (H3PO4) met aluminium nanopowder. Bij deze reactie wordt uitgevoerd met overtollige aluminium in aanwezigheid van wolfraam zwaveltrioxide nanopowder, leidt het tot een solide, poreuze nanothermite schuim.

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

Het doel van het protocol beschreven in dit artikel is te bereiden aluminothermic composities (nanothermites) in de vorm van poreuze, monolithische objecten. Nanothermites zijn brandbare materialen samengesteld uit anorganische brandstof en een oxidant. In nanothermite schuimen is aluminium de brandstof en aluminium fosfaat en wolfraam zwaveltrioxide zijn de oxiderende wordt. De hoogste vlam propagatie snelheden (FPVs) in nanothermites worden waargenomen in losse poeders en FPVs zijn sterk daalden met pellet nanothermite poeders. Vanuit fysiek oogpunt zijn nanothermite losse poeders metastabiele systemen. Hun eigenschappen kunnen worden gewijzigd door onbedoelde verdichting geïnduceerd door schokken of trillingen, of door de segregatie van deeltjes na verloop van tijd door het regelen van de verschijnselen, die afkomstig van de dichtheid verschillen van hun onderdelen is. Verplaatsen van een poeder naar een object is de uitdaging die moet worden overwonnen om het integreren van nanothermites in pyrotechnische systemen. Nanothermite objecten moet zowel een hoge open porositeit en goede mechanische sterkte. Nanothermite schuimen voldoen aan beide criteria voldoet, en ze worden voorbereid door het verspreiden van een mengsel van de nano-sized aluminothermic (Al/WO3) in orthofosforzuur. De reactie van aluminium met de zure oplossing geeft de AlPO4 "cement" in welke Al en WO3 nanodeeltjes zijn ingesloten. Aluminium-fosfaat speelt nanothermite schuimen, de dubbele rol van binder en oxidator. Deze methode kan worden gebruikt met wolfraam zwaveltrioxide, die niet door het voorbereidingsproces wordt gewijzigd. Het kan waarschijnlijk worden uitgebreid tot bepaalde stikstofoxiden, die vaak worden gebruikt voor de voorbereiding van hoogwaardige nanothermites. De WO3-gebaseerde nanothermite schuimen beschreven in dit artikel zijn met name ongevoelig tegen schokken en wrijving, waardoor ze veel veiliger te behandelen dan losse Al/WO3 poeder. De snelle verbranding van deze materialen heeft interessante toepassingen in Pyrotechnische ontstekers. Hun gebruik in ontstekers als inleidingen zou de opneming van de secundaire springstof in hun samenstelling vereist.

Introduction

Dit artikel rapporteert over een methode voor het omzetten van de nano-sized aluminothermic mengsels (Al/WO3) van een losse poeder staat te schuimen1. Nanothermites zijn snel branden energieke composities, die het vaakst worden voorbereid door het fysieke mengen van een metalen oxide/zout met een reducerend metaal, in de vorm van nanopowders2. De meest representatieve stikstofoxiden gebruikt voor het bereiden van nanothermites zijn Cr2O33,4, WO37, MoO38, Fe2O35, MnO26 , CuO9 en Bi2O310,11, terwijl de metaalzouten gebruikt zijn perchloraten12,13, jodaten14,15, perjodaten16,17 of persulfates18sulfaten. Aluminium nanopowder is de beste keuze als brandstof voor nanothermites vanwege hun groot aantal wenselijke eigenschappen, zoals een hoge oxidatie warmte (10-25 kJ/g)19, snelle reactie kinetica20, lage toxiciteit21, en een eerlijke mate van stabiliteit zodra er nauwkeurig gepassiveerd22.

In Al-gebaseerde nanothermites, de voorkant van de vlam verspreidt zich op hoge snelheden (0.1 - 2.5 km/s), maar dit mag echter niet, worden beschouwd als detonatie23. Het reactiemechanisme is eigenlijk aangedreven door de convectie van hete gassen in de poreusheid van spoorverontreiniging materiaal. Met andere woorden, is de poreusheid essentieel voor het snel verbranden van nanothermites. Losse nanothermite poeder is echter niet stabiel vanuit fysiek oogpunt. Ze zijn gecomprimeerd door schokken of trillingen, en hun dichtste component (over het algemeen de oxide) geleidelijk scheidt van de samenstelling van de invloed van de zwaartekracht. De stabilisering van de nanothermite porositeit is een cruciale uitdaging voor hun integratie in toekomstige pyrotechnische systemen.

Het belangrijkste voordeel van het voorbereidingsproces hierin beschreven is dat zeer poreus, solide, nanothermite monolieten, die kunnen worden gevormd door de pasta waaruit zij vormen molding. Daarnaast zijn nanothermite schuimen vrij ongevoelig voor schokken, wrijving en elektrostatische ontlading ten opzichte van de losse poeders nanothermite. Deze ongevoeligheid maakt ze bijzonder veilige greep en machine, bijvoorbeeld door zagen of boren.

Als losse nanothermite poeders zijn ingedrukt of verwerkt, hun porositeit vermindert en objecten worden gevormd. De samenhang van deze materialen is afkomstig van de oppervlaktekrachten, die verantwoordelijk voor de samenvoeging van nanodeeltjes zijn. De mechanische sterkte nanothermite pellets kan worden verbeterd in de aanwezigheid van koolstof nano-vezels, die als een kader fungeren voor het versterken van deze objecten24. Helaas, te drukken sterk vermindert de reactiviteit van nanothermites. Volgens Prentice et al.induceert het persen van nano-Al/nano-WO3 composities een ineenstorting van hun reactie snelheid door twee ordes van grootte7. Kortom, in tegenstelling tot de meeste explosieven, kan niet nanothermites worden gevormd door op te drukken.

Tot op heden zijn zeer weinig methoden voor het structureren van nanothermites gemeld in de wetenschappelijke literatuur omgang met nanothermites. Nanothermites kan worden gedeponeerd op substraten, hetzij uit de poeders van hun onderdelen verspreid in een opgietvloeistof door elektroforese25, of door het sputteren van hun componenten in opeenvolgende lagen26. Beide benaderingen leiden tot dichte deposito's, die minder reactief dan losse poeders en de neiging om delamineren van het substraat waarop ze bereid zijn.

De voorbereiding van de "drie-dimensionale" objecten samengesteld uit nanothermite werd voorgesteld door Tillotson et al. 5, die de synthese van de sol-gel ontwikkeld door Gash et al. , die uit gelerend oplossingen van metaalzouten door epoxiden27 bestaatgebruikt. Nanothermite monolieten worden voorbereid door het verspreiden van Al nanopowder in de sol, vóór gelerend. De gels worden vervolgens gedroogd in een kamer warmte te produceren van xerogels of door een complex proces waarbij superkritische CO2 te verkrijgen aerogels worden gebruikt. Nanothermite aerogels niet alleen hebben sterke reactiviteit, maar ook vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen kunnen worden gefreesd. Bovendien, kan het proces van de sol-gel men voor het synthetiseren van micro- en mesoporous materiaal met een ongeëvenaarde mate van homogeniteit tussen de brandstof (Al) en de oxide in de mix. Ondanks deze interessante functies, het gebruik van de sol-gel-proces wordt beperkt door: (i) de complexiteit van de batch-synthese, die hangt af van talrijke parameters; (ii) de onvermijdelijke aanwezigheid van synthese bijproducten (verontreinigingen) in het definitieve materiaal, en (iii) de zeer lange tijd die nodig is door de verschillende stappen van het proces.

Brandbare matten van nanothermite werden voorbereid door de electrospinning van nitrocellulose (bindmiddel) van oplossingen met Al en CuO nanodeeltjes28in rekening gebracht. Deze nanothermite vilt zijn samengesteld uit vezels met een diameter van sub micrometer schaal, die a priori niet-poreus zijn. In deze materialen, wordt de porositeit gedefinieerd door de verstrikking van vezels. De monsters van nanothermite mats branden langzaam (0.06 - 1,06 m/s) ten opzichte van pure nano-sized Al/CuO mengsels in een losse poeder staat, waarin de voorkant van de vlam verspreidt zich met een snelheid van enkele honderden m/s29. Tot slot, het gebruik van nitrocellulose als een bindmiddel voor nanothermites is niet ideaal, omdat het aanzienlijk hun thermische gevoeligheid verhoogt en hun chemische stabiliteit op lange termijn verandert.

Membranen van nanothermites werden voorbereid door Yang et al. van complexe hiërarchische MnO2/SnO2 Heterostructuren gemengd met Al nanodeeltjes6. In deze materialen heeft de oxide fase een zeer specifieke morfologie, waarin MnO2 nano-draden SnO2 takken vallen. Vanwege de zeer bijzondere structuur, de oxide niet alleen overlapt Al nanodeeltjes, maar zorgt er ook voor de mechanische weerstand van het membraan.Het voorbereidingsproces van MnO2/SnO2/Al membranen is zeer eenvoudig; het bestaat voor het filteren van de nanothermite opgenomen in de vloeistof waarin het is opgesteld, met behulp van de filtratie-taart als membraan.

Om samen te vatten, de enige nanothermite zijn objecten vermeld in de wetenschappelijke literatuur deposito's op substraten, aerogels of matten. Het idee van de voorbereiding van de nanothermites in de vorm van solide schuimen opent nieuwe perspectieven voor de integratie van deze energieke materialen in functionele pyrotechniek systemen. Het schuimende proces gemeld in dit artikel is eenvoudig te voeren en vrijwel kan worden toegepast op elke nanothermite bereid uit aluminium nanopowder. De schuimende agent fosforzuur (H3PO4), is een gemeenschappelijk, goedkoop en niet-giftige chemische stof die met nano-Al reageert te geven het cement (AlPO4) en de gassen (H2, H2O damp) waarmee de poreusheid van de materiële1. Aluminium-fosfaat is bijzonder stabiel bij hoge temperaturen, in tegenstelling tot de organische bindmiddelen zoals energetische polymeren (nitrocellulose). Echter AlPO4 gedraagt als een oxidator naar nano-Al op hoge temperatuur, volgens het concept van "negatieve explosieven" voorgesteld door Shimizu30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Alle reacties die wordt beschreven in dit artikel in een explosie-bewezen zaal met een gepantserde venster waarmee zowel visuele inspectie en observatie van de schuimvorming/verbrandingsprocessen hoge snelheid video uitvoeren Zorg met betrekking tot de experimentele risico dat voortvloeit uit de potentiële ontstekingsbronnen van aluminothermic composities en de explosie van de waterstof in de lucht. Om deze reden altijd werken in een explosie-bewezen kamer uitgerust met een passende afzuigventilatiesysteem. Vergeet niet dat experimenten op energieke materialen moeten worden uitgevoerd door ervaren wetenschappers, die zich volledig bewust van pyrotechnische gevaren, en dat alle proeven moeten worden uitgevoerd overeenkomstig de plaatselijke wetgeving en veiligheidsvoorschriften. Opmerking dat auteurs elke verantwoordelijkheid voor oneigenlijk gebruik van deze resultaten weigeren.

1. bereiding van een Aluminophosphate Matrix

Opmerking: Experimenten worden uitgevoerd bij kamertemperatuur (15-25 ° C).

  1. Weeg 3,00 g van aluminium nanopowder.
  2. Weeg 4.00 g van een commerciële oplossing (85%) van orthofosforzuur (H3PO4) in een bekerglas van 150 mL; Voeg het zuur ontkleuring met een polyethyleen 3 mL Pipet van Pasteur.
    1. U kunt desgewenst kan een volume van 0 - 2 mL gedeïoniseerd water worden toegevoegd aan de orthofosforzuur.
    2. Meng de oplossing door het vertragen van het bekerglas af met de hand draaien bij ongeveer 100 omwentelingen per minuut.
  3. Plaats het bekerglas van het zuur in de zaal van de explosie.
  4. Giet de aluminium nanopowder woog in stap 1.1 in het bekerglas van de H3PO4 -oplossing.
  5. Snel meng met een spatel roestvrij staal; Voer deze stap in minder dan een minuut.
  6. Sluit de explosie kamer onmiddellijk.
  7. Wacht totdat de schuimende reactie optreedt.
  8. Daarna wachten een extra 10 min voor de matrix van de aluminophosphate om te koelen.
  9. Neem het bekerglas van de kamer van de explosie met behulp van een laboratorium boog tong.
  10. Herstellen van het monster, die aan de muur van het bekerglas, voldoet door zorgvuldig breken. Pas op voor de aanwezigheid van residuen van het zuur en het materiaal zonder handschoenen niet behandelen.

2. synthese van Nanothermite schuimen

Opmerking: Experimenten worden uitgevoerd bij kamertemperatuur (15-25° C).

  1. Voorbereiding van het mengsel nanothermite
    1. In een 100 mL Rondbodemkolf, weeg 3,00 g en 3,45 g Al en WO3 nanopowders, respectievelijk.
    2. Meng de nanopowders met een vortex-mixer bij 2500 rpm.
    3. Roer het mengsel voorzichtig met een spatel roestvrij staal aan het homogeniseren. Vermijd wrijving tussen de glazen wand van de kolf met ronde bodem en de spatel tijdens deze bewerking.
      Opmerking: In deze stap de experimentator moet worden geaard om te voorkomen dat eventuele elektrostatische ontlading, waardoor de ontsteking van het mengsel.
    4. Herhaal de handeling 2.1.2.
  2. Voorbereiding van H 3 PO 4 oplossingen
    1. Weeg 4.00 g van een commerciële oplossing (85%) van orthofosforzuur (H3PO4) in een bekerglas van 150 mL; Voeg het zuur ontkleuring met een polyethyleen 3 mL Pipet van Pasteur.
    2. Bereiding van verdunde H3PO4 oplossingen:
      1. Nemen van het monster dat is bereid in stap 2.2.1 en toevoegen van 0 tot en met 2 mL gedeïoniseerd water met een 1-mL polyethyleen Pipet van Pasteur.
      2. Meng de oplossing door de langzame rotatie beweging van het bekerglas af met de hand toegepast bij een snelheid van ongeveer 100 rpm.
  3. Voorbereiding van nanothermite schuim
    1. Plaats het bekerglas van het zuur dat bereid in stap 2.2 in de zaal van de explosie.
    2. Giet de nanothermite bereid in stap 2.1 in het bekerglas van de H3PO4 -oplossing.
    3. Snel meng met een spatel roestvrij staal; Voer deze stap in minder dan een minuut.
    4. Sluit de explosie kamer onmiddellijk.
    5. Wacht totdat de schuimende reactie optreedt.
    6. Daarna wachten een extra 10 min voor de afkoeling van het schuim nanothermite.
    7. Neem het bekerglas van de explosie zaal met een laboratorium boog tong.
    8. Herstellen van het monster, die aan de muur van het bekerglas, voldoet door zorgvuldig breken. Pas op voor de aanwezigheid van residuen zure en Vermijd behandeling van het materiaal zonder handschoenen.

3. verbranding van Nanothermite schuimen

  1. Plaats de aluminophosphate matrix bereid in stap 1.10 of het schuim van de nanothermite bereid in stap 2.3.8 in de zaal van de explosie.
  2. Plaats een pyrotechnische ontstekingen dicht bij het voorbeeld uit stap 3.1.
  3. Sluit de zaal van de explosie.
  4. De ontstekingen verbinden met een veilige elektronische apparaat.
  5. Brand de pyrotechnische keten.
  6. Observeer de verbranding door de gepantserde raam met een ultrasnelle camera op 10.000 tot 30.000 frames/s.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De aluminophosphate matrix bevat gekristalliseerde aluminium (Al) en aluminium-fosfaat (AlPO4). De aanwezigheid van deze fasen werd bevestigd door röntgendiffractie (Figuur 1). Bovendien hebben gravimetrische experimenten aangetoond dat dit materiaal ook bevat een niet-kristallijne gedeelte, dat amorf aluminiumoxide is. In deze materialen, aluminium fosfaat gedraagt zich als bindmiddel en als oxidator. De oxyderende eigenschappen van AlPO4 werden door het meten van de hitte van de explosie (3,340 J/g) van een 50/50 wt./wt.% nano-Al/AlPO4 mengsel in een bom calorimeter1blijkt.

Het water, dat wordt toegevoegd aan de H3PO4 oplossingen verdund, wordt vertraagd de stijging van de temperatuur van het medium van de reactie (Figuur 2). Het drogen van H3PO4 door fosfor anhydride (P4O10), of door een sterke droogmiddel, is niet aangeraden (Figuur 2, meest linkse bocht). Bij gebrek aan water ondergaat de pasta zeer snelle Verwarming, die de ontsteking van de energetische schuim en een explosie van de waterstof in de lucht oproept. Houd er rekening mee dat de massa van waterstof uitgebracht door de voorbereiding van een nanothermite schuim monster van 10 g ongeveer 0,5 g is en dat de verbranding van zo'n hoeveelheid dit gas in lucht een energie van ongeveer 60 geeft kJ. De grenzen van de ontvlambaarheid van waterstof variëren van 4 tot 75 vol.% in lucht en de ontstekingstemperatuur is tussen 500 en 580 ° C31.

De systemen die zijn bereid met water zijn makkelijker te mengen, als gevolg van een gunstiger ratio van vloeistof/poeder. Water vertragingen van de schuimende reactie en maakt het meer progressieve en veiliger. Nanothermite schuimen geproduceerd uit verdunde oplossingen hebben betere mechanische sterkte maar minder worden uitgebreid. De analyse door röntgendiffractie van nanothermite schuim blijkt dat ze gekristalliseerde aluminium, aluminium-fosfaat en wolfraam zwaveltrioxide (Figuur 3 bevatten). De laatste communiceert niet chemisch met de schuimende reactie.

De samenstelling van de aluminophosphate matrix (nano-Al/AlPO4) en het nanothermite schuim (nano-Al/AlPO4/nano-WO3) bereid volgens het protocol zijn opgenomen in tabel 1. De dichtheid van het schuim is afhankelijk van de experimentele omstandigheden waarin zij hebben al gesynthetiseerd, in het bijzonder van de concentratie van de H-3PO4 -oplossing. Het varieert meestal van 5 tot 20% van hun theoretische dichtheid, overeenkomt met een hoge poreusheid (80-95%).

De warmte die is uitgebracht door de verbranding van de aluminophosphate matrix en de nanothermite schuim, die waren opgesteld volgens het experimentele protocol zijn gelijk aan 3,4 kJ/g en 2.5 kJ/g, respectievelijk. De verbranding van schuim in de colorimetrische bom produceert residuen die fosfor, wier aanwezigheid wordt gekenmerkt door de continue emissiemeting van witte dampen in contact met atmosferische zuurstof bevatten. Fosfor wordt geproduceerd door de vermindering van de AlPO4 binnen de gesloten kamer, bij gebrek aan lucht.

Aluminophosphate matrices en nanothermite schuimen zijn niet bijzonder gevoelig voor wrijving en schok benadrukt. Echter, zij moeten voorzichtig behandeld worden als gevolg van hun matige gevoeligheid voor elektrostatische ontlading en verwarming van bronnen, zoals een open vuur. Hun verbranding produceert grote vuurballen met vliegende vonken gemaakt van gesmolten deeltjes. De impact van deze gloeilamp fasen verandert het oppervlak van het gepantserde venster van de zaal van de explosie.

Het experiment van de verbranding in de experimentele protocol beschreven kwalitatief illustreert de snelle verbranding van aluminophosphate (of nanothermite) schuimen. Het kan niet worden gebruikt voor het meten van de snelheid van de voortplanting vlam in nanothermite monolieten omdat de overvloedige dampen uitgebracht door de reactie de voorkant van de vlam verbergen. Bovendien, de verbranding volgt verschillende paden binnen de materiële porositeit, waardoor het moeilijk te weten waar de voorkant van de verbranding is op een bepaald moment en, bijgevolg, op maat een propagatie snelheid.

Figure 1
Figuur 1: röntgendiffractie patroon van een matrix aluminophosphate. Röntgendiffractie patroon van een matrix van aluminophosphate, de aanwezigheid van gekristalliseerde Al en AlPO4tonen. Dit cijfer is gewijzigd van komeet et al. 1 de diffractogram werd uitgevoerd op een schuim, die eerder had zijn geplet tot fijn poeder met een deeltjesgrootteverdeling onder 200 µm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: evolutie van de temperatuur voor nanothermite geplakt tijdens hun schuimende reactie. Evolutie van de temperatuur voor nanothermite geplakt tijdens hun schuimende reactie, afhankelijk van de H-3PO4 concentratie. Dit cijfer is gewijzigd van komeet et al. 1 werd de temperatuur gemeten met een thermokoppel type K in de pasta geplaatst en aangesloten op een evenredige-integraal-afgeleide (PID) controller. De wegloper van de schuimende reactie wordt waargenomen wanneer de temperatuur hoger is dan 40 ° C. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: röntgendiffractie patroon van een schuim nanothermite. Röntgendiffractie patroon van een nanothermite schuim, waaruit de aanwezigheid van gekristalliseerde Al, AlPO4 en WO3. Dit cijfer is gewijzigd van komeet et al. 1 als voor aluminophosphate schuimen, de diffractogram werd uitgevoerd op een monster, die eerder is geweest verpletterd tot fijn poeder met een deeltjesgrootteverdeling onder 200 µm. opmerking dat wolfraam zwaveltrioxide niet reageert met fosforzuur in de experimentele omstandigheden gebruikt.Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Monster 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

Tabel 1: chemische samenstelling van het aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) en nanothermite (nano-Al/nano-WO3/AlPO4) schuimen volgens het protocol bereide. Deze waarden werden berekend op basis van Thermogravimetrische gegevens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het mengen nanopowders met zuur en de sluiting van de kamer van de explosie moeten snel, om veiligheidsredenen worden uitgevoerd. De vertraging van de reactie kan variëren tot op zekere hoogte (1-10 min), afhankelijk van de experimentele omstandigheden. Het verkort wanneer de kamertemperatuur te hoog is of in de aanwezigheid van externe verwarming bronnen zoals een middelpunt van de belangstelling, die vroege activering van de schuimende reactie kunnen veroorzaken. Omgekeerd, het wordt verhoogd wanneer de kamertemperatuur slinkt. In het geval van teveel schuim vertraging (> 15 min), de reactie kan worden gestopt door een grote hoeveelheid water in het bekerglas (100 mL) snel te gieten. De voorbereiding van de aluminophosphate matrix of nanothermite schuim moet worden uitgevoerd bij kamertemperatuur (15-25 ° C), wetende dat de schuimende reactie wordt geactiveerd wanneer de temperatuur van de pasta tussen de 40 à 45 ° C (Figuur 2 is). De schuimende reactie wordt voorafgegaan door een waarschuwing teken, dat is een lichte uitbreiding van de pasta met gasbellen breken het oppervlak. De reactie wegloper wordt gekenmerkt door een snelle en sterke expansie van de pasta, vergezeld van belangrijke gasvormige release (H2 en H2O damp).

De hoeveelheid nanopowder vermengd met de H-3PO4 -oplossing definieert de consistentie van de pasta. Lage ratio's van poeder/zuur geven vloeibare pasta's, overwegende dat lage ratio's van zuur/poeder mengen moeilijk maken. De oxide gebruikt nanothermite voorbereiding moet verenigbaar zijn met fosforzuur. De aluminophosphate of nanothermite schuimen moeten altijd in kleine hoeveelheden (meestal 10 g), bereid zijn om te minimaliseren van de explosie die voortvloeien uit de waterstof vrijgegeven in de lucht tijdens het proces.

De eerste kritieke stap is het wegen van nanopowders, die moet worden uitgevoerd door de exploitant dragen van geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (FFP3 filter cartridge masker) onder een zuurkast. Het mengen van nanopowder(s) met orthofosforzuur moet snel worden gedaan om tijd te sluiten van de explosie-bewezen kamer, die moeilijker is wanneer de pasta dik, bijvoorbeeld met een hoge poeder/acid ratio is te hebben. Het schuim moeten worden gesynthetiseerd uit de buurt van warmtebronnen, als gevolg van de vorming van waterstof door de reactie. Alle energetische monsters moeten worden behandeld met zorg; Nano-Al/nano-WO3 losse poeder heeft een bijzonder lage gevoeligheid drempel tot elektrostatische ontlading (0,14 mJ). Tot slot moet de brandende test van schuim worden uitgevoerd in een verbrandingskamer die is uitgerust met een passende lucht uitlaat.

De voorbereiding van nanothermite objecten door dit proces is uniek. De alleen andere methode voor het voorbereiden van grote nanothermite monolieten is sol-gel methodologie. Deze techniek vereist specifieke precursoren en zeer lange synthese/drogen stappen, waardoor het erg duur. Daarnaast bevatten materialen geproduceerd door de sol-gel techniek altijd onzuiverheden afkomstig van het proces. Ten slotte is de sol-gel product porositeit zeer klein vergeleken met nanothermite schuimen, die beperkt de verspreiding door convectie mechanismen (druk verliezen) en de reactiviteit kan wijzigen.

De toekomstige integratie van nanothermite schuimen in pyrotechnische systemen zal vereisen het gebruik van andere oxiden (bijvoorbeeld CuO en Bi2O3) teneinde hun reactieve eigenschappen. Bovendien, de toevoeging van secundaire explosieven in nanothermite schuimen, in het proces van samenstelling of door latere infiltratie (uit een oplossing) van een reeds bestaande schuim, kan worden gebruikt om het synthetiseren detonerende energetische nanocomposieten32. Dergelijke materialen konden vinden interessante toepassingen in loodvrij inleidingen. De plinten van nanothermite schuim in objecten met welomschreven vormen zullen de volgende uitdaging te overwinnen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Wij hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

De auteurs bedank de fotografen van ISL, Yves Suma en Yannick Boehrer, voor de foto's van monsters en voor de waarneming door de snelle video van de synthese en de verbranding van nanothermite schuimen. Ze zou ook graag hun dankbaarheid uiten aan hun collega Dr. Vincent Pichot uit NS3E laboratorium voor de karakterisatie van de materialen door röntgendiffractie.

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