Nanothermite med marengs-lignende morfologi: fra løs pulver til ultra-porøse objekter

Summary

Dette manuskript beskriver syntesen af brændbare aluminophosphate matricer ved reaktion mellem orthophosphorsyre (H₃PO₄) med aluminium nanopowder. Når denne reaktion er udført med overskydende aluminium i overværelse af wolfram trioxid nanopowder, fører det til en solid, porøs nanothermite skum.

Abstract

Målet med protokollen beskrevet i denne artikel er at forberede thermit kompositioner (nanothermites) i form af porøst, monolitisk objekter. Nanothermites er brændbare materialer af uorganisk brændstof og iltningsmiddel. I nanothermite skum er aluminium brændstof og aluminium fosfat og wolfram trioxid de oxiderende fraspaltning. De højeste flamme formering hastigheder (FPVs) i nanothermites er observeret i løs pulver og FPVs er kraftigt reduceret ved pelleteringen nanothermite pulvere. Fra et fysisk synspunkt er nanothermite løs pulver metastabile systemer. Deres egenskaber kan ændres ved utilsigtet jordpakning induceret ved stød eller vibrationer eller ved adskillelse af partikler over tid ved afregning fænomener, som stammer fra tæthed forskelle i deres komponenter. Flytning fra et pulver til et objekt er den udfordring, der skal overvindes for at integrere nanothermites i pyrotekniske systemer. Nanothermite objekter skal have både en stor åben porøsitet og god mekanisk styrke. Nanothermite skum opfylde begge disse kriterier, og de fremstilles ved at sprede en nano-størrelse thermit blanding (Al/WO₃) i orthophosphorsyre. Reaktionen af aluminium med en syreopløsning giver AlPO₄ “cement” i hvilke Al og WO₃ nanopartikler er indlejret. I nanothermite skum spiller aluminium fosfat binder og iltningsmiddel dobbelt rolle. Denne metode kan bruges med wolfram svovltrioxid, der ikke ændres ved forberedelsesprocessen. Det kan sandsynligvis udvides til nogle oxider, der er almindeligt anvendt til fremstilling af højtydende nanothermites. WO₃-baseret nanothermite skum beskrevet i denne artikel er især ufølsom over for slag og friktion, hvilket gør dem langt sikrere at håndtere end løs Al/WO₃ pulver. Hurtig forbraending af disse materialer har interessante applikationer i pyrotekniske tændsatser. Deres anvendelse i detonatorer som primere kræver indarbejdelse af et sekundært sprængstof i deres sammensætning.

Introduction

Denne artikel rapporter om en metode til at omdanne nano-størrelse thermit blandinger (Al/WO₃) fra en løs pulver til skum¹. Nanothermites er hurtig brænding energiske kompositioner, der fremstilles oftest af fysisk blanding af en metallisk oxid/salt med en reducerende metal, i form af nanopowders². Mest repræsentant kvælstofoxider bruges til at forberede nanothermites er Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ og Bi₂O₃^10,11, mens de metalliske salte brugt er Perchlorater^12,13, iodates^14,15, periodates¹⁶, ligger¹⁷ eller persulfates¹⁸. Aluminium nanopowder er det bedste valg som brændstof til nanothermites på grund af deres talrige ønskværdige egenskaber, såsom en høj oxidation varme (10-25 kJ/g)¹⁹, hurtig reaktion kinetik²⁰, lav toksicitet²¹_, og en fair grad af stabilitet, når det har været præcist passivated²².

I Al-baseret nanothermites, flammefronten udbreder ved høje hastigheder (0,1 – 2,5 km/s), men dette kan dog, blive betragtet som detonation²³. Reaktionsmekanisme er faktisk drevet af konvektion af varme gasser i porøsiteten af ureageret materiale. Med andre ord er porøsitet afgørende for hurtig afbrænding af nanothermites. Løs nanothermite pulver er imidlertid ikke stabil fra et fysisk synspunkt. De er komprimeret ved stød eller vibrationer, og deres tætteste komponent (normalt oxid) adskiller gradvist fra sammensætningen af effekten af tyngdekraften. Stabilisering af nanothermite porøsitet er en afgørende udfordring for deres integration i fremtidige pyrotekniske systemer.

Den største fordel af forberedelsesprocessen beskrevet heri er at give meget porøs, solid, nanothermite Monoliter, som kan være formet af molding paste fra som de danner. Derudover er nanothermite skum helt ufølsom over for stød, gnidning og elektrostatiske udladninger i forhold til nanothermite løs pulver. Denne ufølsomhed gør dem særdeles sikker håndtag og maskine, for eksempel ved savning eller boring.

Når løs nanothermite pulvere er presset eller pelleteret, deres porøsitet reducerer og objekter er dannet. Samhørighed af sådant materiale stammer fra de overflade styrker, som er ansvarlig for sammenlægning af nanopartikler. Den mekaniske styrke af nanothermite pellets kan forbedres i overværelse af carbon nano-fibers, der fungerer som en ramme for at styrke disse objekter²⁴. Desværre reducerer trykke kraftigt reaktivitet af nanothermites. Ifølge Prentice et al.inducerer presning af nano-Al/nano-WO₃ kompositioner et sammenbrud af deres reaktion hastighed ved at to størrelsesordener⁷. Til sidst, i modsætning til de fleste sprængstoffer, kan ikke nanothermites være formet ved at trykke på.

Til dato, er blevet rapporteret meget få metoder til at strukturere nanothermites videnskabelige litteratur beskæftiger sig med nanothermites. Nanothermites kan indbetales på substrater, enten fra pulvere med deres komponenter, der er spredt i en flydende medium ved elektroforese²⁵eller ved sputtering af deres komponenter i successive lag²⁶. Begge fremgangsmåder fører til tætte belægninger, som er mindre reaktivt end løs pulver og har tendens til at delaminere fra underlaget som de fremstilles.

Udarbejdelse af “tredimensionelle” objekter bestående af nanothermite blev foreslået af Tillotson et al. ⁵, der anvendes i sol-gel syntese udviklet af flænge et al. , der består af geldannende løsninger af metalliske salte af Epoxider²⁷. Nanothermite Monoliter tilberedes ved at sprede Al nanopowder i sol, før geldannende. Geler tørres efterfølgende i et heat kammer til at producere xerogels eller ved en kompleks proces, der involverer brugen af supercritical CO₂ at opnå aerogeler. Nanothermite aerogeler ikke kun har stærk reaktivitet, men kan også bearbejdes på grund af deres fremragende mekaniske egenskaber. Derudover tillader sol-gel-processen en at syntetisere mikro- og mesoporøse materialer med en uovertruffen grad af ensartethed mellem brændstof (Al) og oxid i blandingen. Trods disse interessante funktioner, anvendelse af sol-gel proces er begrænset af: (i) kompleksitet af batch syntese, som afhænger af mange parametre; (ii) den uundgåelig tilstedeværelse af syntese biprodukter (urenheder) i det endelige materiale, og (iii) i meget lang tid for de forskellige trin i processen.

Brændbare måtter af nanothermite blev udarbejdet af electrospinning af nitrocellulose (bindemiddel) fra løsninger anklaget for Al og CuO nanopartikler²⁸. Disse nanothermite filt består af fibre med sub mikrometer skala diametre, der er en på forhånd ikke-porøs. I disse materialer, er porøsitet defineret af indvikling af fibre. Prøver af nanothermite mats brænde langsomt (0,06 – 1.06 m/s) i forhold til ren nano-størrelse Al/CuO blandinger i en løs pulver tilstand, hvori flammefronten forsaetter med en hastighed af adskillige hundrede m/s²⁹. Endelig brugen af nitrocellulose som bindemiddel for nanothermites er ikke ideel, fordi det betydeligt øger deres termiske følsomhed og ændrer deres kemiske stabilitet på lang sigt.

Membraner i nanothermites blev udarbejdet af Yang et al. fra komplekse hierarkisk MnO₂/SnO₂ heterostructures blandet med Al nanopartikler⁶. I disse materialer har oxid fase en meget specifik morfologi, hvor MnO₂ nano-ledninger er omfattet af SnO₂ grene. På grund af sin særlige struktur, oxid ikke kun diffuserer Al nanopartikler, men også sikrer den mekaniske modstand af membranen.Forberedelse er af MnO₂/SnO₂/Al membraner meget enkle; Det består af filtrering nanothermite indeholdt i væsken, hvor det er udarbejdet, ved hjælp af filtrering kage som en membran.

For at opsummere, den eneste nanothermite er objekter, der er nævnt i den videnskabelige litteratur indskud på substrater, aerogeler eller måtter. Idéen om udarbejdelsen af nanothermites i form af fast skum åbner nye horisonter for integrationen af disse energimaterialer i funktionelle pyroteknik systemer. Skummende processen rapporteret i denne artikel er enkel at udføre og kan anvendes stort set til enhver nanothermite fremstillet af aluminium nanopowder. Den skummende agent er orthophosphorsyre (H₃PO₄), en fælles, billig og ikke-giftige kemiske, som reagerer med nano-Al give cement (AlPO₄) og gasser (H₂, H₂O damp), opretter porøsiteten af den materiale¹. Aluminium fosfat er særligt stabile ved høje temperaturer, i strid med organiske bindemidler såsom energiske polymerer (nitrocellulose). Dog AlPO₄ opfører sig som iltningsmiddel mod nano-Al ved høj temperatur, ifølge begrebet “negativ sprængstoffer” foreslået af Shimizu³⁰.

Protocol

Forsigtig: Udføre alle reaktioner beskrevet i denne artikel i en eksplosion-bevist kammer med en pansret vindue, der tillader både visuel inspektion og observation af de skummende/Forbrændingsprocesser ved høj hastighed video. Tage sig om den eksperimenterende risici som følge af den potentielle antændelse af thermit kompositioner og brint eksplosion i luften. Derfor arbejde altid i en eksplosion-bevist kammer udstyret med passende udsugning. Husk at eksperimenter med energiske materialer skal udføres af erfarne f…

Representative Results

Matrixen aluminophosphate indeholder krystalliseret aluminium (Al) og aluminium fosfat (AlPO4). Disse faser var bekræftes ved røntgen diffraktion (figur 1). Derudover har gravimetrisk eksperimenter vist, at dette materiale også indeholder en ikke-krystallinsk del, som er amorfe alumina. I disse materialer fungerer aluminium fosfat både som bindemiddel og oxidationsmiddel. De oxiderende egenskaber af AlPO4 blev dokumenteret ved at må…

Discussion

Miksningen af nanopowders med syre og lukning af eksplosion kammer skal udføres hurtigt, af sikkerhedsmæssige årsager. Reaktion forsinkelse kan variere i nogen grad (1-10 min), afhængigt af forsøgsbetingelser. Det er afkortet Når rumtemperaturen er for høj eller tilstedeværelse af ekstern varme kilder som en projektør, som kan forårsage tidlig aktivering af den skummende reaktion. Omvendt er det steget når rumtemperaturen er lav. I tilfælde af for meget skummende forsinkelse (> 15 min), reaktionen kan sto…

Materials

Aluminum nanopowder	Intrinsiq Materials	–	nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891
Tungsten(VI) oxide	Sigma-Aldrich	550086-25G	nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V
Orthophosphoric Acid	Fisher Scientific	–	85% solution
polyethylene Pasteur pipette 3 mL	Th. Geyer	7691062	LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm
polyethylene Pasteur pipette 1 mL	Th. Geyer	7691063	LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm
Test tube shaker Reax Control	Heidolph	541-11000-00	Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields