CN106563399B - 一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法 - Google Patents
一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种以超临界CO2作为反溶剂、雾化介质和干燥介质的含能材料的纳米微胶囊的制备方法,主要解决了现有先细化后包覆工艺方法存在包覆不均匀、包覆粒度过大、粒度分布范围宽、过程操作复杂、应用受限和污染环境等一系列问题。本发明以超临界CO2作为反溶剂、雾化介质和干燥介质,基于超临界“先雾化后结晶”原理,溶液经喷嘴雾化后,晶核在雾滴内部形成并生长,包覆材料分子链向雾滴内部塌缩,由于晶体成核与生长时间之和小于分子链的塌缩时间,含能材料晶粒被包覆材料紧密包裹起来,形成“壳‑核”结构的纳米微胶囊。本发明集细化工艺和包覆工艺于一体,制备过程一气呵成,无需后续处理,生产效率高,微胶囊制备质量好,粒子球形度好。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,特别是涉及一种以超临界CO2作为反溶剂、雾化介质和干燥介质的含能材料的纳米微胶囊的制备方法。
背景技术
固体推进剂在航空航天和导弹的发展中起着非常重要的作用。固体推进剂中含有的大多数高能含能材料(比如HMX、CL-20、LLM-105等),其能量大,但机械感度较高,这给推进剂的研制、使用、储存、运输等带来了不安全性和推进剂组分之间相容性差的问题。所以,含能材料的高能量、低易损性和不敏感性,是固体推进剂要达到的主要目标之一。
目前,解决含能材料高能钝感、安全性和相容性的方法主要有三种:一是含能材料球形化和细化,进而达到降低感度的目的;二是采用低感度含能材料代替部分主体含能材料;三是选用合适的包覆材料对高能含能材料进行包覆。第一种方法和第三种方法搭配使用已成为目前降低含能材料感度的主要方法。
国内外科研工作者在高能钝感含能材料研究中,主要是采用先细化后包覆的处理方法,其中细化方法包括:机械研磨技术、喷雾干燥技术、溶剂-反溶剂重结晶技术、微乳液细化技术和超临界技术等,这些方法各有优缺点,相对于物理方法,采用化学方法细化时含能材料属于自然结晶,晶体的缺陷较小。包覆处理的方法主要包括:相分离法、挤出造粒法、机械研磨法、喷雾干燥法、溶液悬浮法、水悬浮法、乳液聚合法、化学沉淀法、超临界流体法、分子自组装法等。采用先细化后包覆的工艺方法存在有:包覆不均匀、包覆粒度非常大、粒度分布范围宽、操作过程复杂、应用受限和污染环境等一系列问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有先细化后包覆工艺制备含能材料纳米微胶囊的方法存在包覆不均匀、包覆粒度非常大、粒度分布范围宽、操作过程复杂、应用受限和污染环境等一系列问题,提供一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,包括以下步骤:
1)将含能材料和包覆材料加入到溶剂中搅拌,直至含能材料在溶剂中完全溶解、包覆材料在溶剂中完全溶胀,形成溶液;
2)打开超临界雾化结晶制备系统温控开关,设定粒子收集釜的温度,设定初始超临界CO2的温度,预热30分钟;
3)设定CO2的流量,设定溶液流量,设定粒子收集釜的工作压强值;
4)打开CO2钢瓶阀,打开CO2泵,使CO2进入超临界雾化结晶制备系统,当粒子收集釜的压力达到设定值且系统处于稳定态时,打开溶液泵,将溶液泵入喷嘴,开始制备微胶囊;
5)当溶液全部泵入后,关闭高压蠕动泵,继续通入CO2气体10~20分钟后,关闭CO2泵,关闭CO2阀,缓慢释放系统压力至常压;
6)取出超临界雾化结晶制备系统的结晶吊篮,收集“壳-核”结构纳米微胶囊即可。
所述含能材料为黑索金、奥克托今、六硝基六氮杂异伍兹烷、1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪或高氯酸铵中的任意一种。
所述包覆材料为氟橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、三元乙丙橡胶、热塑型聚氨酯或聚苯乙烯中的任意一种。
所述溶剂为有机溶剂。
所述含能材料的添加量为5~30g/100mL溶剂,溶液的温度为20~30℃时。当溶液浓度低于5g/100mL时,成核率过低,不利于制备得到小粒度粒子,当溶液浓度高于30g/100mL时,溶液粘度过高,造成液体雾化效果变差,雾滴直径增大,晶体粒度变大。当溶液温度低于20℃时,溶解度较低,产量偏低,制备成本增大,当溶液温度高于30℃时,晶体形貌变差,结晶品质降低。
所述超临界雾化结晶制备系统的粒子收集釜的温度为33~40℃,超临界雾化结晶制备系统的粒子收集釜的压强为8~18MPa。低温结晶环境有利于制备出球形且粒度较小的晶体,当粒子收集釜的温度为33℃时,CO2处于超临界状态边缘,低于该值CO2可能会退出超临界状态,当粒子收集釜的温度高于40℃时,由于结晶环境温度偏高,粒子形貌变差,结晶品质降低。粒子收集釜内的压强对粒子的粒度影响较小,但对粒子的干燥效果有一定影响,当其压强低于8MPa时,超临界CO2对溶剂的萃取能力偏低,晶体粒子表面不易干燥,易粘连、团聚,当其压强大于18MPa时,萃取干燥效果非常好,但会消耗更多的电能。
所述喷嘴入口处超临界CO2的初始温度由多种因素决定。超临界CO2经过喷嘴后,压强变小、体积膨胀、温度降低,为使膨胀后的CO2温度处于33~40℃之间,应使喷嘴入口处CO2的初始温度为38~65℃。
所述CO2与溶液的流量比为5(kg/h):2(mL/min)~20(kg/h):2(mL/min)。溶剂在超临界CO2中有一定的溶解度,当流量比小于5:2时,溶剂不能被CO2充分萃取,液体雾化效果较差,结晶粒度大,易粘连、团聚。当流量比大于20:2时,对制备结果影响较小,但是CO2消耗量过大,制备成本升高。
所述超临界雾化结晶喷嘴的内外压差为1MPa~10MPa。当喷嘴内外压差小于1MPa时,CO2对中心溶液的剪切力较弱,液体雾化效果较差,制备粒度大。当喷嘴内外压差大于10MPa时,电能消耗量大,且对制备结果无明显影响。
所述超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法可用于非含能材料的微胶囊制备。
制备过程基于超临界“先雾化后结晶”原理,溶液先被喷嘴雾化,晶核在雾滴内部生成并长大,同时,包覆材料分子链向雾滴内部塌缩,由于晶体成核与生长所用时间之和小于分子链的塌缩时间,含能材料晶粒被包覆物质紧密包裹,形成“壳-核”结构微胶囊。
由于本发明采用以上技术方案,与背景技术相比,具有以下优点:
1)集细化工艺与包覆工艺于一体,一气呵成,包覆物将晶粒紧密包裹,包覆层薄且非常均匀;
2)形成的“壳-核”结构微胶囊粒度小,平均粒度小于1微米,粒度分布范围窄;
3)工艺过程操作简单,易于控制;
4)无需后续处理,可实现批量生产;
5)可以有效回收溶剂,CO2可被回收并重复利用,制备过程零污染。
附图说明
图1是本发明实施例1中,制备结果TEM图;
图2是本发明实施例1中,制备结果SEM图;
图3是本发明实施例2中,制备结果SEM图;
图4是本发明实施例3中,制备结果SEM图;
具体实施方式
实施例1
本实施例一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,包括以下步骤:
1)将黑索今(RDX)5g和氟橡胶(F26)0.15g加入到二甲基甲酰胺(DMF)100mL中搅拌,直至RDX在DMF中完全溶解、F26在DMF中完全溶胀,形成溶液,保持溶液的温度为20℃;
2)打开超临界雾化结晶制备系统温控开关,设定粒子收集釜的温度为33℃,设定初始超临界CO2的温度为38℃,预热30分钟。
3)设定CO2的流量为5kg/h,设定溶液流量为2mL/min,设定粒子收集釜的工作压强为8MPa。
4)打开CO2钢瓶阀,打开CO2泵,使CO2进入超临界雾化结晶制备系统,当粒子收集釜的压力达到8MPa、喷嘴内外压差为1MPa,且系统处于稳定态时,打开溶液泵,将溶液泵入喷嘴,开始制备微胶囊。
5)当溶液全部泵入后,关闭高压蠕动泵,继续通入CO2气体10分钟后,关闭CO2泵,关闭CO2阀,缓慢释放系统压力至常压。
6)取出超临界雾化结晶制备系统的结晶吊篮,收集“壳-核”结构RDX-F26纳米微胶囊即可。
附图1为本实施例的透射电镜图(TEM),从图中可以看出,RDX被F26均匀包裹,形成“核-壳”结构球形胶囊,包覆均匀,微胶囊呈标准球形。
附图2为本实施例的扫描电镜图(SEM),从图中可以看出,RDX-F26微胶囊粒度分布区间小于2μm。
由附图1和附图2可知,本专利采用的方法可制备出RDX-F26微胶囊。
实施例2
本实施例一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,包括以下步骤:
1)将黑索今(RDX)15g和氟橡胶(F26)0.45g加入到二甲基甲酰胺(DMF)100mL中搅拌,直至RDX在DMF中完全溶解、F26在DMF中完全溶胀,形成溶液,保持溶液的温度为25℃;
2)打开超临界雾化结晶制备系统温控开关,设定粒子收集釜的温度为36℃,设定初始超临界CO2的温度为50℃,预热30分钟。
3)设定CO2的流量为10kg/h,设定溶液流量为2mL/min,设定粒子收集釜的工作压强为13MPa。
4)打开CO2钢瓶阀,打开CO2泵,使CO2进入超临界雾化结晶制备系统,当粒子收集釜的压力达到13MPa、喷嘴内外压差为5MPa,且系统处于稳定态时,打开溶液泵,将溶液泵入喷嘴,开始制备微胶囊。
5)当溶液全部泵入后,关闭高压蠕动泵,继续通入CO2气体15分钟后,关闭CO2泵,关闭CO2阀,缓慢释放系统压力至常压。
6)取出超临界雾化结晶制备系统的结晶吊篮,收集“壳-核”结构RDX-F26纳米微胶囊即可。
附图3为本实施例的扫描电镜图(SEM),从图中可以看出,工艺参数不同时,得到的RDX-F26微胶囊的平均粒度和粒度分布区间不同。
实施例3
本实施例一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,包括以下步骤:
1)将黑索今(RDX)30g和氟橡胶(F26)0.9g加入到二甲基甲酰胺(DMF)100mL中搅拌,直至RDX在DMF中完全溶解、F26在DMF中完全溶胀,形成溶液,保持溶液的温度为30℃;
2)打开超临界雾化结晶制备系统温控开关,设定粒子收集釜的温度为40℃,设定初始超临界CO2的温度为65℃,预热30分钟。
3)设定CO2的流量为20kg/h,设定溶液流量为2mL/min,设定粒子收集釜的工作压强为18MPa。
4)打开CO2钢瓶阀,打开CO2泵,使CO2进入超临界雾化结晶制备系统,当粒子收集釜的压力达到18MPa、喷嘴内外压差为10MPa,且系统处于稳定态时,打开溶液泵,将溶液泵入喷嘴,开始制备微胶囊。
5)当溶液全部泵入后,关闭高压蠕动泵,继续通入CO2气体20分钟后,关闭CO2泵,关闭CO2阀,缓慢释放系统压力至常压。
6)取出超临界雾化结晶制备系统的结晶吊篮,收集“壳-核”结构RDX-F26纳米微胶囊即可。
附图4为本实施例的扫描电镜图(SEM),从图中可以看出,工艺参数不同时,得到的RDX-F26微胶囊的平均粒度和粒度分布区间不同。
上述实施例中的黑索今还可以用奥克托今、六硝基六氮杂异伍兹烷、1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪或高氯酸铵中的任意一种代替。
上述实施例中的氟橡胶还可以用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、三元乙丙橡胶、热塑型聚氨酯或聚苯乙烯中的任意一种代替。
上述实施例中的二甲基甲酰胺还可以用其它有机容剂代替。
本发明的保护范围不受以上实施例的限制。
Claims (6)
1.一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)将含能材料和包覆材料加入到溶剂中搅拌,直至含能材料在溶剂中完全溶解、包覆材料在溶剂中完全溶胀,形成溶液;
2)打开超临界雾化结晶制备系统温控开关,设定粒子收集釜的温度,设定初始超临界CO2的温度,预热30分钟;
3)设定CO2的流量,设定溶液流量,设定粒子收集釜的工作压强值;
4)打开CO2钢瓶阀,打开CO2泵,使CO2进入超临界雾化结晶制备系统,当粒子收集釜的压力达到设定值、喷嘴压差达到预定值,且系统处于稳定态时,打开溶液泵,将溶液泵入喷嘴,开始制备微胶囊;
5)当溶液全部泵入后,关闭高压蠕动泵,继续通入CO2气体10~20分钟后,关闭CO2泵,关闭CO2阀,缓慢释放系统压力至常压;
6)取出超临界雾化结晶制备系统的结晶吊篮,收集“壳-核”结构纳米微胶囊即可;
所述超临界雾化结晶制备系统的粒子收集釜的温度为33~40℃,超临界雾化结晶制备系统的粒子收集釜的压强为8~18MPa;
所述超临界CO2的初始温度为38~65℃;
所述CO2与溶液的流量比为5kg/h:2mL/min~20kg/h:2mL/min;
所述超临界雾化结晶喷嘴的内外压差为1MPa~10MPa。
2.根据权利要求1所述的一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:所述含能材料为黑索金、奥克托今、六硝基六氮杂异伍兹烷、1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪或高氯酸铵中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:所述包覆材料为氟橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、三元乙丙橡胶、热塑型聚氨酯或聚苯乙烯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:所述溶剂为有机溶剂。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:所述含能材料的添加量为5~30g/100mL溶剂,溶液的温度为20~30℃。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法,其特征在于:所述超临界流体制备“壳-核”结构纳米微胶囊的方法可用于非含能材料的微胶囊制备。
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