CN113862754A - 绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法。具体为纳米级别五硝基四唑亚铜(CuNT)纳米阵列起爆药薄膜采用连续3步电化学氧化还原的方法快速在铜箔表面原位制备得到。具体是首先将洁净的铜片在氢氧化钾溶液中阳极氧化腐蚀制备出氢氧化铜纳米线阵列，随后继续在硫酸钠溶液中阴极还原成铜纳米线阵列，最后在五硝基四唑钠溶液中阳极氧化制备出CuNT起爆药纳米阵列薄膜。本发明成功首次制备出纳米级别的新型绿色起爆药CuNT，通过该起爆药的纳米薄膜化不仅仅能够改善该起爆药的性能，而且能够提高与微机电系统(MEMS)的兼容性，从而拓展了该新型绿色含能起爆药的应用。
Description
技术领域
本发明属于含能材料领域，涉及一种绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法。
背景技术
在军事和商业爆破中，炸药的链式反应通常是由少量高度敏感的初级炸药爆炸引起的。这些初级炸药的敏感性质使得可以使用较小的针对性刺激物将较大剂量的相对不敏感的高炸药引爆。这种初级炸药被称为起爆药，能够从爆燃快速的转变为爆轰。这个特点决定了起爆药需要更好的安定性。近年来，虽然在商业和军事上已经使用过的起爆药种类很多，但是目前最常用的仍然是叠氮化铅以及斯蒂芬酸铅。重金属铅不仅会引发环境的污染，而且会对人体的中枢神经系统、肾脏以及血液有极大的影响。目前铅已经成为国际上严格管理的化学物质。包括美国也在1993年12856号执行条例当中要求包括国防部在内的机构减少或禁止采购相关危险物质。因此急需寻找一种可替代铅系列起爆药的的环境友好型的起爆药。
为了开发新的绿色起爆药，目前各国都进行了大量的研究。目前新型的起爆药有以叠氮化铜为代表的无机化合物，以及以四唑化合物为代表的有机金属化合物。其中叠氮化铜的纳米化研究是目前最受关注的。在文献()中，张芳等人在2012年利用氧化铝模板制备出铜纳米线后再经过叠氮气体腐蚀反应制备出叠氮化铜纳米线。但是该制备过程不仅仅没有改善叠氮化铜感度过高的问题，该叠氮气体腐蚀反应制备方法也极具危险性。在Pelletier(文献Advanced Functional Materials,2010,20(18):3168-3174.)以及Forohar(美国专利US Patent 7,879,166)等人的研究中，将叠氮化铜填充到碳纳米管当中能够很好的降低其感度，提高制备过程的安全性，但是该制备过程操作繁琐，耗时长，使得其进一步应用难以实现。出于这些原因，人们已经集中精力开发可作为叠氮化铜替代品的最低毒性和化学惰性的起爆药。
相对于叠氮化铜的高危险性，绿色有机金属起爆药五硝基四唑亚铜(CuNT)不仅具有良好的起爆能力，而且比叠氮化铅具有更低的感度，是一种安全的绿色起爆药。在文献(Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2011,36,541-550)中提到美国海军太平洋含能材料公司(PSEMC)最早在实验过程中无意发现了该物质。随后美国国防部对其进行了一系列的研究，认为其大多数情况下可以等体积替换叠氮化铅。目前合成CuNT的主要方法是利用氯化亚铜与NaNT溶液反应生成CuNT(美国专利US Patent,7,833,330)。该方法虽然能够制备出CuNT，但是仍然存在一定的问题，一是该产物结晶颗粒大，造成产物感度的提高，二是样品制备工艺无法与未来新一代MEMS火工品技术相兼容，限制了其进一步的应用。目前还没有关于CuNT的纳米化的研究报告。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、能够与MEMS系统相兼容的具有良好起爆能力绿色起爆药(CuNT)薄膜及其制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法，采用连续3步电化学氧化还原方法在铜片基底上原位制备CuNT纳米阵列薄膜。
上述CuNT纳米阵列薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，以水为溶剂，分别配置浓度为1～4mol/L的氢氧化钾溶液，0.1-2mol/L硫酸钠溶液，0.1-0.4mol/L五硝基四唑钠溶液。
步骤2，采用连续电化学阳极氧化方法，将铜片在氢氧化钾溶液中进行电极反应得到Cu(OH)2纳米线阵列，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤3，采用连续电化学阴极还原方法，将步骤2中Cu(OH)2纳米线阵列在硫酸钠溶液中进行电极反应得到Cu纳米线阵列，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤4，采用连续电化学阳极氧化方法，将步骤3得到的铜纳米线阵列在五硝基四唑钠溶液中进行电极反应得到CuNT纳米线阵列薄膜，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
优选地，步骤1中，所述的氢氧化钾溶液浓度为3mol/L。
优选地，步骤1中，所述的硫酸钠溶液浓度为1mol/L。
优选地，步骤1中，所述的五硝基四唑钠溶液浓度为0.2mol/L。
优选地，步骤2中，氢氧化钾溶液中，铜片为阳极，铂片为阴极，反应条件为4mA/cm2横流条件，反应时间为12min。
优选地，步骤3中，硫酸钠溶液中，Cu(OH)2纳米线阵列为阴极，铂片为阳极，反应条件为10mA/cm2横流条件，反应时间为4min。
优选地，步骤4中，五硝基四唑钠溶液中，铜纳米线阵列为阳极，铂片为阴极，反应条件为2mA/cm2横流条件，反应时间为10min。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的CuNT纳米阵列薄膜通过将新型绿色顿感CuNT起爆药纳米薄膜化，不仅能够提高该起爆药的爆炸性能，而且通过纳米化进一步改善其感度；
(2)CuNT纳米阵列薄膜制备工艺能够很好的与微机电系统(MEMS)相兼容性，从而拓展了该新型绿色含能起爆药的应用。
附图说明
图1为CuNT纳米薄膜阵列电化学制备过程示意图。
图2为Cu(OH)2纳米线阵列的不同倍率SEM图。
图3为铜纳米线阵列的不同倍率SEM图。
图4为实施例1制得的CuNT纳米薄膜的不同倍率SEM图。
图5为实施例1制得的CuNT纳米薄膜DSC图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
CuNT纳米薄膜半导体桥的制备：
步骤1：以水为溶剂，分别配置浓度为3mol/L的氢氧化钾溶液，1mol/L硫酸钠溶液，0.2mol/L五硝基四唑钠溶液。
步骤2：采用连续电化学氧化-还原-氧化方法，铜片为阳极，铂片为阴极，反应条件为4mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应12min制得氢氧化铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤3：将氢氧化铜纳米线阵列为阴极，铂片为阳极，反应条件为10mA/cm2恒流条件在硫酸钠溶液中反应4min得到铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤4：以铜纳米线阵列为阳极，铂片为阴极，反应条件为0.2mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应10min制得CuNT纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
图1为CuNT纳米薄膜阵列电化学制备过程示意图
图2为实施例1制得的Cu(OH)2纳米线阵列的SEM图，(a)为放大25000倍，(b)为放大10000倍。由图2可以看出氢氧化铜呈现出纳米线结构。
图3为实施例1制得的铜纳米线阵列的SEM图，(a)为放大50000倍，(b)为放大10000倍。由图3可以明显呈现出纳米线结构，经过阴极还原没有造成结构的坍塌。
图4为实施例1制得的CuNT纳米阵列薄膜的SEM图，(a)为放大50000倍，(b)为放大10000倍。由图4可以明显看出，纳米线表面变为片状多孔结构，
图5为实施例1制得的CuNT纳米阵列薄膜DSC图。从图中可以看出CuNT在275℃开始分解，在281℃到达最大，为其热分解温度，分解放热达到1271J/g。
实施例2
步骤1：以水为溶剂，分别配置浓度为1mol/L的氢氧化钾溶液，0.1mol/L硫酸钠溶液，0.4mol/L五硝基四唑钠溶液。
步骤2：采用连续电化学氧化-还原-氧化方法，铜片为阳极，铂片为阴极，反应条件为4mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应20min制得氢氧化铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤3：将氢氧化铜纳米线阵列为阴极，铂片为阳极，反应条件为10mA/cm2恒流条件在硫酸钠溶液中反应10min得到铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤4：以铜纳米线阵列为阳极，铂片为阴极，反应条件为0.2mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应20min制得CuNT纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
实施例3
步骤1：以水为溶剂，分别配置浓度为4mol/L的氢氧化钾溶液，2mol/L硫酸钠溶液，0.4mol/L五硝基四唑钠溶液。
步骤2：采用连续电化学氧化-还原-氧化方法，铜片为阳极，铂片为阴极，反应条件为4mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应8min制得氢氧化铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤3：将氢氧化铜纳米线阵列为阴极，铂片为阳极，反应条件为10mA/cm2恒流条件在硫酸钠溶液中反应4min得到铜纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
步骤4：以铜纳米线阵列为阳极，铂片为阴极，反应条件为0.2mA/cm2恒流条件在氢氧化钾溶液中反应6min制得CuNT纳米线阵列。反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是取消了Cu(OH)2还原成铜纳米线的步骤3，结果表明由于缺失了步骤3无法直接制备出CuNT纳米阵列薄膜。
Claims (7)
1.绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法，其特征在于，采用连续不间断的电化学氧化还原方法将CuNT纳米阵列薄膜原位生长在铜片表面。
2.根据权利要求1所述的绿色顿感纳米阵列起爆药的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，以水为溶剂，分别配置浓度为1～4mol/L的氢氧化钾溶液，0.1-2mol/L硫酸钠溶液，0.1-0.4mol/L五硝基四唑钠(NaNT)溶液；
步骤2，采用电化学氧化方法，将铜片在氢氧化钾溶液中反应得到氢氧化铜(Cu(OH)2)纳米线，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质；
步骤3，采用电化学还原方法，将步骤2得到的氢氧化铜纳米线在硫酸钠溶液中反应得到铜纳米线，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质；
步骤4，采用电化学氧化方法，将步骤3得到的铜纳米线在氢氧化钾溶液中反应得到CuNT纳米线，反应过后需要用水清洗2秒除去样品表面残留物质。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的氢氧化钾溶液的浓度为3mol/L。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的硫酸钠的浓度为1mol/L。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的五硝基四唑钠溶液的浓度为0.2mol/L。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2，3，4中，所述的CuNT纳米阵列薄膜是通过连续3步电化学氧化-还原-氧化反应制备得到，电化学反应条件为：反应过程中对电极为铂片或者石墨片，氢氧化钾溶液中样品阳极氧化反应时间为8-20min，硫酸钠溶液中阴极还原反应时间为4-10min，五硝基四唑钠溶液中阳极还原反应时间为6-20min。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，反应的电极距离为2cm。
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| CN103531817A (zh) * | 2013-10-17 | 2014-01-22 | 山东玉皇化工有限公司 | 一种锂离子电池用三维铜纳米线阵列集流体及其制备方法 |
| CN108950593A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-12-07 | 重庆大学 | 用于电化学还原co2的铜纳米线负载锡催化电极及方法 |
-
2020
- 2020-06-30 CN CN202010614687.3A patent/CN113862754B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117248218A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-19 | 浙江大学 | 一种酸碱不对称耦联糠醛氧化双极制氢的方法 |
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