CN105148796B - 一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法 - Google Patents

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本发明涉及一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，该方法先将纳米铝粉收集在不含羟基的有机溶剂中，避免了纳米铝粉与环境直接接触，确保纳米铝粉不与接触介质发生化学反应而失活，从而保持了较高的活性；选择的粘合剂及固化剂为将纳米铝粉组装成微米颗粒提供了条件，采用的喷雾造粒设备具有惰性气体保护系统和低温冷却循环系统，可以保证喷雾造粒设备的造粒系统中氧气含量不高于0.5％，防止纳米铝粉氧化失活，也避免了现有技术中活性金属粉体与空气接触易燃烧爆炸的问题；本发明方法简单，成功将活性纳米铝粉团聚为微米颗粒，既保持了纳米铝粉较高的活性，也具有微米铝粉较好的流动性，且将其应用于固体推进剂、炸药中时具有较好的相容性。

Description

一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法
技术领域
本发明涉及含能材料技术领域，具体指一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法。
背景技术
铝粉由于具有较高的燃烧热值(30.5MJ/kg)，将其添加于固体推进剂或炸药中能大幅提高推进剂或炸药的效能。目前广泛使用的铝粉为微米级，由于微米级铝粉点火延迟时间长、燃烧时形成大凝滴而不能完全燃烧，因而降低了铝粉燃烧效率和能量释放。纳米铝粉则由于具有极高的表面活性而拥有优异的低温氧化和热释放能力，将其应用于炸药和推进剂中能发挥比微米铝粉更为显著的效能。然而，纳米铝粉极易发生团聚和表面氧化，实际工艺中很难在推进剂和炸药中直接添加纳米铝粉。
纳米粉体在实际使用中往往通过造粒等工艺，将纳米粉体团聚成微米级颗粒，降低其表面能，提高粉体流动性。但是，纳米铝粉的造粒工艺很难实现，一方面是因为其一旦与空气或外界水分等接触就会氧化失活，必须在全封闭条件下操作，而这一条件很难实现；另一方面是因为造粒过程往往需要加热使得溶剂挥发，靠表面张力将纳米粉体团聚在一起，而纳米铝粉遇热极易燃烧发生爆炸。
因此，提供一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，将纳米粉体团聚成微米级颗粒，在保证纳米铝粉活性和热释放能力的同时，提高铝粉颗粒流动性及其与炸药配方的相容性，显得尤为重要。
现有的喷雾造粒装置只能用于水溶剂物料的干燥和造粒，不能用于含有机溶剂物料的造粒，因为有些有机溶剂具有易燃易爆的特性，造粒过程中会发生危险，有些会产生毒害气体，也不能通过除尘系统直接排放。已有的喷雾造粒装置只能用于不易氧化物料的干燥和造粒，不能用于活性粉体的造粒，因为铝粉、镁粉等活性金属粉体不能与空气接触，不然会氧化甚至燃烧发生爆炸。类似相关文献可以参考专利号为ZL201420640882.3的实用新型专利《喷雾造粒干燥系统》(授权公告号为CN204220107U)，还可以参考专利号为ZL201420818679.0的中国实用新型专利《一种喷雾造粒干燥机系统》(授权公告号为CN204352838U)。
申请号为201510423974.5的发明专利《适用于活性粉体的喷雾造粒装置及其造粒方法》公布了一种特殊的喷雾造粒装置及该装置的操作方法。这种喷雾造粒设备具有惰性气体保护系统和低温冷却循环系统，可以完成对活性粉体的喷雾造粒，而使用该装置将活性纳米铝粉喷雾造粒成微米级颗粒的材料配方和工艺参数没有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种活性高、流动性好的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，该方法工艺步骤简单，能成功将纳米粉体团聚成微米级颗粒，且团聚后的颗粒在炸药、固体推进剂中均具有较好的相容性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)高活性纳米铝粉的收集：将制备的具有新鲜表面的纳米铝粉直接收集密封于不含羟基的有机溶剂中，避免纳米铝粉与环境直接接触，也避免纳米铝粉与接触介质的化学反应；
(2)纳米铝粉悬浮液的制备：将粘合剂及固化剂加入丙酮中并置于超声波分散器中，在搅拌作用下水浴加热；搅拌均匀后向该体系中加入催化剂并继续搅拌2～4h，然后将步骤(1)收集的高活性纳米铝粉加入该反应体系中，继续在搅拌作用下水浴加热4～6h即可；
(3)对纳米铝粉悬浮液进行喷雾造粒：将纳米铝粉悬浮液转移到喷雾造粒机的进料罐中，开启喷雾造粒机的真空泵抽真空保证造粒系统内氧气含量不高于0.5％；启动风机和加热器，当进风口温度达到160～190℃并稳定时，开启供料泵进料，纳米铝粉悬浮液通过供料泵通入造粒塔中直接通过雾化器进行喷雾造粒即可。
作为优选，步骤(1)中所述不含羟基的有机溶剂为正癸烷、正己烷、正庚烷、正辛烷中的一种，优选为正癸烷。
优选地，步骤(2)中所述的粘合剂为端羟基聚丁二烯，即HTPB；所述的固化剂为甲苯二异氰酸酯，即TDI。
在上述各方案中，所述端羟基聚丁二烯与甲苯二异氰酸酯的总添加量为纳米铝粉质量的15～40％。所述端羟基聚丁二烯与甲苯二异氰酸酯的体积比为(1～1.2):1。
优选地，步骤(2)中所述水浴加热的温度为50～90℃。
优选地，步骤(2)中所述的催化剂为二丁基二月桂酸锡。
优选地，步骤(3)中所述雾化器的喷口直径为0.3～0.8mm，雾化器的喷雾气压为0.20～0.40MPa。供料泵的进料蠕动转速为15～30r/min。
进一步改进，步骤(3)中造粒完成后，关闭风机及加热器、停止供料泵供料，但保持低温冷却循环系统工作，当喷雾造粒机内的温度回到常温后进行造粒铝粉的收集和有机溶剂的回收。
优选地，所述的低温冷却循环系统中循环液体的温度为-40～-20℃。
步骤(1)中所述的纳米粉体的粒径为50～200nm，步骤(3)造粒后所得铝粉颗粒的粒径为5～40μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的方法先将纳米铝粉收集在不含羟基的有机溶剂中，避免了纳米铝粉与环境直接接触，确保纳米铝粉不与接触介质发生化学反应而失活，从而保持了较高的活性；本发明选择的粘合剂及固化剂为将纳米铝粉组装成微米颗粒提供了条件，同时，本发明采用的喷雾造粒设备具有惰性气体保护系统和低温冷却循环系统，可以保证喷雾造粒设备的造粒系统中氧气含量不高于0.5％，防止纳米铝粉氧化失活，也避免了现有技术中活性金属粉体与空气接触易燃烧爆炸的问题；本发明方法简单，成功将活性纳米铝粉团聚为微米颗粒，其既保持了纳米铝粉较高的活性，也具有微米铝粉较好的流动性，且将其应用于固体推进剂、炸药中时具有较好的相容性。
附图说明
图1为本发明实施例1中所使用的纳米铝粉的TEM图；
图2为本发明实施例1中所制备的团聚为微米颗粒的纳米铝粉的SEM图；
图3为图2中单个微米颗粒的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法包括以下步骤：
(1)高活性纳米铝粉的收集：将制备的具有新鲜表面的纳米铝粉直接收集密封于正癸烷中，避免纳米铝粉与环境直接接触；
(2)纳米铝粉悬浮液的制备：将12mL密度为0.9g/cm3的端羟基聚丁二烯及10mL密度为1.1g/cm3的甲苯二异氰酸酯加入300mL丙酮中并置于超声波分散器中，在搅拌作用下水浴加热，水浴温度为60℃；搅拌均匀后向该体系中加入1mL二丁基二月桂酸锡并继续搅拌2h，然后将100g用正癸烷密封的平均粒径为100nm的高活性纳米铝粉加入该反应体系中，继续在搅拌作用下水浴加热4h即可；
(3)对纳米铝粉悬浮液进行喷雾造粒：将纳米铝粉悬浮液转移到喷雾造粒机的进料罐中，选择喷雾器的喷口直径为0.5mm，开启喷雾造粒机的真空泵抽真空保证造粒系统内氧气含量不高于0.5％；启动风机和加热器，当进风口温度达到160℃并稳定时，调节供料泵的进料蠕动转速为15r/min，雾化器的喷雾气压为0.40MPa，开启供料泵进料，纳米铝粉悬浮液通过供料泵通入造粒塔中直接通过雾化器进行喷雾造粒，造粒完成后，关闭加热器、停止供料泵供料，但保持风机和低温冷却循环系统工作，低温冷却循环系统中循环液体的温度为-40℃。当喷雾造粒机内的温度回到常温后，关闭风机和低温冷却循环系统，进行造粒铝粉的收集和有机溶剂的回收。
如图1所示，所使用的纳米铝粉的平均粒径为100nm，如图2、3所示，制备得到的团聚为微米颗粒的纳米铝粉的粒径分布在5～30μm，平均粒径为15μm，球形度高、表面较光滑。
实施例2：
本实施例的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法包括以下步骤：
(1)高活性纳米铝粉的收集：将制备的具有新鲜表面的纳米铝粉直接收集密封于正癸烷中，避免纳米铝粉与环境直接接触；
(2)纳米铝粉悬浮液的制备：将7.5mL密度为0.9g/cm3的端羟基聚丁二烯及7.5mL密度为1.1g/cm3的甲苯二异氰酸酯加入300mL丙酮中并置于超声波分散器中，在搅拌作用下水浴加热，水浴温度为50℃；搅拌均匀后向该体系中加入0.5mL二丁基二月桂酸锡并继续搅拌3h，然后将100g用正癸烷密封的平均粒径为50nm的高活性纳米铝粉加入该反应体系中，继续在搅拌作用下水浴加热5h即可；
(3)对纳米铝粉悬浮液进行喷雾造粒：将纳米铝粉悬浮液转移到喷雾造粒机的进料罐中，选择喷雾器的喷口直径为0.3mm，开启喷雾造粒机的真空泵抽真空保证造粒系统内氧气含量不高于0.5％；启动风机和加热器，当进风口温度达到190℃并稳定时，调节供料泵的进料蠕动转速为30r/min，雾化器的喷雾气压为0.20MPa，开启供料泵进料，纳米铝粉悬浮液通过供料泵通入造粒塔中直接通过雾化器进行喷雾造粒，造粒完成后，关闭加热器、停止供料泵供料，但保持风机和低温冷却循环系统工作，低温冷却循环系统中循环液体的温度为-20℃。当喷雾造粒机内的温度回到常温后，关闭风机和低温冷却循环系统，进行造粒铝粉的收集和有机溶剂的回收。
本实施例制备得到的团聚为微米颗粒的纳米铝粉的粒径分布在1～10μm，平均粒径为5μm，球形度高、表面较光滑。
实施例3：
本实施例的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法包括以下步骤：
(1)高活性纳米铝粉的收集：将制备的具有新鲜表面的纳米铝粉直接收集密封于正癸烷中，避免纳米铝粉与环境直接接触；
(2)纳米铝粉悬浮液的制备：将20mL密度为0.9g/cm3的端羟基聚丁二烯及18mL密度为1.1g/cm3的甲苯二异氰酸酯加入300mL丙酮中并置于超声波分散器中，在搅拌作用下水浴加热，水浴温度为90℃；搅拌均匀后向该体系中加入1mL二丁基二月桂酸锡并继续搅拌4h，然后将100g用正癸烷密封的平均粒径为200nnm的高活性纳米铝粉加入该反应体系中，继续在搅拌作用下水浴加热6h即可；
(3)对纳米铝粉悬浮液进行喷雾造粒：将纳米铝粉悬浮液转移到喷雾造粒机的进料罐中，选择喷雾器的喷口直径为0.8mm，开启喷雾造粒机的真空泵抽真空保证造粒系统内氧气含量不高于0.5％；启动风机和加热器，当进风口温度达到160℃并稳定时，调节供料泵的进料蠕动转速为15r/min，雾化器的喷雾气压为0.40MPa，开启供料泵进料，纳米铝粉悬浮液通过供料泵通入造粒塔中直接通过雾化器进行喷雾造粒，造粒完成后，关闭加热器、停止供料泵供料，但保持风机和低温冷却循环系统工作，低温冷却循环系统中循环液体的温度为-30℃。当喷雾造粒机内的温度回到常温后，关闭风机和低温冷却循环系统，进行造粒铝粉的收集和有机溶剂的回收。
本实施例制备得到的团聚为微米颗粒的纳米铝粉的粒径分布在10～100μm，平均粒径为40μm，球形度高、表面较光滑。

Claims (10)

1.一种活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)高活性纳米铝粉的收集：将制备的具有新鲜表面的纳米铝粉收集密封于不含羟基的有机溶剂中，避免纳米铝粉与环境直接接触；
(2)纳米铝粉悬浮液的制备：将端羟基聚丁二烯及甲苯二异氰酸酯加入丙酮中并置于超声波分散器中，在搅拌作用下水浴加热；搅拌均匀后向该体系中加入催化剂并继续搅拌2～4h，然后将步骤(1)收集的高活性纳米铝粉加入该反应体系中，继续在搅拌作用下水浴加热4～6h即可；
(3)对纳米铝粉悬浮液进行喷雾造粒：将纳米铝粉悬浮液转移到喷雾造粒机的进料罐中，开启喷雾造粒机的真空泵抽真空保证造粒系统内氧气含量不高于0.5％；启动风机和加热器，当进风口温度达到160～190℃并稳定时，开启供料泵进料，纳米铝粉悬浮液通过供料泵通入造粒塔中通过雾化器进行喷雾造粒即可。
2.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(1)中所述不含羟基的有机溶剂为正癸烷、正己烷、正庚烷、正辛烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：所述端羟基聚丁二烯与甲苯二异氰酸酯的总添加量为纳米铝粉质量的15～40％。
4.根据权利要求3所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：所述端羟基聚丁二烯与甲苯二异氰酸酯的体积比为(1～1.2):1。
5.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(2)中所述水浴加热的温度为50～90℃。
6.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(2)中所述的催化剂为二丁基二月桂酸锡。
7.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(3)中所述雾化器的喷口直径为0.3～0.8mm，雾化器的喷雾气压为0.20～0.40MPa。
8.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(3)中所述供料泵的进料蠕动泵转速为15～30r/min。
9.根据权利要求1所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：步骤(3)中造粒完成后，关闭风机及加热器、停止供料泵供料，但保持低温冷却循环系统工作，当喷雾造粒机内的温度回到常温后进行造粒铝粉的收集和有机溶剂的回收。
10.根据权利要求9所述的活性纳米铝粉的喷雾造粒方法，其特征在于：所述的低温冷却循环系统中循环液体的温度为-40～-20℃。
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