CN107892272B - AlH3/功能化石墨烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

AlH3/功能化石墨烯复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种AlH3/功能化石墨烯复合材料及其制备方法和应用，以AlH3与功能化石墨烯为起始原料，在常温下通过溶剂‑非溶剂法制备了AlH3/功能化石墨烯复合材料。包括：S1：将AlH3配置成悬浊液A；S2：配置功能化石墨烯分散液B；S3：将A与B充分混合后，滴加表面活性剂C、非极性溶剂D，完成AlH3与功能化石墨烯自组装。本发明工艺简单，易于操作，便于工业化生产，采用极微量的功能化石墨烯可使AlH3完全包覆且石墨烯包覆量可调节，由于石墨烯优良的力学性能和化学稳定性，在不影响AlH3氢含量的前提下，有效的提高了AlH3在推进剂等领域应有中的安全性。

Description

AlH3/功能化石墨烯复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于含能材料领域，更具体地，涉及一种可应用在推进剂、火炸药或其它含能材料领域的AlH3/功能化石墨烯复合材料，及其利用功能化石墨烯在常温条件下提高AlH3在含能材料领域可应用性的方法。
背景技术
三氢化铝（AlH3）相对于铝粉具有燃烧热更高、可产生小分子气体的优点，是固体复合推进剂中替代铝粉的理想燃料。根据理论计算结果，使用AlH3代替铝粉，可至少提高固体推进剂的比冲100N.s.kg-1，而且其燃烧室和喷出气体温度均低于含铝粉推进剂。因此，AlH3作为固体推进剂的高能添加剂成为国内外研究人员关注的焦点。
20世纪60年代初，美国军方对AlH3在军事上的应用进行了评估，发现AlH3稳定性差，储存期间释氢，不仅降低了含能材料的能量，而且影响含能材料的制备工艺和安全性能。因此，AlH3自成功制备以来，一直伴随着对其改性研究。目前，对AlH3表面处理的方法主要有表面钝化法、有机物和无机物包覆法、离子渗入法和晶型转变法等。虽然这些方法能够在一定程度上增加AlH3的稳定性和安全性，但是通常会导致氢含量下降、表面包覆不致密等问题，不能满足推进剂研制过程中对其安全性能的要求。
功能化石墨烯是利用石墨烯边缘和表面上含有的羧基、羟基和环氧基等活性含氧官能团，通过羟基化、酯化、羧基化、磺基化、氨基化及氟化等化学反应而得到。功能化石墨烯不仅具有石墨烯所拥有的优异电学性能、热性能和力学性能（如高比表面积、高强度、良好摩擦学性能等），而且功能化石墨烯还具有一些独特的性能，如与有机溶剂的相容性，潜在化学改性、交联性等特性，是一种理想的表面改性材料。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种具有氢含量高，与推进剂常用组分混合后体系感度低的AlH3/功能化石墨烯复合材料。
本发明的目的还在于提供了上述AlH3/功能化石墨烯复合材料的常温制备方法，本发明采用溶剂-非溶剂法制备AlH3/功能化石墨烯复合物，利用功能化石墨烯优异的性能，包括机械性能、热稳定性及较高的比表面积，解决AlH3在含能材料应用中的安全性问题，或者解决其他表面改性方法改性剂用量较高，致使氢含量较低的问题。
本发明的目的还在于提供了上述AlH3/功能化石墨烯复合材料在推进剂、火炸药等含能材料领域中的应用。
本发明提供了一种AlH3/功能化石墨烯复合材料常温制备方法，包括以下步骤：，其特征在于包括以下步骤：
S1）常温条件下（20℃），将AlH3配置成悬浊液A，具体为，将AlH3粉体置于盛有AlH3（质量g）:溶剂（体积ml）比为1:40~1:60的极性溶剂且持续搅拌的烧杯中，保持AlH3在极性溶剂中悬浮，得悬浊液A；
S2）常温条件下，配置功能化石墨烯分散液B，具体为，称取功能化石墨烯，以功率600w，时间2h，超声分散于极性溶剂中，得分散液B，所述功能化石墨烯用量为步骤S1）中AlH3质量的0.1wt％~1wt％，所述功能化石墨烯的浓度为1mg/L~100mg/L；
S3）将分散液B滴加至悬浊液A中，充分混合30min，滴加表面活性剂C，滴加完成后继续搅拌30min后，滴加非极性溶剂D，滴加完成后，过滤、清洗、干燥得到AlH3/功能化石墨烯复合材料；
所述步骤S3）中表面活性剂C为AlH3质量含量的0.02wt％~0.2wt％；
所述步骤S3）中所用非极性溶剂D与步骤S1和S2中极性溶剂之和的体积比为1:1至10:1。
本发明所述步骤S1）中所用极性溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、乙二醇、丙三醇、丙酮中的一种或多种。
本发明所述步骤S1）中搅拌速度为200r/min-1000r/min。
本发明所述步骤S2）中所用功能化石墨烯为氧化石墨烯、氟化石墨烯、氨基化石墨烯或磺基化石墨烯中的一种；优选的，功能化石墨烯所占AlH3质量的比例为0.2wt％~0.8wt％。
本发明所述步骤S2）中所用极性溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、乙二醇、丙三醇、丙酮中的一种或多种。
本发明所述步骤S3）中所用表面活性剂C为聚乙二醇、聚醇胺、聚醚胺、吐温中的一种。
优选的，表面活性剂C为AlH3质量含量的0.05wt％~0.1wt％。
本发明所述步骤S3）中表面活性剂C滴加速度为1滴/min~20滴/min。所述非极性溶剂D滴加速度为60滴/min~600滴/min。
本发明所述步骤S3）中所用非极性溶剂D为石油醚、环己烷、己烷、庚烷、四氯化碳、氯仿中的一种或多种。
AlH3/功能化石墨烯的感度特性采用撞击感度仪和摩擦感度仪进行评价，测试AlH3/功能化石墨烯与推进剂主要组分GAP/NG/BTTN质量比1:1混合物的感度。
本发明利用功能化石墨优异的特性，在常温下通过溶剂-反溶剂法，实现了AlH3与功能化石墨烯可控自组装，制备得到AlH3/功能化石墨烯复合材料，本发明的AlH3/功能化石墨烯复合材料中功能化石墨烯均匀包覆在AlH3表面。通过撞击感度和摩擦感度实验，验证了其在复合固体推进剂中应用的安全性。本发明的AlH3/功能化石墨烯复合材料氢含量高，与推进剂常用组分混合后体系感度低。
本发明与现有技术相比优点在于：（1）功能化石墨烯比表面大与AlH3进行自组装，用量少，处理效果明显，便于工业化生产。（2）功能化石墨烯表面活性基团丰富与AlH3结合力强，在强机械作用下难分离。（3）功能化石墨烯可显著提高AlH3在固体推进剂、火炸药等含能材料领域中的可应用性。
具体实施方式
下述例子是为了更好地说明本发明的实施效果，但本发明不仅限于以下几组实施例。
实施例1
步骤1：称取1gAlH3置于500ml的烧杯中，准确量取50ml乙二醇，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以200r/min磁力搅拌下待用，为A溶液。
步骤2：称取2mg氧化石墨烯，加50ml乙二醇，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，为AB溶液。
步骤3：取0.5mg的聚醚胺以1滴/min滴加至AB溶液中，持续搅拌30min，取200ml环己烷以60滴/min滴加至上述溶液中，滴加完成后，得到黑色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为0.2wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.0J，摩擦感度为68%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例2
步骤1：称取2gAlH3置于1000ml的烧杯中，准确量取100ml乙醇，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以300r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取20mg氧化化石墨烯，加100ml乙醇，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取2mg的PEG-400以10滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取400ml四氯化碳以300滴/min滴加至上述溶液中，得到灰黑色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为1wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：8.0J，摩擦感度为68%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例3
步骤1：称取2gAlH3置于1500ml的烧杯中，准确量取100ml体积比为1:1为乙腈和乙二醇的混合溶剂，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以400r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取16mg氧化化石墨烯，加100ml体积比为1:1为乙腈和乙二醇的混合溶剂，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液以20滴/min滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取2mg的吐温以20滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取800ml氯仿以200滴/min滴加至上述溶液中，得到黑灰色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为0.8wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.8J，摩擦感度为72%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例4
步骤1：称取2gAlH3置于1500ml的烧杯中，准确量取100ml丙三醇，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以600r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取10mg氧化化石墨烯，加200ml丙三醇，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取1mg的聚醇胺以5滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取600ml体积比为1:1的己烷和庚烷的混合溶剂，以600滴/min滴加至上述溶液中，得到黑灰色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为0.5wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.0J，摩擦感度为76%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为为2.0J，摩擦感度100%。
实施例5
步骤1：称取2gAlH3置于1500ml的烧杯中，准确量取100ml丙三醇，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以500r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取8mg氧化化石墨烯，加100ml乙二醇，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取1mg的聚醚胺以6滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取600ml己烷，以600滴/min滴加至上述溶液中，得到灰黑色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为0.4wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.0J，摩擦感度为76%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例6
步骤1：称取2gAlH3置于1000ml的烧杯中，准确量取100ml丙三醇，在60w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以1000r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取12mg氧化化石墨烯，加100ml体积比为1:1的甲醇和丙三醇混合溶剂，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取1mg的聚醚胺以12滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取400ml体积比为1:1的己烷和庚烷，以300滴/min滴加至上述溶液中，得到黑灰色AlH3/氧化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氧化石墨烯复合材料，氧化石墨烯含量为0.6wt％。
步骤5：将AlH3/氧化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氧化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.2J，摩擦感度为74%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例7
步骤1：称取2gAlH3置于1000ml的烧杯中，准确量取100ml丙三醇，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以500r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取8mg氟化石墨烯，加100ml丙三醇，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液滴加到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取0.4mg的PEG-400以10滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取400ml石油醚，以600滴/min滴加至上述溶液中，得到灰色AlH3/氟化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的灰色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/氟化石墨烯复合材料，氟化石墨烯含量为0.4wt％。
步骤5：将AlH3/氟化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/氟化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.8J，摩擦感度为70%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例8
步骤1：称取2gAlH3置于1000ml的烧杯中，准确量取100ml丙酮，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以500r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取8mg胺基化石墨烯，加100ml体积比为1:1丙酮和乙腈混合溶剂，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取0.5mg的PEG-400以2滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取400ml庚烷，以200滴/min滴加至上述溶液中，得到黑灰色AlH3/胺基化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑灰色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/胺基化石墨烯复合材料，胺基化石墨烯含量为0.4wt％。
步骤5：将AlH3/胺基化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/胺基化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.5J，摩擦感度为72%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度为100%。
实施例9
步骤1：称取2gAlH3置于1000ml的烧杯中，准确量取100ml丙酮，在200w超声功率下超声5min后，温度控制在20℃，以300r/min磁力搅拌下待用，记为A溶液；
步骤2：称取8mg磺基化石墨烯，加100ml丙酮，在600w超声功率下超声2h，使氧化石墨烯充分分散，记为B溶液。将B溶液到溶液A中，充分混合30min，记为AB溶液。
步骤3：取0.8mg的PEG-400以5滴/min滴加至AB溶液中，滴加完成后，持续搅拌30min，取400ml四氯化碳以500滴/min滴加至上述溶液中，得到黑色AlH3/磺基化石墨烯悬浮液。
步骤4：将上述悬浮液进行离心10分钟后，取离心后的黑色沉淀物先后采用乙醇、去离子水清洗，然后在30℃真空烘箱中，真空保温24h，得到干燥的AlH3/磺基化石墨烯复合材料，磺基化石墨烯含量为0.4wt％。
步骤5：将AlH3/磺基化石墨烯复合物与聚叠氮甘油醚/硝化甘油（GAP/NG/BTTN）以质量比1:1混合均匀，对混合物进行撞击感度和摩擦感度测试，结果显示：AlH3/磺基化石墨烯/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为：7.5J，摩擦感度为72%，AlH3/GAP/NG/BTTN体系的撞击感度为2.0J，摩擦感度100%。
上述实施例是对本发明的内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1）常温条件下，将AlH3配置成悬浊液A，具体为，将AlH3粉体置于盛有AlH3质量g：溶剂体积ml比为1:40~1:60的极性溶剂且持续搅拌的烧杯中，保持AlH3在极性溶剂中悬浮，得悬浊液A；
S2）常温条件下，配置功能化石墨烯分散液B，具体为，称取功能化石墨烯，以功率600w，时间2h，超声分散于极性溶剂中，得分散液B，所述功能化石墨烯用量为步骤S1）中AlH3质量的0.1wt％~1wt％，所述功能化石墨烯的浓度为1mg/L~100mg/L；
S3）将分散液B滴加至悬浊液A中，充分混合30min，滴加表面活性剂C，滴加完成后继续搅拌30min后，滴加非极性溶剂D，滴加完成后，过滤、清洗、干燥得到AlH3/功能化石墨烯复合材料；
所述步骤S3）中表面活性剂C滴加速度为1滴/min~20滴/min；
所述非极性溶剂D滴加速度为60滴/min~600滴/min；
所述步骤S3）中所用表面活性剂C为聚乙二醇、聚醇胺、聚醚胺、吐温中的一种；
所述步骤S3）中表面活性剂C为AlH3质量含量的0.02wt％~0.2wt％；
所述步骤S3）中所用非极性溶剂D为石油醚、环己烷、己烷、庚烷、四氯化碳、氯仿中的一种或多种；
所述步骤S3）中所用非极性溶剂D与步骤S1和S2中极性溶剂之和的体积比为1:1至10:1。
2.根据权利要求1所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1）中所用极性溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、乙二醇、丙三醇、丙酮中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1）中搅拌速度为200r/min-1000r/min。
4.根据权利要求1所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2）中所用功能化石墨烯为氧化石墨烯、氟化石墨烯、氨基化石墨烯或磺基化石墨烯中的一种；功能化石墨烯所占AlH3质量的比例为0.2wt％~0.8wt％。
5.根据权利要求1所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2）中所用极性溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、乙二醇、丙三醇、丙酮中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂C为AlH3质量含量的0.05wt％~0.1wt％。
7.一种权利要求1-6任一所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料的制备方法制备的AlH3/功能化石墨烯复合材料。
8.一种权利要求7所述的AlH3/功能化石墨烯复合材料在推进剂、火炸药中的应用。
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