CN112661124A - 一种非分子聚合相材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非分子聚合相材料及其制备方法，属于富氮材料技术领域。本发明所述非分子聚合相材料的制备方法，包括以下步骤：将叠氮化钠粉末置于加压装置，加压至49.6～51GPa后，以45～90°为一个旋转周期，进行往复旋转，施加剪切应力，当往复旋转总角度≥405°时，停止旋转，得到非分子聚合相材料。本发明以叠氮化钠粉末为原料，在常温下利用高压和往复旋转产生的剪切应力合成非分子聚合相，能够得到纯非分子聚合相材料；本发明的方法在制备过程中无需引入其他杂质，合成压力低，工艺简单，成本低，不会污染环境，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及富氮材料技术领域，尤其涉及一种非分子聚合相材料及其制备方法。
背景技术
众多理论研究已经预测，富氮类化合物是潜在的高能量密度材料(high energydensity material，HEDM)。自从得到合成不同形态的聚合氮结构的理论可能性以来，通过各种实验技术寻找新的聚合氮结构受到了广泛的关注。然而，由于这些聚合氮的合成条件较为苛刻，只成功合成了三种聚合氮结构(三维网状聚合氮cubic gauche structure(cg-N)、层状聚合氮layered polymeric structure(LP-N)和六方层状聚合氮hexagonallayered polymeric structure(HLP-N))。金属掺杂的富氮化合物在设计新的聚合氮结构方面具有优势，因为相对于纯氮组成的结构，金属-氮相互作用可能会稳定更多形式的富氮结构。技术人员已经预测许多新颖的富氮结构基团，例如笼状的N10、链状的N8以及环状N5、N6等多种形式的存在。
叠氮化钠(NaN3)是一种典型的金属叠氮化合物，白色六方系晶体，是一种无色、无味的固态颗粒状晶体，有毒；溶于水(0℃时溶解质量百分比39％、10℃时溶解质量百分比40.16％、100℃时溶解质量百分比55％)和液氨(0℃时溶解质量百分比50.7％)，微溶于乙醇(25℃时溶解质量百分比0.3％)，不溶于乙醚；加热到40℃时会分解成金属钠和氮气，并放出大量热；叠氮化钠具有爆炸危险性，无着火危险性，与其他金属叠氮化物相比具有热稳定性。由于其特殊的物理化学性质，使得叠氮化钠广泛地应用于医药、炸药、相片制剂、合成树脂、农药、化学合成和生物等领域。
高压剪切可以有效调节材料的结构和性质，是制备具有新结构、新性质的材料的一种新方法。目前，研究人员已经开始利用高压的手段来探索Na N3中可能出现的新结构。NaN3作为稳定性最高的碱金属叠氮化物，其常温高压行为已通过拉曼光谱和X射线衍射技术进行了深入研究。2004年Erem ets等人报道(Eremets，M.I.el,Polymerization ofnitrogen in sodium azide.J.Chem.Phys.2004,120,10618-10623)，在室温下，压力达到120GPa时，NaN3中1600cm-1处叠氮离子拉伸振动v1消失(或在67GPa经过剪切变形后消失)，仅在160GPa时完全消失，并将其解释为叠氮化钠完全转化为非分子聚合相。2020年我国科学家发现(LiuBingbing el,High-Pressure-Induced Structural and ChemicalTransformations in NaN3.J.Phys.Chem.C.2020,124,37,19904-19910)，NaN3冷压加压至21.6～57.9GPa时，部分叠氮化钠解离重组可得到五唑钠(NaN5)和二氮钠(NaN2)。在高压(～1GPa)下，实验上已经发现了常压β相叠氮化钠会转变为α相叠氮化钠。α相叠氮化钠中，N3 -离子垂直于Na+原子的平面定向并且彼此存在弱相互作用，这种配置不稳定，在室温下施加几百bar的压力即会导致叠氮链的倾斜和向单斜结构的转变。然而，现有方法制备的非分子聚合相材料中仍含有叠氮基，未完全转化为非分子聚合相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非分子聚合相材料及其制备方法，所制备的非分子聚合相材料为纯相，不含有叠氮化钠相。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种非分子聚合相材料的制备方法，包括以下步骤：
将叠氮化钠粉末置于加压装置，加压至49.6～51GPa后，施加剪切应力，以45～90°为一个旋转周期，进行往复旋转，当往复旋转总角度≥405°时，停止旋转，得到非分子聚合相材料。
优选的，所述加压装置为非平衡荷载静高压压机。
优选的，所述加压的速率为4～5GPa/min。
优选的，所述往复旋转的速率为45°/10s。
优选的，在所述加压过程中，以红宝石球作为压标，所述红宝石球的直径为3μm。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的非分子聚合相材料。
本发明提供了一种非分子聚合相材料的制备方法，包括以下步骤：将叠氮化钠粉末置于加压装置，加压至49.6～51GPa后，以45～90°为一个旋转周期，进行往复旋转，施加剪切应力，当往复旋转总角度≥405°时，停止旋转，得到非分子聚合相材料。本发明以叠氮化钠粉末为原料，在常温下利用高压和往复旋转产生的剪切应力合成非分子聚合相，往复旋转过程中产生的旋转剪切应力显著降低了相变压力，进而使得新相生成，得到非分子聚合相材料。
本发明的方法在制备过程中无需引入其他杂质，合成压力低，工艺简单，成本低，不会污染环境，安全可靠，而现有的实验方法为加压至120～160GPa时才会出现非分子聚合相(或在67GPa时沿一个方向旋转施加剪切应力)。
附图说明
图1为实施例1制备的非分子聚合相材料的Raman散射光谱图；
图2为对比例1制备的非分子聚合相材料的Raman散射光谱图；
图3为对比例2制备的非分子聚合相材料的Raman散射光谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种非分子聚合相材料的制备方法，包括以下步骤：
将叠氮化钠粉末置于加压装置，加压至49.6～51GPa后，以45～90°为一个旋转周期，进行往复旋转，施加剪切应力，当往复旋转总角度≥405°时，停止旋转，得到非分子聚合相材料。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料或装置均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中，所述加压装置优选为非平衡荷载静高压压机；本发明对所述非平衡荷载静高压压机没有特殊的限定，本领域熟知的对应装置即可，具体为金刚石对顶砧压机，所述金刚石对顶砧压机的砧面为200μm的金刚石。
在本发明中，将叠氮化钠粉末置于加压装置的过程优选为采用金刚石对顶砧压机预压铼片，并在所得压痕中心钻孔，钻孔所得圆孔作为装入叠氮化钠粉末原料的样品腔；将过量的叠氮化钠粉末填装于所述铼片的圆孔中，以红宝石球作为压标，不添加任何其他介质作为传压介质，进行加压。本发明对所述铼片没有特殊的限定，选用本领域熟知的铼片即可。
在本发明中，所述钻孔所得圆孔的直径优选为66μm；所述红宝石球的数量优选为一颗或两颗，所述红宝石球的直径优选为3μm；本发明利用压标测量金刚石对顶砧压机中形成的金刚石压腔内的压力值，由红宝石球的R1荧光线的峰位变化来确定压力值的大小，精度为0.1GPa；本发明对所述利用红宝石球的R1荧光线确定压力值大小的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的压标方法和过程进行即可。
在本发明中，所述加压的速率优选为4～5GPa/min；所述往复旋转的速率优选为45°/10s。本发明对所述往复旋转的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的非分子聚合相材料。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
利用砧面为200μm的金刚石对顶砧压机预压铼片，并在压痕中心钻直径为66μm的圆孔，该圆孔作为装入原料的样品腔，将过量的叠氮化钠粉末填装到样品腔中，添加两颗直径为3μm的红宝石球作为压标，不添加任何其他介质作为传压介质，以4GPa/min的速率进行加压，当压力加压至49.6GPa时，以每10s旋转45°的速率、45°为一个旋转周期，旋转405°，得到非分子聚合相材料。
对本实施例制备的非分子聚合相材料进行Raman散射测试，结果见图1；由图1可知，叠氮离子拉伸振动v1消失，叠氮化钠分解消失，在790cm-1、1153.18cm-1处出现新峰，表明部分叠氮化钠完全相变为非分子聚合相。
对比例1
压机、样品腔和样品装填方式同实施例1；与实施例1的区别在于：以4GPa/min的速率进行加压，当加压至49.6GPa时，以每10s旋转45°的速率、45°为一个旋转周期，旋转90°，得到含有微量非分子聚合相的材料。
对本对比例制备的材料进行Raman散射测试，结果见图2；由图2可知，叠氮离子拉伸振动v1减弱，在854cm-1、1157.47cm-1处出现强度极弱的新峰，表明部分叠氮化钠相变为非分子聚合相。
对比例2
压机、样品腔和样品装填方式同实施例1；与实施例1的区别在于：以4GPa/min的速率进行加压，当压力加压至49.6GPa时，以每10s旋转45°的速率、45°为一个旋转周期，旋转360°，得到含有少量非分子聚合相的材料。
对本对比例制备的材料进行Raman散射测试，结果见图3；由图3可知，叠氮离子拉伸振动v1明显减弱，在786cm-1、1149cm-1处出现新峰，表明部分叠氮化钠相变为非分子聚合相。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种非分子聚合相材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将叠氮化钠粉末置于加压装置，加压至49.6～51GPa后，施加剪切应力，以45～90°为一个旋转周期，进行往复旋转，当往复旋转总角度≥405°时，停止旋转，得到非分子聚合相材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加压装置为非平衡荷载静高压压机。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加压的速率为4～5GPa/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述往复旋转的速率为45°/10s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述加压过程中，以红宝石球作为压标，所述红宝石球的直径为3μm。
6.权利要求1～5任一项所述制备方法制备得到的非分子聚合相材料。
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