Nanothermite met Meringue-achtige morfologie: van losse poeder aan ultra poreuze objecten

Summary

Dit manuscript beschrijft de synthese van brandbare aluminophosphate matrices door de reactie van fosforzuur (H₃PO₄) met aluminium nanopowder. Bij deze reactie wordt uitgevoerd met overtollige aluminium in aanwezigheid van wolfraam zwaveltrioxide nanopowder, leidt het tot een solide, poreuze nanothermite schuim.

Abstract

Het doel van het protocol beschreven in dit artikel is te bereiden aluminothermic composities (nanothermites) in de vorm van poreuze, monolithische objecten. Nanothermites zijn brandbare materialen samengesteld uit anorganische brandstof en een oxidant. In nanothermite schuimen is aluminium de brandstof en aluminium fosfaat en wolfraam zwaveltrioxide zijn de oxiderende wordt. De hoogste vlam propagatie snelheden (FPVs) in nanothermites worden waargenomen in losse poeders en FPVs zijn sterk daalden met pellet nanothermite poeders. Vanuit fysiek oogpunt zijn nanothermite losse poeders metastabiele systemen. Hun eigenschappen kunnen worden gewijzigd door onbedoelde verdichting geïnduceerd door schokken of trillingen, of door de segregatie van deeltjes na verloop van tijd door het regelen van de verschijnselen, die afkomstig van de dichtheid verschillen van hun onderdelen is. Verplaatsen van een poeder naar een object is de uitdaging die moet worden overwonnen om het integreren van nanothermites in pyrotechnische systemen. Nanothermite objecten moet zowel een hoge open porositeit en goede mechanische sterkte. Nanothermite schuimen voldoen aan beide criteria voldoet, en ze worden voorbereid door het verspreiden van een mengsel van de nano-sized aluminothermic (Al/WO₃) in orthofosforzuur. De reactie van aluminium met de zure oplossing geeft de AlPO₄ “cement” in welke Al en WO₃ nanodeeltjes zijn ingesloten. Aluminium-fosfaat speelt nanothermite schuimen, de dubbele rol van binder en oxidator. Deze methode kan worden gebruikt met wolfraam zwaveltrioxide, die niet door het voorbereidingsproces wordt gewijzigd. Het kan waarschijnlijk worden uitgebreid tot bepaalde stikstofoxiden, die vaak worden gebruikt voor de voorbereiding van hoogwaardige nanothermites. De WO₃-gebaseerde nanothermite schuimen beschreven in dit artikel zijn met name ongevoelig tegen schokken en wrijving, waardoor ze veel veiliger te behandelen dan losse Al/WO₃ poeder. De snelle verbranding van deze materialen heeft interessante toepassingen in Pyrotechnische ontstekers. Hun gebruik in ontstekers als inleidingen zou de opneming van de secundaire springstof in hun samenstelling vereist.

Introduction

Dit artikel rapporteert over een methode voor het omzetten van de nano-sized aluminothermic mengsels (Al/WO₃) van een losse poeder staat te schuimen¹. Nanothermites zijn snel branden energieke composities, die het vaakst worden voorbereid door het fysieke mengen van een metalen oxide/zout met een reducerend metaal, in de vorm van nanopowders². De meest representatieve stikstofoxiden gebruikt voor het bereiden van nanothermites zijn Cr₂O₃^3,4, WO₃⁷, MoO₃^{8, Fe₂O₃5, MnO₂6} , CuO⁹ en Bi₂O₃^10,11, terwijl de metaalzouten gebruikt zijn perchloraten^12,13, jodaten^14,15, perjodaten¹⁶,¹⁷ of persulfates¹⁸sulfaten. Aluminium nanopowder is de beste keuze als brandstof voor nanothermites vanwege hun groot aantal wenselijke eigenschappen, zoals een hoge oxidatie warmte (10-25 kJ/g)¹⁹, snelle reactie kinetica²⁰, lage toxiciteit²¹_, en een eerlijke mate van stabiliteit zodra er nauwkeurig gepassiveerd²².

In Al-gebaseerde nanothermites, de voorkant van de vlam verspreidt zich op hoge snelheden (0.1 – 2.5 km/s), maar dit mag echter niet, worden beschouwd als detonatie²³. Het reactiemechanisme is eigenlijk aangedreven door de convectie van hete gassen in de poreusheid van spoorverontreiniging materiaal. Met andere woorden, is de poreusheid essentieel voor het snel verbranden van nanothermites. Losse nanothermite poeder is echter niet stabiel vanuit fysiek oogpunt. Ze zijn gecomprimeerd door schokken of trillingen, en hun dichtste component (over het algemeen de oxide) geleidelijk scheidt van de samenstelling van de invloed van de zwaartekracht. De stabilisering van de nanothermite porositeit is een cruciale uitdaging voor hun integratie in toekomstige pyrotechnische systemen.

Het belangrijkste voordeel van het voorbereidingsproces hierin beschreven is dat zeer poreus, solide, nanothermite monolieten, die kunnen worden gevormd door de pasta waaruit zij vormen molding. Daarnaast zijn nanothermite schuimen vrij ongevoelig voor schokken, wrijving en elektrostatische ontlading ten opzichte van de losse poeders nanothermite. Deze ongevoeligheid maakt ze bijzonder veilige greep en machine, bijvoorbeeld door zagen of boren.

Als losse nanothermite poeders zijn ingedrukt of verwerkt, hun porositeit vermindert en objecten worden gevormd. De samenhang van deze materialen is afkomstig van de oppervlaktekrachten, die verantwoordelijk voor de samenvoeging van nanodeeltjes zijn. De mechanische sterkte nanothermite pellets kan worden verbeterd in de aanwezigheid van koolstof nano-vezels, die als een kader fungeren voor het versterken van deze objecten²⁴. Helaas, te drukken sterk vermindert de reactiviteit van nanothermites. Volgens Prentice et al.induceert het persen van nano-Al/nano-WO₃ composities een ineenstorting van hun reactie snelheid door twee ordes van grootte⁷. Kortom, in tegenstelling tot de meeste explosieven, kan niet nanothermites worden gevormd door op te drukken.

Tot op heden zijn zeer weinig methoden voor het structureren van nanothermites gemeld in de wetenschappelijke literatuur omgang met nanothermites. Nanothermites kan worden gedeponeerd op substraten, hetzij uit de poeders van hun onderdelen verspreid in een opgietvloeistof door elektroforese²⁵, of door het sputteren van hun componenten in opeenvolgende lagen²⁶. Beide benaderingen leiden tot dichte deposito’s, die minder reactief dan losse poeders en de neiging om delamineren van het substraat waarop ze bereid zijn.

De voorbereiding van de “drie-dimensionale” objecten samengesteld uit nanothermite werd voorgesteld door Tillotson et al. ⁵, die de synthese van de sol-gel ontwikkeld door Gash et al. , die uit gelerend oplossingen van metaalzouten door epoxiden^{27 bestaat}gebruikt. Nanothermite monolieten worden voorbereid door het verspreiden van Al nanopowder in de sol, vóór gelerend. De gels worden vervolgens gedroogd in een kamer warmte te produceren van xerogels of door een complex proces waarbij superkritische CO₂ te verkrijgen aerogels worden gebruikt. Nanothermite aerogels niet alleen hebben sterke reactiviteit, maar ook vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen kunnen worden gefreesd. Bovendien, kan het proces van de sol-gel men voor het synthetiseren van micro- en mesoporous materiaal met een ongeëvenaarde mate van homogeniteit tussen de brandstof (Al) en de oxide in de mix. Ondanks deze interessante functies, het gebruik van de sol-gel-proces wordt beperkt door: (i) de complexiteit van de batch-synthese, die hangt af van talrijke parameters; (ii) de onvermijdelijke aanwezigheid van synthese bijproducten (verontreinigingen) in het definitieve materiaal, en (iii) de zeer lange tijd die nodig is door de verschillende stappen van het proces.

Brandbare matten van nanothermite werden voorbereid door de electrospinning van nitrocellulose (bindmiddel) van oplossingen met Al en CuO nanodeeltjes²⁸in rekening gebracht. Deze nanothermite vilt zijn samengesteld uit vezels met een diameter van sub micrometer schaal, die a priori niet-poreus zijn. In deze materialen, wordt de porositeit gedefinieerd door de verstrikking van vezels. De monsters van nanothermite mats branden langzaam (0.06 – 1,06 m/s) ten opzichte van pure nano-sized Al/CuO mengsels in een losse poeder staat, waarin de voorkant van de vlam verspreidt zich met een snelheid van enkele honderden m/s²⁹. Tot slot, het gebruik van nitrocellulose als een bindmiddel voor nanothermites is niet ideaal, omdat het aanzienlijk hun thermische gevoeligheid verhoogt en hun chemische stabiliteit op lange termijn verandert.

Membranen van nanothermites werden voorbereid door Yang et al. van complexe hiërarchische MnO₂/SnO₂ Heterostructuren gemengd met Al nanodeeltjes⁶. In deze materialen heeft de oxide fase een zeer specifieke morfologie, waarin MnO₂ nano-draden SnO₂ takken vallen. Vanwege de zeer bijzondere structuur, de oxide niet alleen overlapt Al nanodeeltjes, maar zorgt er ook voor de mechanische weerstand van het membraan.Het voorbereidingsproces van MnO₂/SnO₂/Al membranen is zeer eenvoudig; het bestaat voor het filteren van de nanothermite opgenomen in de vloeistof waarin het is opgesteld, met behulp van de filtratie-taart als membraan.

Om samen te vatten, de enige nanothermite zijn objecten vermeld in de wetenschappelijke literatuur deposito’s op substraten, aerogels of matten. Het idee van de voorbereiding van de nanothermites in de vorm van solide schuimen opent nieuwe perspectieven voor de integratie van deze energieke materialen in functionele pyrotechniek systemen. Het schuimende proces gemeld in dit artikel is eenvoudig te voeren en vrijwel kan worden toegepast op elke nanothermite bereid uit aluminium nanopowder. De schuimende agent fosforzuur (H₃PO₄), is een gemeenschappelijk, goedkoop en niet-giftige chemische stof die met nano-Al reageert te geven het cement (AlPO₄) en de gassen (H₂, H₂O damp) waarmee de poreusheid van de materiële¹. Aluminium-fosfaat is bijzonder stabiel bij hoge temperaturen, in tegenstelling tot de organische bindmiddelen zoals energetische polymeren (nitrocellulose). Echter AlPO₄ gedraagt als een oxidator naar nano-Al op hoge temperatuur, volgens het concept van “negatieve explosieven” voorgesteld door Shimizu³⁰.

Protocol

Let op: Alle reacties die wordt beschreven in dit artikel in een explosie-bewezen zaal met een gepantserde venster waarmee zowel visuele inspectie en observatie van de schuimvorming/verbrandingsprocessen hoge snelheid video uitvoeren Zorg met betrekking tot de experimentele risico dat voortvloeit uit de potentiële ontstekingsbronnen van aluminothermic composities en de explosie van de waterstof in de lucht. Om deze reden altijd werken in een explosie-bewezen kamer uitgerust met een passende afzuigventilatiesysteem. Verg…

Representative Results

De aluminophosphate matrix bevat gekristalliseerde aluminium (Al) en aluminium-fosfaat (AlPO4). De aanwezigheid van deze fasen werd bevestigd door röntgendiffractie (Figuur 1). Bovendien hebben gravimetrische experimenten aangetoond dat dit materiaal ook bevat een niet-kristallijne gedeelte, dat amorf aluminiumoxide is. In deze materialen, aluminium fosfaat gedraagt zich als bindmiddel en als oxidator. De oxyderende eigenschappen van AlPO4</s…

Discussion

Het mengen nanopowders met zuur en de sluiting van de kamer van de explosie moeten snel, om veiligheidsredenen worden uitgevoerd. De vertraging van de reactie kan variëren tot op zekere hoogte (1-10 min), afhankelijk van de experimentele omstandigheden. Het verkort wanneer de kamertemperatuur te hoog is of in de aanwezigheid van externe verwarming bronnen zoals een middelpunt van de belangstelling, die vroege activering van de schuimende reactie kunnen veroorzaken. Omgekeerd, het wordt verhoogd wanneer de kamertemperatu…

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