CN102581274B - 一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法，是将二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基；将产生的二氟卡宾自由基与微纳米金属粉接触，由于二氟卡宾自由基之间发生聚合反应，从而在微纳米金属粉表面生成致密的聚四氟乙烯包覆层薄膜。本发明针对微纳米金属粉在含能材料应用中的不足和缺点，通过化学气相沉积法使聚四氟乙烯在金属粉表面发生聚合，对微纳米金属粉进行包覆。本发明有效的降低了金属粉的点火温度、缩短点火延迟时间、提高金属粉的燃烧速率，通过聚四氟乙烯包覆后的金属粉表面具有高的疏水特性，能有效防止活泼金属粉吸潮氧化。

Description

一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法

技术领域

本发明的实施例涉及一种金属粉表面覆膜的方法，具体涉及一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法，属于含能材料的制备技术领域。

背景技术

微纳米金属粉，特别是铝粉、硼粉、镍粉等作为高能添加剂在含能材料中有着广泛应用。然而微纳米金属粉由于其活泼化学性质、较大的比表面积和表面能，在使用存放过程中极易氧化团聚。通常情况下，在其表面都会形成一层致密氧化层包覆膜。由于氧化层的惰性，在金属粉点火及燃烧过程中首先需要在高温下使其表面的氧化层蒸发熔化掉，例如，铝粉表面形成的氧化铝，需要在2000℃以上高温才能使其熔解。同时，在整个燃烧过程中要维持这一高温，否则在燃烧反应过程中新生成的氧化层会使燃烧反应中止。含有大量氧化物的金属粉添加到含能材料中，对其能量和燃烧性能的提高也十分不利。因为金属氧化物不但在含能材料燃烧时不会做功或释放能量，而且作为惰性成分占有一定的质量，从而直接影响含能材料总体性能(如能量密度、火箭的航程等)，同时，由于火炸药在燃烧过程中整个体系温度会急剧、快速地上升，这些惰性物质也会随着体系温度的升高而吸收一定的热量。

目前，为了防止金属粉的氧化，降低其点火温度、提高燃烧效率，通常使用两种方法：(1)使用粒径小的金属粉，如超细纳米金属粉；(2)对金属粉表面进行包覆改性。通过使用粒度较小的金属粉可以明显缩短金属粉的点火延迟时间和降低点火温度，但纳米金属粉表面较厚的氧化层显著降低能量密度，另外在燃烧过程中纳米金属粉颗粒还会产生很严重的团聚现象。

将微纳米金属粉用无机、有机聚合物进行表面包覆，是目前解决上述问题的主要方法，也是含能材料领域研究的一个热点。张教强研究了在硼粉表面包覆氟化锂，实验发现，经包覆后其点火延迟时间明显缩短和燃烧效率明显提高，但有1/3的硼粉没有完全燃烧，庞维强用HTPB对硼粉进行了改性包覆，在硼粉表面形成了HTPB包覆层薄膜。李红霞用硬脂酸对微纳米金属镍表面进行有机改性，结果表明：包覆样品的疏水性和耐酸性明显优于未包覆的镍粉，适量的硬脂酸包覆超微镍粉后可以大大提高镍粉的分散性。同时，还用液相法对超微金属镍表面进行无机改性，结果表明：SiO2以不定型态包覆在超微镍粉的表面，二氧化硅包覆改善了镍粉的分散性和疏水性，并提高了镍粉的耐酸性和抗氧化性。常仕英用银对镍粉表面进行了包覆处理，并测试了复合粒子的组分。杨毅等以硝酸镍为原料，制备了氧化亚镍包覆铝复合粒子，即在铝粉表面进行了无机包覆；Fred等人采用棕搁酸对纳米Al粉进行包覆，通过老化实验表明，表面包覆处理对Al粉的抗氧化能力有较大的提高。Guo Lian gui用高分子粘合剂HTPB对铝粉进行了表面包覆，可增加其在空气中稳定性。Young-Soon Kwon用羧酸(C17H33COOH)等有机酸对纳米铝粉进行了包覆处理。William K.L等人用多种光谱法对铝粉表面和有机酸的结合机理进行了研究。Christopher A.C通过分子自组装的方法用三种不同有机酸对铝粉表面进行了改性包覆，能有效提高铝粉在水中的化学稳定性。专利US2006/0101713用氟化金属盐对微米铝粉的包覆改性，比如包覆K3AlF6，这层氟化物相对于铝粉表面本身的氧化膜而言，会在相对比较低的温度下蒸发，从而能降低其点火温度和提高燃烧效率。

上述方法对微纳米金属粉进行包覆改性后在一定程度上能解决团聚和氧化问题，但存在的缺点就是上述包覆物质为非含能材料，对材料的能量没有贡献，部分包覆层在低温下难以发生熔化分解，添加到含能材料中，对降低含能材料的点火温度、提高燃烧性能及能量释放速率极为不利。因此寻找在低温下能分解燃烧，对金属粉含能化包覆的技术，是金属粉实际应用的一个关键技术。R.J.Jouet采用C13F27COOH包覆纳米铝粉，虽然对铝粉进行了含能化包覆，但该工艺在溶液中进行，操作工艺复杂，产生废液，工业化生产难度较大。化学气相沉积法则是利用气态物质在纳米颗粒表面反应生成固态沉积物而达到纳米颗粒的包覆，它具有较为完善的沉积理论。并且可以在任何形状的表面进行包覆，同时膜层的纯度高，且厚度可以通过调节温度、压力、气氛等参数较精确地调控。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法，所制备的聚四氟乙烯(PTFE)与金属粉形成的复合粒子在含能材料方面具有很好的应用前景。该方法操作简单，制备的复合粒子是一种新型亚稳态含能材料，自身能发生燃烧、爆炸反应释放能量，同时金属粉表面形成的聚四氟乙烯(PTFE)包覆膜具有高的疏水特性，能有效防止金属粉吸潮氧化。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法，是

将二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基；

将产生的二氟卡宾自由基与微纳米金属粉接触，由于二氟卡宾自由基之间发生聚合反应，从而在微纳米金属粉表面生成致密的聚四氟乙烯包覆层薄膜。

更进一步的方案是：

所述通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基时，裂解管内的温度控制在150℃至1300℃。

更进一步的方案是：

所述二氟卡宾前驱体气体为六氟环氧丙烷、三氟甲烷、二氟氯甲烷中的一种或几种。

更进一步的方案是：

所述二氟卡宾前驱体气体的流量为5-600sccm，可以通过控制流量及聚合反应时间来控制金属粉表面的薄膜厚度。

更进一步的方案是：

所述的微纳米金属粉为微米铝粉、纳米铝粉、微米硼粉、纳米硼粉、微米镍粉、纳米镍粉中的一种或几种。

更进一步的方案是：

所述二氟卡宾自由基从裂解管下端口排出，裂解管下端口与金属粉之间的距离为1至30cm。

更进一步的方案是：

所述聚合反应时，温度控制在100℃以下。

更进一步的方案是：

所述聚合反应时，反应环境为真空环境或者充入填充气体的环境。

更进一步的方案是：

所述填充气体为氮气，填充气体压力为10个标准大气压以内。

更进一步的方案是：

所述二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基时，还会产生其它酸性气体，其它酸性气体通过冷阱杜瓦瓶冷冻或碱性溶液吸收处理。

在本发明中，采用的裂解管为常规裂解管，也可以通过采用普通金属管作为替代。而微纳米金属粉是指粒径在微米、纳米级别的金属粉。

本发明针对微纳米金属粉在含能材料应用中的不足和缺点，通过化学气相沉积法使聚四氟乙烯(PTFE)在金属粉表面发生聚合，对微纳米金属粉进行包覆。通过此法包覆形成的聚四氟乙烯(PTFE)在低温下就能蒸发分解，从而有效的降低了金属粉的点火温度、缩短点火延迟时间、提高金属粉的燃烧速率，同时，四氟乙烯(PTFE)与金属粉形成的复合粒子是一种新型的亚稳态含能材料，本身即可发生燃烧、爆炸等反应释放能量，作为高能添加剂或反应材料，能有效提高体系的反应速率及放热量。最后通过聚四氟乙烯(PTFE)包覆后的金属粉表面具有高的疏水特性，能有效防止活泼金属粉吸潮氧化。

本发明至少具有如下优点：(1)通过此法包覆形成的聚四氟乙烯(PTFE)金属复合粒子是一种新型的亚稳态含能材料，自身能发生燃烧、爆炸反应，向外界释放能量。(2)作为含能材料添加剂，聚四氟乙烯(PTFE)在低的温度下就能分解，从而能有效降低金属粉点火温度、缩短点火延迟时间、提高燃烧效率。(3)经聚四氟乙烯(PTFE)包覆后金属粉表面具有高的疏水特性，从而有效地达到保护金属粉的作用。(4)用化学气相沉积法，通过原位聚合进行表面包覆处理，在金属粉表面可沉积厚度可控，结构均一的PTFE薄膜。

附图说明

图1为本发明一种实施例的工艺流程示意图；

其中1为气体气罐，2为减压阀，3为流量计，4为裂解管，5为反应室，6为搅拌器，7为冷却水，8为冷阱杜瓦瓶，9为真空泵，10为温控系统。

图2(1)-(10)为本发明实施例1到实施例10样品包覆处理后的SEM图。

图3为本发明实施例2样品包覆处理后TEM图。

图4为本发明实施例2样品包覆处理后XPS图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

1)、如附图1所示，首先对裂解管4进行预热，升温至300℃，恒温25分钟，温度通过温控系统10实现；

2)、称取2g粒径为5微米的铝粉加入反应室5，调节裂解管4下端口与铝粉之间的距离1.5-2cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，接通20℃的冷却水7进行循环冷却；

3)、打开六氟环氧丙烷(HFPO)气体气罐1的开关阀，通过减压阀2和流量计3调节流量至30sccm，进入裂解管4，HFPO在裂解管4内分解产生的二氟卡宾(CF2)自由基。

4)、分解产生的二氟卡宾(CF2)自由基在铝粉表面聚合，形成聚四氟乙烯包覆层薄膜，沉积时间为10分钟。

二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基时，产生的其它酸性气体通过冷阱杜瓦瓶8冷冻处理。

实施例2：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度至350℃，恒温25分钟，温度通过温控系统10实现；

2)、称取2g粒度为1微米的铝粉加入反应室5，调节裂解管4下端口与铝粉之间的距离1.5-2cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却；

后继步骤同实施例1。

实施例3：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度至400℃，恒温20分钟，温度通过温控系统10实现；

2)、称取2g粒度为1微米的硼粉加入反应室5，调节裂解管4口与硼粉之间的距离1.5-2cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例1。

实施例4：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度300℃，恒温25分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1微米的镍粉加入反应室5，调节裂解管4口与镍粉之间的距离1.5-2cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例1。

实施例5：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度800℃，恒温15分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1微米的铝粉加入反应室5，调节裂解管4口与铝粉之间的距离3-4cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

3)、打开原料气三氟甲烷(CHF3)开关阀，通过流量计3调节流量20sccm，进入裂解管4，三氟甲烷在裂解管4内分解。

4)、分解产生的二氟卡宾自由基(CF2)在铝粉表面沉积聚合，形成P包覆层薄膜，沉积时间为20分钟。

实施例6：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度800℃，恒温15分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1微米的硼粉加入反应室5，调节裂解管4口与硼粉之间的距离3-4cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例5。

实施例7：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度800℃，恒温15分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1纳米的镍粉加入反应室5，调节裂解管4口与镍粉之间的距离3-4cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例5。

实施例8：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度550℃，恒温20分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1纳米的铝粉加入反应室5，调节裂解管4口与铝粉之间的距离2-3.5cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

3)、打开原料气二氟氯甲烷(CF2Cl)气体气罐1，通过减压阀2和流量计3调节流量25sccm，进入裂解管4，二氟氯甲烷在裂解管4内分解。

4)、分解产生的二氟卡宾自由基(CF2)在铝粉表面沉积聚合，形成P包覆层薄膜，沉积时间为16分钟。

实施例9：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度550℃，恒温20分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1纳米的硼粉加入反应室5，调节裂解管4口与硼粉之间的距离2-3.5cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例8

实施例10：

1)、首先对裂解管4进行预热，温度升至实验所需温度550℃，恒温20分钟。温度通过温控系统10实现，如图1所示。

2)、称取2g粒度为1纳米的镍粉加入反应室5，调节裂解管4口与镍粉之间的距离2-3.5cm之间，利用真空泵9对反应室5抽真空，使反应室5处于真空状态，接通20℃的冷却水7进行循环冷却，如图1所示。

后继步骤同实施例8。

Claims (1)

1.一种化学气相沉积包覆微纳米金属粉的方法，其特征在于：

将二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基；

将产生的二氟卡宾自由基与微纳米金属粉接触，由于二氟卡宾自由基之间发生聚合反应，从而在微纳米金属粉表面生成致密的聚四氟乙烯包覆层薄膜；

所述二氟卡宾前驱体气体为六氟环氧丙烷、三氟甲烷、二氟氯甲烷中的一种或几种；

所述二氟卡宾自由基从裂解管下端口排出，裂解管下端口与金属粉之间的距离为1至30cm；

所述聚合反应时，温度控制在100℃以下；

所述通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基时，裂解管内的温度控制在150℃至1300℃之间；

所述二氟卡宾前驱体气体的流量为5-600sccm；

所述的微纳米金属粉为微米铝粉、纳米铝粉、微米硼粉、纳米硼粉、微米镍粉、纳米镍粉中的一种或几种；

所述聚合反应时，反应环境为真空环境或者充入填充气体的环境；

所述填充气体为氮气，填充气体压力为10个标准大气压以内；

所述二氟卡宾前驱体气体通过裂解管分解产生二氟卡宾自由基时，还会产生其它酸性气体，其它酸性气体通过冷阱杜瓦瓶冷冻或碱性溶液吸收处理。

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