CN102634861A - 一种含能微纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含能微纤维,利用金属/金属氧化物纳米颗粒(MIC)与硝化棉通过静电纺丝方法制备的微纤维,本发明还公开了制备一种含能微纤维的方法,将金属/金属氧化物纳米颗粒(MIC)与硝化棉加入到混合溶剂中,配制成静电纺丝溶液,再通过静电纺丝装置制备微纤维。本发明在硝化棉的纺丝溶液中加入了含能催化剂——金属/金属氧化物纳米颗粒(MIC),能有效提高硝化棉的燃烧性能和能量密度;选取有机试剂作为混合溶剂,防止了无机纳米粒子与水分子间的反应;首次将MIC制成微纤维,增加了MIC的存在形式;金属/金属氧化物纳米颗粒(MIC)/硝化棉微纤维直径均匀可控,适合微型器件设计的需求,可用于微推进剂和微起爆器等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种含能微纤维及其制备方法,属于含能材料制备技术领域。
背景技术
在早期,铝热剂主要指的是Al和Fe2O3按照一定比例配制的混合物,用作引燃剂。随着研究的不断深入,铝热剂的概念得到了进一步推广,其范围变为金属与金属氧化物或非金属氧化物的混合物或者复合物,如用CuO、MoO3等氧化物代替Fe2O3与Al按一定配比得到的混合物也可称为铝热剂。铝热反应是一种高放热反应,因此有许多用途,如军事目标和弹药的破坏、纵火武器、切割器和焊接器等。由于传统铝热剂中的氧化剂与还原剂粒度比较大,颗粒间存在分离,其爆燃速度和能量释放速率缓慢。
亚稳态分子间复合物(Metastable Intermolecular Composites,MIC),也称为“超级铝热剂”或金属/金属氧化物纳米颗粒,是由纳米级的氧化剂(如金属氧化物)和还原剂(主要是铝粉)组成的复合物。它不仅可以克服传统铝热剂反应速度慢,反应不完全等缺点,而且MIC还具有小的临界直径、大的比表面积、高的能量密度和能量释放速度等性能。在1995年,Aumann等制备了直径为20-50nm的MoO3/Al复合含能材料,测得其燃烧速率是传统铝热剂的1000倍,能量密度最大可达16kJ/cm3。目前,美国已将其用作枪弹底火。同样Granier,Pantoya等人也发现,当Al的粒径从20000nm减小到50nm时,Al/MoO3的燃烧速率提高了10倍,点火时间降低了两个数量级,MIC对点火时间响应的重复性也得到提高。
目前所制备的MIC多数以粉体、阵列、薄膜的形式存在。如Tillotson通过溶胶-凝胶法制备了粉末状的Al/Fe2O3;Zhang通过气相沉积法制备了Al/CuO纳米阵列;Manesh等通过热蒸发法制备了Al/CuO多层膜复合含能材料。另外,研究者已经指出MIC是一类非常有潜力作为反应性材料应用于武器战斗部中的物质,如环境清洁的引信和雷管、可化学或生物降解的高性能火箭推进剂、红外干扰等领域。MIC还有一个显而易见的优势,就是在材料尺寸上满足了当前微型器件设计的需求,可以制备成微纳米含能器件。如K.L.Zhang等人利用Al/CuO成功制备了微点火器,其点火成功率高达98%,火焰温度高于2000℃,释放的能量约为2950J/g。
邵自强等人采用静电纺丝的方法制备了硝化棉纤维,并将纳米粒子Ni、Cu、Al、Fe3O4添加于硝化棉纤维中。此种方法操作简单,且利用无机纳米粒子的催化效果改善了硝化棉的燃烧性能,但单一的纳米粒子对其提高能量方面并不明显。此外,他们使用的混合溶剂中存在有水,易与活性比较高的纳米金属粒子发生化学反应,影响纳米粒子对硝化棉燃烧性能的催化效果,限制了其在微器件领域的应用。
发明内容
本发明的目的之一在于克服背景技术不足,提供一种含能微纤维及其制备方法。以硝化棉(简称NC)为载体,通过静电纺丝制备MIC/硝化棉微纤维的方法,该方法可提高硝化棉的燃烧性能和能量密度;避免无机纳米粒子与水的反应;可制备直径均匀可控的复合含能材料;满足微型器件的设计要求。
为达到上述目的,本发明采取了如下技术方案:
一种含能微纤维,所述含能微纤维是利用金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉制备的微纤维。
制备上述的一种含能微纤维的方法,将金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉加入到混合溶剂中,配制成静电纺丝溶液,再通过静电纺丝装置制备微纤维。
进一步的技术方案是,所述静电纺丝装置的纺丝电压为15kv~30kv,纺丝温度为28℃~33℃,挤出速度为4mL/h~8mL/h,环境相对湿度为52%~57%,接收距离为8cm~30cm。
进一步的技术方案是,所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属为Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一种或多种,所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属氧化物为FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一种或多种。
更进一步的技术方案是,所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属与金属氧化物的颗粒摩尔比为2∶1~2∶3。
进一步的技术方案是,所述混合溶剂为丙酮、甲醇、异丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中任意两种混合的溶剂。
更进一步的技术方案是,所述任意两种混合的混合体积比为0.5∶1~1∶0.5。
进一步的技术方案是,所述金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉的质量比为5∶100~40∶100。
进一步的技术方案是,所述静电纺丝溶液的质量分数为5wt%~15wt%
更进一步的技术方案是,所述静电纺丝溶液的质量分数为8wt%~11wt%。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明在硝化棉的纺丝溶液中加入了含能催化剂——MIC,能有效提高硝化棉的燃烧性能和能量密度。
(2)本发明选取了有机试剂作为混合溶剂,防止了无机纳米粒子与水分子间的反应。
(3)本发明首次将MIC制成微纤维,增加了MIC的存在形式。
(4)本发明制备的MIC/硝化棉微纤维直径均匀可控,适合微型器件设计的需求,可用于微推进剂和微起爆器等领域。
附图说明
图1为静电纺丝装置图。
图中:1.高压电源,2.推进泵,3.注射器,4.旋转收集装置,5.负高压。
图2为本发明实施例1制备的纯硝化棉微纤维的扫描电镜图。
图3为本发明实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1和实施例2制备的硝化棉及MIC/硝化棉微纤维的XRD图谱。
图5为本发明实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维在Au微加热器上燃烧前的照片。
图6为本发明实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维在Au微加热器上燃烧时的照片。
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:
在室温条件下,将硝化棉溶解于丙酮/N,N-二甲基乙酰胺(丙酮与N,N-二甲基乙酰胺体积比为1∶0.5)的混合溶剂中,配制成浓度为10wt%的静电纺丝溶液约10mL。
参照图1,在室温下,将上述静电纺丝溶液注入进样管中,进样管前端的金属针头与高压电源1相连。开启高压电源1,设其值为25kv,推进泵2推进注射器3的推进速度为8mL/h。在静电场力作用下,上述静电纺丝溶液从带正电的针头“飞到”带负电的旋转收集装置4的过程中不断被拉伸,同时溶剂挥发,最终在距离针头20cm处的铝丝收集架上得到硝化棉微纤维,所制备的硝化棉纤维产品见图2,从图2可以看出,纯硝化棉微纤维表面光滑,直径均匀。
实施例2:
首先,将纳米级的Al/Fe2O3颗粒按摩尔比为2∶1置于环己烷溶液中,超声混合后放入真空干燥箱中干燥。然后,将硝化棉与上述真空干燥的纳米级的Al/Fe2O3颗粒加入到丙酮/N,N-二甲基乙酰胺(丙酮与N,N-二甲基乙酰胺体积比为1∶0.5)的混合溶剂中,配制成浓度为10wt%的静电纺丝溶液约10mL。其中Al/Fe2O3(MIC)∶硝化棉=3∶10(质量比)。
参照图1,在室温下,将上述静电纺丝溶液注入进样管中,进样管前端的金属针头与高压电源1相连。开启高压电源1,设其值为25kv,推进泵2推进注射器3的推进速度为8mL/h。在静电场力作用下,上述静电纺丝溶液从带正电的针头“飞到”带负电的旋转收集装置4的过程中不断被拉伸,同时溶剂挥发,最终在距离针头20cm处的铝丝收集架上得到MIC/硝化棉微纤维,所制备的MIC/硝化棉微纤维产品见图3,从图3中可以看出,加入MIC后,硝化棉微纤维表面变得粗糙,观察到了MIC颗粒。
图4为本发明实施例1制备的硝化棉微纤维和实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维的XRD图谱。通过对比,发现加入MIC后,在硝化棉的XRD图谱中观察到Al和Fe2O3的晶态衍射峰,证明了所制备的微纤维确实是由MIC和硝化棉组成的。图5为本发明实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维在Au微加热器上燃烧前的照片。图6为本发明实施例2制备的MIC/硝化棉微纤维在Au微加热器上燃烧时的照片。通过对比图5和图6,发现MIC/硝化棉微纤维一旦点燃,很快燃烧完,且发出明亮的白光。
实施例1和实施例2的混合溶剂除可以用丙酮和N,N-二甲基乙酰胺混合外,还可以用丙酮、甲醇、异丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的任意两种混合。
实施例2的纳米级的Al/Fe2O3颗粒为金属/金属氧化物纳米颗粒(MIC),上述金属还可以是Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一种或多种,上述金属氧化物还可以是FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一种或多种。
上述微加热器包括Au/Pt/Cr微加热器等。
从上文描述的实施例可以看出,本发明在硝化棉的纺丝溶液中加入了含能催化剂——MIC,能有效提高硝化棉的燃烧性能和能量密度。本发明选取了有机试剂作为混合溶剂,防止了无机纳米粒子与水分子间的反应。本发明还首次将MIC制成微纤维,增加了MIC的存在形式。本发明制备的亚稳态分子间复合物(MIC)/硝化棉微纤维直径均匀可控,适合微型器件设计的需求,可用于微推进剂和微起爆器等领域。
在本说明书中所谈到的“实施例”、“实施例1”、“实施例2”等,指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时,所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述,但是,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说,在本申请公开、附图和权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施例只限于这些说明。
Claims (10)
1.一种含能微纤维,其特征在于:所述含能微纤维是利用金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉制备的微纤维。
2.制备权利要求1所述的一种含能微纤维的方法,其特征在于:将金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉加入到混合溶剂中,配制成静电纺丝溶液,再通过静电纺丝装置制备微纤维。
3.根据权利要求2所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述静电纺丝装置的纺丝电压为15kv~30kv,纺丝温度为28℃~33℃,挤出速度为4mL/h~8mL/h,环境相对湿度为52%~57%,接收距离为8cm~30cm。
4.根据权利要求2所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属为Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一种或多种,所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属氧化物为FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu20、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述金属/金属氧化物纳米颗粒中的金属与金属氧化物的颗粒摩尔比为2∶1~2∶3。
6.根据权利要求2所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述混合溶剂为丙酮、甲醇、异丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中任意两种混合的溶剂。
7.根据权利要求6所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述任意两种混合的混合体积比为0.5∶1~1∶0.5。
8.根据权利要求2所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述金属/金属氧化物纳米颗粒与硝化棉的质量比为5∶100~40∶100。
9.根据权利要求2所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述静电纺丝溶液的质量分数为5wt%~15wt%。
10.根据权利要求9所述的制备一种含能微纤维的方法,其特征在于:所述静电纺丝溶液的质量分数为8wt%~11wt%。
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