メレンゲのような形態と Nanothermite: 超多孔質オブジェクトにルース パウダーから
Summary
この原稿は、オルトリン酸 (H3PO4) アルミニウムのナノ粉末との反応による可燃性アルミノリン酸マトリックスの合成を説明します。タングステン三酸化ナノ粉末の存在下でアルミニウムの過剰反応を行った場合、それは固体、多孔性 nanothermite 泡に します。
Abstract
多孔質、モノリシック オブジェクトの形でこの資料に記載されているプロトコルの目的は aluminothermic 組成物 (nanothermites) を準備です。Nanothermites は、無機の燃料と酸化剤の可燃性材料です。Nanothermite 発泡体のアルミが燃料とアルミニウムのリン酸とタングステン三酸化酸化の鎖です。Nanothermites で最高の火炎伝播速度 (FPVs)、緩い粉末で観察され、FPVs が強く nanothermite 粉末を造粒減します。物理的な観点から nanothermite の緩い粉末、準安定システムです。それらのプロパティは、そのコンポーネントの密度の違いから発するショックや振動または時間の経過とともに粒子の分離によってのセトリング現象による意図しない圧縮で変更できます。花火システムで nanothermites を統合するために克服しなければならない課題は、粉からオブジェクトに移動します。Nanothermite オブジェクトは、開気孔率の高い、優れた機械的強度の両方が必要です。Nanothermite 発泡体は、これらの条件の両方を満たすし、オルトリン酸でナノサイズの aluminothermic 混合物 (アル/WO3) を分散させることによって準備ができて。酸溶液によるアルミニウムの反応を与えるアルポ4 「セメント」, Al および WO3ナノ粒子が埋め込まれています。Nanothermite 発泡体、リン酸アルミニウムはバインダーと酸化剤の二重の役割を果たしています。このメソッドは、タングステンは、準備のプロセスによって変更されていないと使用することができます。おそらく、高性能 nanothermites の準備のために使われるいくつかの酸化物に拡張する可能性があります。WO3-この資料に記載に基づいて nanothermite 発泡体は衝撃、摩擦がそれらを処理するルース アル/WO3パウダーよりもはるかに安全に特に敏感。これらの材料の高速燃焼は、花火の点火装置の興味深いアプリケーションです。プライマーとして起爆装置での使用は、その組成の二次爆発の定款を必要があります。
Introduction
この発泡体1にルース パウダー状態からナノサイズの aluminothermic 混合物 (アル/WO3) を変換法について報告する.Nanothermites は、高速ナノ2の形で、還元金属と金属酸化物/塩の物理混合することによって最も頻繁に準備されるエネルギッシュな組成物の燃焼します。Nanothermites を準備するために使用する最も代表的な酸化物は、Cr2O33,4Fe2O35MnO26WO37MoO38、CuO9および Bi2O310、11、金属塩の使用中、過塩素酸塩12,13iodates14,15、periodates16、17またはジエチルヒドロキシルアミン18の硫酸塩します。アルミ ナノ高酸化熱 (10-25 kJ/g)19、高速な反応速度論20、低毒性21,フェアなど、多数の望ましい特性のための nanothermites のための燃料として最良の選択は、します。それは正確にパッシベーションされた22をしたら安定度。
Al 系 nanothermites で火炎面を高速で伝達 (0.1 – 2.5 km/s)、しかしこれはできません、ただし、デトネーション23として考慮します。反応機構は、未反応の材料の気孔率の高温ガスの対流によって実際に駆動されます。つまり、気孔率は nanothermites の高速燃焼に不可欠です。しかし、緩い nanothermite パウダーは物理的な観点から安定しません。衝撃や振動によって圧縮されて、彼らの最も密のコンポーネント (通常酸化物) は徐々 に重力の影響によって構成から分離します。Nanothermite 気孔率の安定化は、将来花火システムの統合のための重要な課題です。
記載の準備プロセスの主な利点は、彼らが形成するペーストを成形によって形成することができます非常に多孔性、固体、nanothermite モノリスを与えることです。さらに、nanothermite の発泡体は衝撃、摩擦および nanothermite の緩い粉末に比べて静電気に非常に敏感ではありません。この鈍感になります特に安全ハンドル、マシン、例えば鋸やドリルで。
緩い nanothermite 粉末を押したり、ペレットされたとき、それらの気孔率の減少し、オブジェクトが形成されます。そのような材料の凝集ナノ粒子の凝集は、表面の力に由来します。Nanothermite ペレットの強度は、炭素ナノ繊維、これらのオブジェクトの24を強化するためのフレームワークとして機能するの存在下で改善できます。残念ながら、強く押すと、nanothermites の反応性が減少します。プレンティスらによるとナノ Al ナノ ヲ3組成のプレスは 2 桁の7での反応速度の崩壊を誘発します。結論として、ほとんど爆発物に反して nanothermites は押すとによって形作られることはできません。
までに、nanothermites を構築するための非常にいくつかの方法は、科学文献を扱う nanothermites で報告されています。Nanothermites は、基板、電気泳動法25、または連続的な層26でそのコンポーネントのスパッタ法による液体培地に分散コンポーネントの粉末のいずれかから上に堆積することができます。両方のアプローチは、緩い粉末に比べて反応が弱いであり、準備を基板から剥離しがちである密な預金に します。
・ ティロットソンらによって提案された nanothermite から成る「三次元」オブジェクトの準備5、金属塩のゲル化ソリューションによってエポキシド27で構成されるガッシュらによって開発されたゾル-ゲル合成を使用しました。Nanothermite のモノリスは、ゲル化する前に、sol の Al ナノを分散させることによって準備されます。ゲルはゲルを生成する熱室またはエアロゲルを取得する超臨界 CO2の使用を含む複雑なプロセスによってその後乾燥させます。Nanothermite エアロゲルは、強い反応があるだけでなく、彼らの優れた機械的特性のおかげでも加工できます。また、ゾル-ゲル法燃料 (Al) とミックスで酸化物の間の同質性の比類のない学位をミクロ ・ メソ多孔体材料を合成することができます。にもかかわらず、これらの興味深い機能は、ゾル-ゲル法の使用によって制限されます: (i) 多数のパラメーターに依存するバッチ合成の複雑さ(ii) 合成副産物 (不純物) 最終的な材料、および (iii) のプロセスの別の手順で必要な非常に長い時間の避けられない存在。
ニトロセルロース (バインダー) の静電紡糸法による Al および CuO ナノ粒子28充電ソリューション nanothermite の可燃性のマットの調製。これらの nanothermite フェルトは、先験的な非多孔質であるサブミクロン スケールの直径を持つ線維で構成されます。これらの材料の気孔率は、繊維の絡み合いによって定義されます。Nanothermite のサンプルが書き込みをゆっくりマット (0.06 – 1.06 m/s) 火炎面が数百 m/s29の速度で伝搬ルース パウダー状態で純粋なナノサイズ Al/酸化銅混合物と比較して。最後に、かなりの温度感受性を増加し彼らの長期的な化学的安定性を変更するので、nanothermites のバインダーとして硝酸セルロースの使用は理想的ではないです。
Nanothermites の膜は、複雑な階層的な MnO2/SnO2ヘテロ構造6Al ナノ粒子と混合からヤンらにより作製しました。これらの材料では、酸化物の相は MnO2ナノ細線、SnO2枝で覆われて、非常に特定の形態を持っています。その非常に特定の構造のため、酸化物は Al ナノ粒子をトラップだけでなく、また膜の機械的な抵抗が保証されます。MnO2/SnO2/Al 膜の準備プロセスは非常に簡単です。それは、それが準備され、膜としてろ過ケーキを使用して液体に含まれている nanothermite をフィルターので構成されます。
まとめると、唯一の nanothermite 科学の文献に記載されているオブジェクトはマットやエアロゲルは、基板に堆積物です。ソリッド発泡体の形で nanothermites を準備する考えは、機能的な花火システムにこれらのエネルギー物質の統合のための新しい地平を開きます。この記事で報告されて発泡プロセスは簡単に実行し、アルミニウムのナノ粉末から調製した任意の nanothermite に事実上適用できます。発泡剤はオルトリン酸 (H3PO4)、一般的な安価な非毒性化学物質、ナノ-アル (アルポ4) セメントとの空隙を作成するガス (H2H2O 蒸気) を与えると反応する、材料1。リン酸アルミニウムはエネルギッシュなポリマー (ニトロセルロース) などの有機バインダーに反して高温、特に安定しました。ただし、アルポ4は清水30によって提案された「負の爆発物”のコンセプトによると高温でナノ アルに向かって酸化剤として動作します。
Protocol
Representative Results
Discussion
酸ナノの混合過程と爆発部屋の閉鎖は安全上の理由のため、すぐに実行する必要があります。反応遅延はある程度 (1 ~ 10 分)、実験条件によって異なる場合があります。それは部屋の温度が高すぎるとき、または発泡反応の早期活性化を引き起こすことができる、スポット ライトのような外部加熱源の存在下では短縮されます。逆に、それは部屋の温度が低い場合が高い。あまりにも多くの?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、写真家、ISL のイヴ須磨とヤニック Boehrer のサンプルの写真と、合成と nanothermite 発泡体の燃焼の高速ビデオによる観察のために感謝したいと思います。彼らはまた x 線回折による NS3E の研究室から材料の特性の彼らの同僚の博士ヴィンセント ピショに感謝の意を表現したいと思います。
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 |
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