CN107626915A

CN107626915A - 一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料及其合成方法

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Publication number: CN107626915A
Application number: CN201710694487.1A
Authority: CN
Inventors: 陈祥迎; 韩夏; 陈颖; 刘忠华; 许冬; 许森
Original assignee: ANHUI AOYA ALLOY Co Ltd; Hefei University of Technology
Current assignee: ANHUI AOYA ALLOY Co Ltd; Hefei University of Technology
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: CN107626915B

Abstract

本发明公开了一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料及其合成方法，该方法主要特征是首先设计了一种复合溶剂体系溶解炭前驱体并分散铝粉原料，该复合溶剂体系重量份是30～50，然后加入下述重量份组成原料：微纳铝粉30～40；炭源20～30。本发明还公开了该材料的制备方法，该材料有机物挥发含量少，利于环保，具有良好的耐酸碱性、耐磨性，使用寿命长，储存稳定性好，操作简单，适合大规模工业化生产。

Description

一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料及其合成方法

技术领域

本发明涉及复合材料、含能铝粉领域，具体涉及一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料及其合成方法。

背景技术

普通铝粉产品广泛用于化工催化剂、农药、防腐材料、金属闪光涂料、导电涂料、加气混凝土发气剂、炼钢脱氧剂、耐火材料、铝热法合金、热喷涂复合粉末等。而纳米尺度铝材料具有特殊的光学特性、电学特性和化学反应性，在新型火箭推进剂、火炸药和太阳能电池等高科技领域得以应用。

纳米铝粉具有特殊的表面和界面效应，其表面原子较多，表面原子会随着纳米铝粉粒径的减小而增多；并且纳米铝粉的比表面积和比表面能都非常大。上述两个因素都导致纳米铝粉反应活性很高，对所处的环境十分敏感，尤其是当暴露在空气中时其表面原子极易被氧化形成致密而坚硬的Al2O3，形成的氧化物壳层包覆于纳米铝粉的表面，这将严重影响纳米铝粉的活性，并且生成的氧化物对于燃烧反应没有贡献，反而会降低纳米铝粉的燃烧效应。所以，如何保持纳米铝粉的活性，防止氧化物的生成，能够很好地控制纳米铝粉活性的释放，成为该领域中的研究热点。

对于纳米铝粉活性的保持大部分是从纳米铝粒子的表面进行原位处理，最重要的进行纳米铝粉表面包覆处理，其中研宄最广泛的是氧化物包覆、聚合物包覆、金属单质包覆、推进剂组分包覆以及炭包覆等。其中炭包覆即在纳米铝粒子的表面包覆一层炭壳以形成炭包覆铝的核壳结构，纳米铝粉表面的炭壳最直接的作用是隔绝内核铝与外界空气的接触以保持纳米铝粉的活性；此外，炭层在高热条件下可以迅速燃烧，将内核铝暴露在高热环境中进行燃烧，炭层的燃烧提供额外的能量，间接地提高了纳米铝粉的燃烧焓。炭包覆对于纳米铝粉而言是一种理想的表面包覆，炭壳在低温时性质稳定，可以有效保护纳米铝粉的活性；在高温燃烧时，炭壳参与反应可以提供额外燃烧焓。

以正硅酸乙酯为前驱体，氨水为催化剂,采用溶胶-凝胶法在薄片铝粉颜料表面包覆了一层薄而致密的纳米SiO2层，是最常见的包覆方法，该方法制备的SiO2包覆铝粉材料具有良好的耐酸性，但是耐碱性却很差。SiO2包覆法抗腐蚀能力强，但SiO2很可能从溶液中沉淀出来形成纳米颗粒，并与Al粉( 核层) 颗粒发生异质絮凝，形成不规则包覆

采用激光-感应复合加热法在CH4气和Ar气的气氛下制备了碳包覆Al纳米粒子，原理是：用高频感应将金属加热熔化并达到较高温度，使金属对激光的吸收率显著提高，有利于充分发挥激光的作用；再引入激光使金属迅速蒸发，并产生很大的温度与压力梯度，但这些方法还存在一定不足之处，这些方法得到的炭包覆纳米铝粉存在一些氧化铝，炭化铝杂质存在，核壳粒子尺寸难以控制，而且易受环境湿度、温度的影响而失去活性，能耗高、易爆炸、工艺复杂，设备昂贵、生产规模小、产品形态难以控制等技术缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料及其合成方法；

本发明制备的微纳铝粉/多孔炭复合材料耐酸耐碱性能好，大大提高了铝粉的热值，且并不影响铝粉的活性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，包括复合溶剂体系30～50、微纳铝粉30～40、炭源20～30；所述的复合溶剂体系由下述重量份的原料组成：

主溶剂 20～30；

辅助溶剂 5～10；

润湿分散剂 3～6；

流平剂 1.5～2.5；

偶联剂 0.3～0.8；

防沉剂 0.2～0.7；

所述的主溶剂为乙酸乙酯，乙酸正丁酯，乙酸异丁酯，乙酸戊酯，乳酸乙酯，丙酮，丁酮，3-戊酮，异丁基甲基酮，环己酮，乙醇，异丙醇，异丁醇，环己醇中的一种或两种以上组合。

所述的辅助溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、太古油、棕榈油中的一种或两种以上组合。

所述的润湿分散剂为十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、聚乙二醇中的一种或两种以上组合。

所述的流平剂为201甲基硅油、205活性甲基硅油、BYK-300、BYK-301、BYK-320、BYK-VP-330中的一种或两种以上的组合。

所述的偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-151、KH-171、TTOP-12钛酸酯偶联剂、TC-1、TC-3、YB-401中的一种或两种以上组合。

所述的防沉剂为聚甘油蓖麻醇酯、聚乙烯蜡、有机膨润土、气相SiO₂中的一种或两种以上的组合。

所述的炭前驱体为酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、壳聚糖中的一种或两种以上组合。

耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料的合成方法，包括以下步骤：

（1）配料：根据配方计量各组分；

（2）首先设计一个复合溶剂体系，将主溶剂和辅助溶剂放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速2000～3000r/min，温度控制在50～60℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到500～1000r/min，在搅拌条件下依次滴加入分散剂和偶联剂，待冷却到30～40℃后加入防沉剂和流平剂，搅拌20～30分钟；

（3）然后将微纳铝粉和炭源分别依次加到上述的溶剂体系，在超声波发生器中分散处理45～60分钟，在80～100℃条件下烘干1～2小时得到铝基前驱体；

（4）最后将得到的铝基前驱体在惰性气体保护下高温炭化处理，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

所述的步骤（4）中所使用的惰性气体为氮气-氢气或者氩气-氢气等混合气体，通入时间从开始加热到反应结束。

所述的步骤（4）中高温炭化的温度为600～1000℃，时间为2小时，其中第1个小时内的升温速率为10～15℃ min^–1；第2个小时内的升温速率为15～20℃ min^–1。

本发明的有益效果：

1、纳米粉体在高纯度惰性气体中生成，因而纯度很高，耐酸碱性好，有机溶剂挥发少，有利于绿色生产。

2、金属蒸汽在表面光滑的基片表面先形成厚度均匀的纳米薄膜，再经脱粉碎得到纳米粉体，因而粒度均匀，表面平整规则，结晶良好；

3、粒度易于控制，可以借改变惰性气体的种类、压力和流速，以及冷却温度来实现。

附图说明

图1为微纳铝粉和微纳铝粉/多孔碳复合材料X射线衍射图，图中1为微纳铝粉，2为微纳铝粉/多孔碳复合材料。

图2为在酸性条件下的析氢曲线。

图3为在碱性条件下的析氢曲线。

具体实施方法

实施例1：

一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，由下列重量（kg）的组分原料制备而成：

铝粉30，酚醛树脂 25，乙酸乙酯 25，丙二醇甲醚醋酸酯 12，羧甲基纤维素 6；BYK-3001.5；KH-550 0.3；聚乙烯蜡 0.2；

其制备方法包括以下步骤：

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将乙酸乙酯和丙二醇甲醚醋酸酯放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速2000r/min，温度控制在50℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到500r/min，在搅拌条件下依次滴加入羧甲基纤维素和KH-550，待冷却到30℃后加入聚乙烯蜡和BYK-300，搅拌20分钟；

（2）然后将铝粉和酚醛树脂分别依次加到上述的溶剂体系，超声分散处理45分钟。在80℃条件下烘干1小时得到铝基前驱体；

（3）最后将得到的铝基前驱体在氮气-氢气保护下800℃高温炭化处理2小时，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

实施例2：

一种耐酸碱的铝粉/多孔炭复合材料，由下列重量（kg）的组分原料制备而成：

铝粉 35，环氧树脂 27，丙酮20，棕榈油10，聚丙烯酰胺5；BYK-331 2 ；KH-560 0.5；有机膨润土0.5；

其制备方法包括以下步骤：

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将丙酮和棕榈油放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速2500r/min，温度控制在55℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到800 r/min，在搅拌条件下依次滴加入聚丙烯酰胺和KH-560，待冷却到35℃后加入有机膨润土和BYK-331，搅拌25分钟；

（2）然后将铝粉和环氧树脂分别依次加到上述的溶剂体系，超声分散处理50分钟,在90℃条件下烘干1.5小时得到铝基前驱体；

（3）最后将得到的铝基前驱体在氮气-氢气保护下900℃高温炭化处理2小时，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

实施例3：

铝粉40，葡萄糖20，乙醇25，太古油8，聚乙二醇4；201甲基硅油2；YB-401 0.7；聚甘油蓖麻醇酯0.3；

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将乙醇和太古油放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速3000r/min，温度控制在60℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到1000 r/min，在搅拌条件下依次滴加入聚乙二醇和YB-401，待冷却到40℃后加入聚甘油蓖麻醇酯和甲基硅油，搅拌30分钟；

（2）然后将铝粉和葡萄糖分别依次加到上述的复合溶剂体系，超声分散处理60分钟。在100℃条件下烘干2小时得到铝基前驱体；

（3）最后将得到的铝基前驱体在氩气-氢气保护下1000℃高温炭化处理2小时，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

实施例4：

铝粉 35，丙烯酸树脂26，异丁醇20，丙二醇甲醚醋酸酯10，聚乙二醇6；BYK-VP-330 2；TC-1 0.4；聚乙烯蜡0.6；

其制备方法包括以下步骤：

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将异丁醇和丙二醇甲醚醋酸酯放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速3000r/min，温度控制在60℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到1000 r/min，在搅拌条件下依次滴加入聚乙二醇和TC-1，待冷却到40℃后加入聚乙烯蜡和BYK-VP-330，搅拌30分钟；

（2）然后将铝粉和丙烯酸树脂分别依次加到上述的复合溶剂体系，超声分散处理60分钟，在80℃条件下烘干1.5小时得到铝基前驱体；

（3）最后将得到的铝基前驱体在氩气-氢气保护下900℃高温炭化处理2小时，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

实施例5：

铝粉30，麦芽糖 24，环己酮 26，丙二醇甲醚醋酸酯 12，十二烷基硫酸钠 6；BYK-3201.5；KH-171 0.3；气相SiO₂ 0.2；

其制备方法包括以下步骤：

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将环己酮和丙二醇甲醚醋酸酯放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速2000r/min，温度控制在60℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到600r/min，在搅拌条件下依次滴加入十二烷基硫酸钠和KH-171，待冷却到30℃后加入气相SiO₂和BYK-320，搅拌20分钟；

（2）然后将铝粉和麦芽糖分别依次加到上述的溶剂体系，超声分散处理40分钟，在70℃条件下烘干1小时得到铝基前驱体；

实施例6：

铝粉30，壳聚糖 25，丁酮 25，太古油 12，甲基戊醇 5；BYK-301 2；TTOP-12 0.4；聚乙烯蜡 0.6；

其制备方法包括以下步骤：

（1）首先设计一个复合溶剂体系，将丁酮和太古油放入搅拌釜中充分搅拌，开始调速2500r/min，温度控制在60℃，待分散均匀后，将搅拌速度较低到600r/min，在搅拌条件下依次滴加入甲基戊醇和TTOP-12，待冷却到40℃后加入聚乙烯蜡和BYK-301，搅拌30分钟；

（2）然后将铝粉和壳聚糖分别依次加到上述的溶剂体系，超声分散处理45分钟。在60℃条件下烘干1小时得到铝基前驱体；

（3）最后将得到的铝基前驱体在氮气-氢气保护下700℃高温炭化处理2小时，得到微纳铝粉/多孔炭复合材料。

Claims

1.一种耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，包括复合溶剂体系30～50、微纳铝粉30～40、炭源20～30；所述的复合溶剂体系由下述重量份的原料组成：

主溶剂 20～30；

辅助溶剂 5～10；

润湿分散剂 3～6；

流平剂 1.5～2.5；

偶联剂 0.3～0.8；

防沉剂 0.2～0.7。

2.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的主溶剂为乙酸乙酯，乙酸正丁酯，乙酸异丁酯，乙酸戊酯，乳酸乙酯，丙酮，丁酮，3-戊酮，异丁基甲基酮，环己酮，乙醇，异丙醇，异丁醇，环己醇中的一种或两种以上组合。

3.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的辅助溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯、太古油、棕榈油中的一种或两种以上组合。

4.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的润湿分散剂为十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、聚乙二醇中的一种或两种以上组合。

5.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的流平剂为201甲基硅油、205活性甲基硅油、BYK-300、BYK-301、BYK-320、BYK-VP-330中的一种或两种以上的组合。

6.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、KH-151、KH-171、TTOP-12钛酸酯偶联剂、TC-1、TC-3、YB-401中的一种或两种以上组合。

7.根据权利要求书1所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的防沉剂为聚甘油蓖麻醇酯、聚乙烯蜡、有机膨润土、气相SiO₂中的一种或两种以上的组合。

8.根据权利要求1所述的耐酸碱微纳铝粉/多孔炭复合材料，其特征在于，所述的炭源为酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、壳聚糖中的一种或两种以上组合。

9.如权利要求书1～8任一项所述的耐酸碱的微纳铝粉/多孔炭复合材料的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配料：根据配方计量各组分；

（3）然后将微纳铝粉和炭源分别依次加到上述的溶剂体系，超声分散处理45～60分钟，在80～100℃条件下烘干1～2小时得到铝基前驱体；

10.根据权利要求书9所述的一种耐酸碱的铝粉/多孔炭复合材料的合成方法，其特征在于，所述的步骤（4）中所使用的惰性气体为氮气-氢气或者氩气-氢气等混合气体，通入时间从开始加热到反应结束。

11.根据权利要求书9所述的一种耐酸碱的铝粉/多孔炭复合材料的合成方法，其特征在于，所述的步骤（4）中高温炭化的温度为600～1000℃，时间为2小时，其中第1个小时内的升温速率为10～15℃ min^–1；第2个小时内的升温速率为15～20℃ min^–1。