CN103611943B - 一种碳包覆纳米铝粉的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳包覆纳米铝粉的制备方法，其包括前驱物的制备、纳米铝/十二胺复合物的制备和碳包覆纳米铝粉的制备三步。采用本发明方法制备得到的碳包覆纳米铝粉可有效阻止纳米Al的氧化，保持了纳米Al的活性；包覆的碳在高温燃烧时可提供额外的燃烧热，提前引发纳米铝颗粒内部金属燃烧反应的快速发生，提高推进剂的燃烧性能。

Description

一种碳包覆纳米铝粉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳包覆纳米铝粉的制备方法。

技术背景

金属燃烧剂是推进剂和炸药广泛应用的重要组分之一，可以增加能量、提高爆热和密度、改善点火燃烧性能等。铝粉由于高密度、高热值、低温氧化及原材料丰富等优势，成为含能材料应用中首选的金属燃烧剂。纳米铝颗粒具有小尺寸效应和表面界面效应、颗粒表面的键态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全等特点，导致纳米颗粒表面活性点增加，使得纳米铝粉相对于微米铝粉具有很高的化学反应活性。因此纳米铝粉作为燃烧剂来提高推进剂和炸药的能量性能和燃烧性能成为研究的热点。从国内外研究情况可知，纳米铝粉用于固体推进剂有如下突出效应：提高爆热、密度、比冲；降低点火温度，缩短点火延迟时间；提高推进剂燃烧速率，且燃烧完全、燃烧效率高；降低燃速压强指数；抑制振荡燃烧，提高推进剂燃烧稳定性。

尽管纳米铝粉作为新型含能材料在固体推进剂中有很大的潜在应用，但也存在一些急需解决的问题，其中影响纳米铝粉应用的关键因素之一就是活性保护问题。由于纳米铝粉高的活性表面，使其对环境极其敏感，容易发生氧化反应或其它反应。在空气中形成的氧化铝壳层作为惰性材料严重影响纳米铝粉在推进剂中的应用，寻找一种新型物质来取代氧化铝，防止铝粉在加工存储过程中氧化，从而保护纳米铝粉活性成为国内外研究的热点。

目前，用于解决纳米Al氧化和团聚主要的包覆材料有碳、过渡金属、金属氧化物、有机酸、环氧化合物及聚合物等。其中，碳包覆研究的相对更成熟，国内外学者在这方面作了大量的研究，Ermoline等利用脉冲微弧放电法制备了碳包覆纳米铝粉，Park等人用直流电弧法制备了碳包覆纳米铝粉，国内郭连贵采用激光法也制备了C/Al纳米复合粉末，但这些方法设备要求较高且产量较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成简便的碳包覆纳米铝粉的制备方法，碳包覆可阻止纳米铝粉的氧化，提高纳米铝粉的活性。

本发明的实现过程如下：

一种碳包覆纳米铝粉的制备方法，包括以下步骤：

（1）前驱物溶液的制备

将无水AlCl₃分散到有机溶剂中，加入叔胺化合物，待固态AlCl₃完全溶解后加入LiAlH₄，反应完成后静置分层，收集上层清液，得到前驱物溶液；

（2）纳米铝/十二胺复合物的制备

在惰性气氛下，前驱物溶液温度为25-100℃时，加入催化量的催化剂异丙醇钛，体系变为黑褐色，再加入十二胺，经静置、固液分离制得纳米铝/十二胺复合物；

（3）碳包覆纳米铝粉的制备

将纳米铝/十二胺复合物在真空下于550-800℃高温热裂解制得碳包覆纳米铝粉。

上述步骤（1）中，有机溶剂选自苯、乙醇、甲苯、四氯化碳、乙醚、氯仿、乙酸甲酯，所述叔胺化合物选自N(CH₃)₃、N(Et)₃、N(CH₃)₂C₆H₅、N(CH₃)₂C₄H₉，反应时间为2-4h。无水AlCl₃、叔胺化合物以及LiAlH₄的摩尔比为2～8：9～20：1～3。

上述步骤（2）中，所述十二胺是将十二胺溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿或四氯化碳中得到的十二胺溶液，十二胺的用量为无水AlCl₃摩尔量的5～15倍。

本方法的优点与积极效果：（1）使用碳对新制备出的纳米Al粉进行表面包覆，可显著阻止纳米Al的氧化，提高纳米Al的活性；（2）包覆的碳在高温燃烧时可以提供额外的燃烧热，放出的能量将提前引发纳米铝颗粒内部金属燃烧反应的快速发生，可提高推进剂的燃烧性能；（3）相对于电弧法、激光法等，本发明方法对设备要求较低且容易实施。

附图说明

图1为制备得到的碳包覆纳米铝粉的SEM照片；

图2为制备得到的碳包覆纳米铝粉的XRD图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将0.005mol无水AlCl₃溶于60ml的乙醇中，搅拌下将0.02mol的N(CH₃)₃以1-2滴/秒的速度加入到AlCl₃的乙醇溶液中，待AlCl₃溶解后，将0.0015mol的LiAlH₄加入到体系中，继续搅拌反应3h后，静置分层得到上层AlH₃·N(Et)₃清液。

将AlH₃·N(Et)₃溶液加至三颈烧瓶中，将0.05mol十二胺溶于乙醚中放入恒压分液漏斗中。惰性气氛下，搅拌、加热，待体系达到40℃后，加入催化量的异丙醇钛，体系瞬间变黑褐色，在转变为黑色的过程中加入十二胺乙醚溶液，制得纳米铝/十二胺复合物。

将上述制得的纳米铝/十二胺复合物置于真空下在600℃热裂解制得碳包覆纳米铝粉。

如图1所示，复合粒子为球形，粒径为40-50nm；如图2所示，XRD图中出现明显的Al的峰，同时观测到的碳峰比较微弱，这是由于碳包覆层为无定型状态所致。

实施例2

将0.007mol无水AlCl₃溶于100ml的氯仿中，搅拌下将0.03mol的N(CH₃)₂C₆H₅以1-2滴/秒的速度加入到AlCl₃的氯仿溶液中，待AlCl₃溶解后，将0.002mol的LiAlH₄加入到体系中，继续搅拌反应3h后，静置分层得到上层AlH₃·N(CH₃)₂C₆H₅清液。

将AlH₃·N(CH₃)₂C₆H₅溶液加至三颈烧瓶中，将0.07mol十二胺溶于氯仿中放入恒压分液漏斗中。惰性气氛下，搅拌、加热，待体系达到50℃后，加入催化量的异丙醇钛，体系瞬间变黑褐色，在转变为黑色的过程中加入十二胺氯仿溶液，制得纳米铝/十二胺复合物。

将上述制得的纳米铝/十二胺复合物置于真空下在750℃热裂解制得碳包覆纳米铝粉。

Claims (4)

1.一种碳包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）前驱物溶液的制备

将无水AlCl₃分散到有机溶剂中，加入叔胺化合物，待固态AlCl₃完全溶解后加入LiAlH₄，反应完成后静置分层，收集上层清液，得到前驱物溶液，无水AlCl₃、叔胺化合物以及LiAlH₄的摩尔比为2～8：9～20：1～3；

（2）纳米铝/十二胺复合物的制备

在惰性气氛下，前驱物溶液温度为25-100℃时，加入催化量的催化剂异丙醇钛，体系变为黑褐色，再加入十二胺溶液，经静置、固液分离制得纳米铝/十二胺复合物，所述十二胺溶液是将十二胺溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿或四氯化碳中得到，十二胺的用量为无水AlCl₃摩尔量的5～15倍；

（3）碳包覆纳米铝粉的制备

将纳米铝/十二胺复合物在真空下于550-800℃高温热裂解制得碳包覆纳米铝粉。

2.根据权利要求1所述碳包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，有机溶剂选自苯、乙醇、甲苯、四氯化碳、乙醚、氯仿、乙酸甲酯。

3.根据权利要求1所述碳包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述叔胺化合物选自N(CH₃)₃、N(Et)₃、N(CH₃)₂C₆H₅、N(CH₃)₂C₄H₉。

4.根据权利要求1所述碳包覆纳米铝粉的制备方法，其特征在于：步骤（1）反应2-4h。