CN103821027B

CN103821027B - 引燃纸及其制备方法

Info

Publication number: CN103821027B
Application number: CN201410087104.0A
Authority: CN
Inventors: 钱俊; 胡小薇; 刘正
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103821027A

Abstract

本发明公开引燃纸及其制备方法。该制备方法包括如下步骤S1、准备还原剂锆：包括锆粉清洗→锆粉干燥→锆粉过筛；S2、准备氧化剂二氧化铅：包括二氧化铅干燥→二氧化铅过筛；S3、准备黏结剂：将聚乙烯醇与水调配成聚乙烯醇溶液，该聚乙烯醇溶液作为黏结剂；S4、制备引燃纸：包括氧化剂、还原剂和石棉纸组成引燃纸材料→加水融合引燃纸材料→加入黏结剂→搅拌→打纸浆→操纸→干燥。本发明引燃纸中氧化剂是二氧化铅，是一种过氧化物，而普通引燃纸所用的氧化剂是铬酸钡，是一种氧化性盐。过氧化物具备更高的氧化活性，因此，本发明的引燃纸具备更高的反应速度和更低的反应能垒，表现出更快的线燃速和更好的低温适应性。

Description

引燃纸及其制备方法

技术领域

本发明涉及热电池中基础原材料，尤其涉及引燃纸及该引燃纸的制备方法，该引燃纸燃烧线速度快。

背景技术

引燃纸用于传递激活信号，热电池的激活过程为当电点火头接收到电信号后发生爆燃，并将引燃纸点燃，引燃纸沿电池径向燃烧，依次点燃每片单体电池中的加热粉层。

高性能热电池要求很短的激活时间，其中增加引燃纸的燃烧速度是一种有效的途径。普通引燃纸由锆粉、铬酸钡和石棉纤维组成。线燃速一般在100mm/s。国内文献“陆瑞生,刘效疆.热电池.北京: 国防工业出版社,2005”报道通过提高锆粉活性和改善纤维载体及改进制备工艺可以使引燃纸的线燃速提高到200mm/s。

普通引燃纸中活性物质的化学反应方程式为：

3Zr+4BaCrO₄ ==4BaO+2Cr₂O₃+3ZrO₂

普通引燃纸（陆瑞生,刘效疆.热电池.北京: 国防工业出版社,2005）在热电池工作范围内的发热量为1649J/g，燃点阈值为540℃。普通引燃纸燃速较慢，易造成长电堆热电池激活偏慢；燃点阈值较高，易造成点火灵敏度下降；发热量大，对热电池热平衡造成较大影响，易造成热电池热失控。

发明内容

本发明解决的问题是现有的引燃纸燃速慢的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种引燃纸的制备方法，该方法包括如下步骤：S1、准备还原剂锆：包括锆粉清洗→锆粉干燥→锆粉过筛；S2、准备氧化剂二氧化铅：包括二氧化铅干燥→二氧化铅过筛；S3、准备黏结剂：将聚乙烯醇与水调配成聚乙烯醇溶液，该聚乙烯醇溶液作为黏结剂；S4、制备引燃纸：包括氧化剂、还原剂和石棉纸组成引燃纸材料→加水融合引燃纸材料→加入黏结剂→搅拌→打纸浆→操纸→干燥，在该步骤中，加水融合引燃纸时，水的量约是原材料体积的5~10倍，加入黏结剂后通过搅拌剪切将石棉纸破碎成纤维状，最终操纸所用的纸浆融合液应成较稳定的悬浮液状态。

在进一步方案中，在所述引燃纸材料中，所述二氧化铅：锆的质量比值在1.9~4.4之间。

在进一步方案中，在所述引燃纸材料中，所述二氧化铅和锆组成活性物质，活性物质与石棉纸的质量比为8.3~16.2。

在进一步方案中，所述加入黏结剂步骤中，每100g引燃纸材料加入黏结剂1.4g ~8.9g。

在进一步方案中，所述二氧化铅的纯度不少于97.0%，体积平均粒径不大于18um，并符合HG3-922-76标准；所述锆的总锆含量不少于96%，体积平均粒径不大于10um，并符合GJB3425-98标准。

在进一步方案中，所述锆粉原材料中活性锆的含量大于92%。

本发明还公开一种引燃纸，该引燃纸包括作为还原剂的锆、作为氧化剂的二氧化铅、作为载体的石棉纸和作为黏结剂的聚乙烯醇。

在进一步方案中，所述二氧化铅：锆的质量比值在1.9~4.4之间。

在进一步方案中，所述二氧化铅和锆组成活性物质，活性物质与石棉纸的质量比为8.3~16.2。

在进一步方案中，所述二氧化铅、锆和石棉纸构成引燃纸材料，每100g引燃纸材料中含有黏结剂1.4g ~8.9g。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明引燃纸中氧化剂是二氧化铅，是一种过氧化物，而普通引燃纸所用的氧化剂是铬酸钡，是一种氧化性盐。过氧化物具备更高的氧化活性，因此，本发明的引燃纸具备更高的反应速度和更低的反应能垒，表现出更快的线燃速和更好的低温适应性。

附图说明

图1是本发明的引燃纸制备方法的流程图；

图2是本发明引燃纸的制备方法第一实施方式的DSC图谱；

图3是本发明引燃纸的制备方法第二实施方式的DSC图谱；

图4是本发明引燃纸的制备方法第三实施方式的DSC图谱。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明的引燃纸的制备方法包括如下步骤：

S1、准备还原剂锆：包括锆粉清洗→锆粉干燥→锆粉过筛。清洗包括数次的纯水漂洗和有机溶剂漂洗，以去除锆粉原材料中的可溶性杂质盐、氧化物等；干燥要求在锆粉闪燃点以下（200℃）的安全温度进行，应将清洗时锆粉吸附的溶剂完全去除；最后采用120目标准筛过筛。在该步骤中，所述锆的总锆含量不少于96%，体积平均粒径不大于10um，并符合GJB3425-98标准。所述锆粉原材料中活性锆的含量大于92%。

S2、准备氧化剂二氧化铅：包括二氧化铅干燥→二氧化铅过筛。在该步骤中，所述二氧化铅的纯度不少于97.0%（越高纯度的二氧化铅有利于引燃纸燃速提高，并延缓贮存周期内的燃速下降速率），体积平均粒径不大于18um，并符合HG3-922-76标准。

S3、准备黏结剂：将聚乙烯醇与水调配成（2%~7%）聚乙烯醇溶液黏结剂。

S4、制备引燃纸：包括氧化剂、还原剂和石棉纸组成引燃纸材料→加水融合引燃纸材料→加入黏结剂→搅拌→打纸浆→操纸→干燥，在该步骤中，加水融合引燃纸时，水的量约是原材料体积的5~10倍，加入黏结剂后通过搅拌剪切将石棉纸破碎成纤维状，最终操纸所用的纸浆融合液应成较稳定的悬浮液状态。

经过上述步骤制得的引燃纸，由于氧化剂是二氧化铅，是一种过氧化物，引燃纸按照如下化学反应方程式反应：

Zr+2PbO₂==ZrO₂+2PbO

而普通引燃纸所用的氧化剂是铬酸钡，是一种氧化性盐。过氧化物具备更高的氧化活性，因此其化学反应基础决定了高速引燃纸配方具备更高的反应速度和更低的反应能垒，表现出更快的线燃速和更好的低温适应性，最高燃速可达普通引燃纸的40倍以上（达到4000mm/s）。

本发明的研发人员进一步发现以上述技术手段为基础并结合如下技术手段，可以使得本发明具有热值可调节、线燃速可调节、燃点阈值小和机械强度好的优点，具体详述如下：

1、热值可调、燃点阈值小：Zr+2PbO₂==ZrO₂+2PbO进行反应，理论上氧化剂与还原剂的质量比达到5.24：1时反应完全，放出最大热量。但是，在实际应用中，为调整引燃纸热值并考虑燃点阈值与线燃速要求，氧化剂与还原剂的质量比值控制在1.9~4.4之间，比如，1.9、2.2、2.4、2.7、2.9、3.1、3.2、3.6、3.7、3.9、4、4.1、4.2或者4.4。通过确保质量比例在1.9~4.4之间，可以使得热值范围在（236~642）J/g中调整，而且，在该范围内，燃点阈值范围在（360~490）℃变动。热值测量采用差热量热计，升温速率10℃/s，在250℃~700℃范围内进行积分。

2、机械强度好且能确保线燃速：载体石棉纸的含量须保证高速引燃纸的机械强度，考虑到石棉纸含量对不同活性要求的高速引燃纸影响（石棉纸含量提高有利于增强引燃纸机械强度，但同时降低燃速），活性物质（氧化剂与还原剂）与石棉纸的质量比值控制在8.3~16.2之间。质量比比如是8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.3、9.6、10、10.5、10.7、11、11.3、11.5、11.8、12.3、12.8、13.5、13.7、13.8、14.1、14.6、14.9、15、15.1、15.6、15.9、16、16.1或者16.2。

3、线燃速可调节：黏结剂聚乙烯醇的含量须保证活性物质可靠的吸附在载体上，同时增加高速引燃纸的韧性，另一重要功能是作为化学反应速率的抑制剂调节线燃速。每100g引燃纸材料（包括活性物质与石棉纸）加入黏结剂（1.4~8.9）g，比如，1.4g、2.2g、2.5g、3g、3.1g、3.6g、3.9g、4.1g、4.2g、4.5g、4.9g、5g、5.3g、5.7g、5.8g、6.2g、6.6g、6.9g、7.1g、7.2g、7.5g、7.8g、8g、8.1g、8.5g、8.7g或8.9g。通过改变黏结剂的添加比例，可以在一定范围内调整燃速。实验表明，燃速范围可在（500~4000）mm/s中调整。燃速测量采用长3米的引燃条，并用秒表测量首尾燃烧速度，并计算得出。

另外，本发明还公开了如下三个实施例：

实施例1

这种引燃纸主要用于快速激活小型热电池。配方为氧化剂与还原剂的质量比值3，活性物质与石棉纸的质量比值12，4%黏结剂添加量4g/100g；并按所述工艺过程制备。该实施例的引燃纸的平均燃速3000mm/s，平均热值530J/g，DSC分析结果见图2。

实施例2

这种引燃纸主要用于对激活时间要求苛刻的大型热电池。配方为氧化剂与还原剂的质量比值2.3，活性物质与石棉纸的质量比值12，4%黏结剂添加量2g/100g；并按所述方法制备。该实施例的平均燃速2400mm/s，平均热值290J/g，DSC分析结果见图3。

实施例3

这种引燃纸主要用于对力学环境要求苛刻的大型热电池。配方为氧化剂与还原剂的质量比值2.8，活性物质与石棉纸的质量比值14，4%黏结剂添加量5.6g/100g；并按所述方法制备。该实施例的平均燃速2100mm/s，平均热值380J/g，DSC分析结果见图4。

Claims

1.引燃纸的制备方法，其特征是：该方法包括如下步骤：S1、准备还原剂锆：包括锆粉清洗→锆粉干燥→锆粉过筛；S2、准备氧化剂二氧化铅：包括二氧化铅干燥→二氧化铅过筛；S3、准备黏结剂：将聚乙烯醇与水调配成2％～7％聚乙烯醇溶液，该聚乙烯醇溶液作为黏结剂；S4、制备引燃纸：包括氧化剂、还原剂和石棉纸组成引燃纸材料→加水融合引燃纸材料→加入黏结剂→搅拌→打纸浆→抄纸→干燥，在该步骤中，加水融合引燃纸时，水的量约是原材料体积的5～10倍，加入黏结剂后通过搅拌剪切将石棉纸破碎成纤维状，最终抄纸所用的纸浆融合液应成较稳定的悬浮液状态。

2.如权利要求1所述的引燃纸的制备方法，其特征是：在所述引燃纸材料中，所述二氧化铅：锆的质量比值在1.9～4.4之间。

3.如权利要求1所述的引燃纸的制备方法，其特征是：在所述引燃纸材料中，所述二氧化铅和锆组成活性物质，活性物质与石棉纸的质量比为8.3～16.2。

4.如权利要求1所述的引燃纸的制备方法，其特征是：所述加入黏结剂步骤中，每100g引燃纸材料加入黏结剂1.4g～8.9g。

5.如权利要求1至4中任何一项所述的引燃纸的制备方法，其特征是：所述二氧化铅的纯度不少于97.0％，体积平均粒径不大于18um，并符合HG3-922-76标准；所述锆的总锆含量不少于96％，体积平均粒径不大于10um，并符合GJB3425-98标准。

6.如权利要求1至4中任何一项所述的引燃纸的制备方法，其特征是：所使用的锆粉原材料中活性锆的含量大于92％，所述活性锆为0价金属锆。

7.如权利要求6所述引燃纸制备方法得到的引燃纸，其特征是：该引燃纸包括作为还原剂的锆、作为氧化剂的二氧化铅、作为载体的石棉纸和作为黏结剂的聚乙烯醇。

8.如权利要求7所述的引燃纸，其特征是：所述二氧化铅：锆的质量比值在1.9～4.4之间。

9.如权利要求8所述的引燃纸，其特征是：所述二氧化铅和锆组成活性物质，活性物质与石棉纸的质量比为8.3～16.2。

10.如权利要求8所述的引燃纸，其特征是：所述二氧化铅、锆和石棉纸构成引燃纸材料，每100g引燃纸材料中含有黏结剂1.4g～8.9g。