CN113636902A - 一种氟基铝热剂及其制备方法 - Google Patents

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崔文浩
唐文杰
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韩志伟
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Abstract

本发明公开了一种氟基铝热剂及其制备方法，属于微/纳米含能材料技术领域，该氟基铝热剂由3.0%~23.0wt%氟橡胶和77.0%~97.0wt%纳米铝粉构成核壳结构的复合粒子，其步骤为：将氟橡胶溶解到有机溶剂中，加入纳米铝粉形成悬浮液，利用静电喷雾技术将悬浮液从针管中喷出，在接收板上形成纳米复合粒子。本发明制备的复合粒子分散性良好，复合粒子能量释放速率快；制备工艺简单、环保；产品外观为微米级多孔团聚球体。

Description

一种氟基铝热剂及其制备方法
技术领域
本发明属于微/纳米含能材料技术领域，提供了一种具有微米级尺寸大小、纳米级微观结构的高能量释放速率纳米铝粉/氟橡胶（n-Al/F）复合粒子制备方法。
背景技术
纳米铝粉因其点火温度低、点火延迟短、燃烧速率快等优点，逐渐成为固体火箭推进剂、烟火剂、高能混合炸药中最常用的金属燃料之一。但由于其尺寸降低到纳米级别，纳米铝粉的比表面积、表面能以及粘度均大幅提高。因此，当纳米铝粉与炸药颗粒、粘结剂、氧化剂等其他组分混合应用时，铝粉经常出现自身团聚等问题，往往难以达到均匀混合的效果，这就使得纳米铝粉的尺寸效应优势丧失，能量无法完全释放，也限制了进一步提升其在含能材料体系中的含量。因此，在保持纳米铝粉高反应活性、高能量释放速率的同时，改善其流散性能，解决其与其他组分的混匀问题，成为提升纳米铝粉应用潜力，扩展其应用范围，而亟需解决的关键问题。在此基础上形成制备一种具有良好分散性的微米级铝基复合材料，微观层面上又保持纳米材料的结构与性能的思路。
研究发现，含氟聚合物包覆纳米铝粉，对于改善纳米铝粉的性能具有多方面的优势。含氟聚合物普遍具有优异的机械性能、化学稳定性和热稳定性，当其在纳米铝粉表面形成保护性外壳时，能够有效改善纳米铝粉的分散性，提升纳米铝粉的抗氧化能力，在一定条件下还可以对纳米铝粉起到活化作用，进一步提升其燃烧速率。氟橡胶正是一种具有上述优点的典型含氟聚合物。
目前制备氟橡胶/纳米铝粉复合粒子的方法主要为溶剂-非溶剂法。专利CN201310472355.6（申请日2013年10月11日，公开日2014年1月15日）公开了一种氟橡胶包覆纳米铝粉复合粒子的制备方法，首先利用硅烷偶联剂对纳米铝粉进行表面改性，然后将占改性纳米铝粉质量5%～20%的氟橡胶，溶于氟橡胶100~300倍质量的有机溶剂中配制成溶液，在氮气保护下再将改性纳米铝粉超声下分散于上述氟橡胶的溶液中，最后将上述改性纳米铝粉与氟橡胶的混合溶液缓慢滴加到具有20℃～30℃温差的非溶剂环己烷中混合均匀，抽滤、65℃真空干燥10h‐12h，即得纳米铝粉/氟橡胶核‐壳结构的复合粒子。现有方法的缺陷在于，首先在制备方法方面，步骤较繁琐，能耗高；其次在产品质量方面，该方法制备的纳米复合粒子为单颗形态，流散性差，易团聚。
发明内容
本发明的目的是提供一种氟基铝热剂及其制备方法，用以改善纳米铝粉的流散性能，防止纳米铝粉在空气中氧化失活，同时进一步提高纳米铝粉的能量释放效率。
本发明的技术方案是：一种氟基铝热剂，由3.0%~23.0%质量分数的氟橡胶和77.0%~97.0%质量分数的纳米铝粉构成核壳结构的复合粒子。
较佳的，纳米铝粉中活性铝含量为80±10wt%。
较佳的，纳米铝粉平均粒径为70±30nm。
较佳的，氟橡胶为氟橡胶23、氟橡胶26、氟橡胶246、氟醚类氟橡胶中的一种或几种的混合物，其总杂质含量不高于5wt%。
较佳的，复合粒子为纳米颗粒构成的微米级多孔团聚体，团聚球体的粒径分布为0.5μm~3μm。
较佳的，复合粒子中纳米铝粉为核，氟橡胶包覆在纳米铝粉表面。
上述氟基铝热剂的制备方法，将氟橡胶溶解到有机溶剂中，加入纳米铝粉形成悬浮液，利用静电喷雾技术将悬浮液从针管中喷出，在接收板上形成纳米复合粒子（n-Al/F）。具体操作步骤如下：
（1）称量氟橡胶，将其加入到丙酮中，搅拌30min~60min，形成透明溶液；
（2）称量纳米铝粉，将其加入到步骤（1）配置的透明溶液中，超声分散30min~60min，形成均匀悬浮液；
（3）将步骤（2）获得的悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.3mm~0.5mm针头内径注射器，设定喷雾电压为12kV~21kV，喷雾速率为8.3μL·min-1~33.3μL·min-1，接收距离为10cm~25cm；
（4）喷雾结束后，在接收板上收集复合粒子。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：
（1）n-Al/F复合粒子是由核壳结构的纳米粒子构成的微米级颗粒，该微米级颗粒具有良好的分散性与流散性，易于与其他微米材料混合均匀；
（2）n-Al/F复合粒子仍保持着纳米材料的结构与性能，具有极高的能量释放速率；
（3）n-Al/F复合粒子在储存、应用时具有良好的耐腐蚀性与环境适应性；
（4）有效简化制备方法，降低能耗并提高产品质量。
附图说明
图1为实施例1的n-Al/F复合粒子的扫描电镜照片。
图2为实施例1的单颗n-Al/F复合粒子的透射电镜照片。
具体实施方式
下面通过实施例和附图进一步说明本发明。
实施例1
称取0.03g 氟橡胶F2311（市售），将其加入到10mL丙酮中，搅拌30min配置成透明溶液；称取0.97g纳米铝粉（市售，活性铝含量为75%±2%），将其加入到上述透明溶液中，超声分散30min，形成均匀悬浮液；将上述悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.3mm针头内径注射器，设定喷雾电压为19kV，喷雾速率为10μL·min-1，接收距离为20cm；喷雾15min后，在接收板上收集复合粒子。图1为该n-Al/F复合粒子的扫描电镜照片，图1可看出复合粒子为微米级多孔团聚球体。图2为单颗n-Al/F复合粒子的透射电镜照片，图2可以看出复合粒子中的纳米颗粒具有典型的核壳结构。
为测试样品的能量释放速率，分别将质量为0.3g的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子堆成圆锥状，在相同条件下点燃，原料铝粉燃烧持续时间约1000ms，本实施例制备的n-Al/F复合粒子燃烧持续时间仅为约120ms，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有更高的能量释放速率。
为测试样品的耐腐蚀性与环境适应性，将未经处理的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子同时放入恒温恒湿环境中（60℃，100%RH），48小时后称重发现，原料铝粉增重20.5%，n-Al/F复合粒子增重0.3%，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有良好的耐腐蚀性与环境适应性。
实施例2
称取0.08g氟橡胶F2604，将其加入到10mL丙酮中，搅拌30min配置成透明溶液；称取0.92g纳米铝粉，将其加入到上述透明溶液中，超声分散45min，形成均匀悬浮液；将上述悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.5mm针头内径注射器，设定喷雾电压为12kV，喷雾速率为8.3μL·min-1，接收距离为10cm；喷雾30min后，在接收板上收集复合粒子。
为测试样品的能量释放速率，分别将质量为0.3g的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子堆成圆锥状，在相同条件下点燃，原料铝粉燃烧持续时间约1000ms，本实施例制备的n-Al/F复合粒子燃烧持续时间仅为约110ms，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有更高的能量释放速率。
为测试样品的耐腐蚀性与环境适应性，将未经处理的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子同时放入恒温恒湿环境中（60℃，100%RH），48小时后称重发现，原料铝粉增重20.5%，n-Al/F复合粒子增重0.2%，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有良好的耐腐蚀性与环境适应性。
实施例3
称取0.13g氟橡胶F246B，将其加入到10mL丙酮中，搅拌30min配置成透明溶液；称取0.87g纳米铝粉，将其加入到上述透明溶液中，超声分散30min，形成均匀悬浮液；将上述悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.41mm针头内径注射器，设定喷雾电压为21kV，喷雾速率为33.3μL·min-1，接收距离为25cm；喷雾15min后，在接收板上收集复合粒子。
为测试样品的能量释放速率，分别将质量为0.3g的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子堆成圆锥状，在相同条件下点燃，原料铝粉燃烧持续时间约1000ms，本实施例制备的n-Al/F复合粒子燃烧持续时间仅为约105ms，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有更高的能量释放速率。
为测试样品的耐腐蚀性与环境适应性，将未经处理的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子同时放入恒温恒湿环境中（60℃，100%RH），48小时后称重发现，原料铝粉增重20.5%，n-Al/F复合粒子增重0.2%，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有良好的耐腐蚀性与环境适应性。
实施例4
称取0.18g氟橡胶（0.09gF2311+0.09gF2604），将其加入到10mL丙酮中，搅拌30min配置成透明溶液；称取0.82g纳米铝粉，将其加入到上述透明溶液中，超声分散30min，形成均匀悬浮液；将上述悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.41mm针头内径注射器，设定喷雾电压为19kV，喷雾速率为16.6μL·min-1，接收距离为15cm；喷雾15min后，在接收板上收集复合粒子。
为测试样品的能量释放速率，分别将质量为0.3g的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子堆成圆锥状，在相同条件下点燃，原料铝粉燃烧持续时间约1000ms，本实施例制备的n-Al/F复合粒子燃烧持续时间仅为约90ms，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有更高的能量释放速率。
为测试样品的耐腐蚀性与环境适应性，将未经处理的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子同时放入恒温恒湿环境中（60℃，100%RH），48小时后称重发现，原料铝粉增重20.5%，n-Al/F复合粒子增重0.1%，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有良好的耐腐蚀性与环境适应性。
实施例5
称取0.23g氟橡胶F2604，将其加入到10mL丙酮中，搅拌30min配置成透明溶液；称取0.77g纳米铝粉，将其加入到上述透明溶液中，超声分散30min，形成均匀悬浮液；将上述悬浮液转移到静电喷雾装置中，选用0.5mm针头内径注射器，设定喷雾电压为21kV，喷雾速率为16.6μL·min-1，接收距离为20cm；喷雾15min后，在接收板上收集复合粒子。
为测试样品的能量释放速率，分别将质量为0.3g的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子堆成圆锥状，在相同条件下点燃，原料铝粉燃烧持续时间约1000ms，本实施例制备的n-Al/F复合粒子燃烧持续时间仅为约80ms，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有更高的能量释放速率。
为测试样品的耐腐蚀性与环境适应性，将未经处理的原料铝粉和本实施例制备的n-Al/F复合粒子同时放入恒温恒湿环境中（60℃，100%RH），48小时后称重发现，原料铝粉增重20.5%，n-Al/F复合粒子增重0.1%，说明本实施例制备的n-Al/F复合粒子具有良好的耐腐蚀性与环境适应性。

Claims (8)

1.一种氟基铝热剂，其特征在于，由3.0%~23.0wt%氟橡胶和77.0%~97.0wt%纳米铝粉构成核壳结构的复合粒子。
2.权利要求1所述的氟基铝热剂，其特征在于，纳米铝粉中活性铝含量为80±10%。
3.权利要求1所述的氟基铝热剂，其特征在于，纳米铝粉平均粒径为70±30nm。
4.权利要求1所述的氟基铝热剂，其特征在于，氟橡胶为氟橡胶23、氟橡胶26、氟橡胶246中的一种或几种的混合物，其总杂质含量不高于5%。
5.权利要求1所述的氟基铝热剂，其特征在于，该复合粒子为纳米颗粒构成的微米级多孔团聚球体，团聚球体的粒径分布为0.5μm~3μm。
6.权利要求1所述的氟基铝热剂，其特征在于，该复合粒子中纳米铝粉为核，氟橡胶包覆在纳米铝粉表面。
7.如权利要求1-6任一所述的氟基铝热剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氟橡胶溶解到有机溶剂中，加入纳米铝粉形成悬浮液，利用静电喷雾技术将悬浮液从针管中喷出，在接收板上形成纳米复合粒子。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，静电喷雾工艺参数如下：选用0.3mm~0.5mm针头内径注射器，设定喷雾电压为12kV~21kV，喷雾速率为8.3μL·min-1~33.3μL·min-1，接收距离为10cm~25cm。
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