نانوثيرميتي مع الحلوى تشبه مورفولوجيا: من مسحوق فضفاض لكائنات فائقة المسامية
Summary
ويصف هذه المخطوطة توليف مصفوفات الومينوفوسفاتي القابلة للاحتراق برد فعل حمض أورثوفوسفوريك (ح3ص4) مع نانوبوودير الألومنيوم. عندما ينفذ هذا رد فعل مع الألومنيوم الزائد حضور نانوبوودير ثالث أكسيد التنغستن، أنه يؤدي إلى رغوة نانوثيرميتي الصلبة، المليئة بالثغرات.
Abstract
هدف البروتوكول هو موضح في هذا المقال تحضير التراكيب الومينوثيرميك (نانوثيرميتيس) في شكل الأجسام المليئة بالثغرات، ومتآلف. نانوثيرميتيس هي المواد القابلة للاحتراق من الوقود غير العضوي ومؤكسد. في الرغاوي نانوثيرميتي، الألومنيوم ثالث أكسيد التنغستن والفوسفات الوقود والألومنيوم مويتيس المؤكسدة. ولوحظت أعلى سرعات لهب الانتشار (فبفس) في نانوثيرميتيس في مساحيق فضفاض وفبفس بشدة انخفضت من الكريات نانوثيرميتي المساحيق. ومن ناحية مادية، مساحيق فضفاض نانوثيرميتي أنظمة يتواجد. ويمكن تغيير خصائصها بضغط غير المقصود الناجم عن الصدمات أو الاهتزازات أو فصل الجزيئات مع مرور الوقت بتسوية الظواهر، التي تنبع من اختلاف الكثافة مكوناتها. الانتقال من مسحوق لكائن هو التحدي الذي يجب التغلب عليها لدمج نانوثيرميتيس في أنظمة الألعاب النارية. يجب أن تحتوي كائنات نانوثيرميتي عالية المسامية مفتوحة والقوة الميكانيكية الجيدة معا. الرغاوي نانوثيرميتي الوفاء بكل معيار من هذه المعايير، وأنهم مستعدون بتفريق خليط الومينوثيرميك نانو الحجم (WO/ال3) في حمض أورثوفوسفوريك. رد فعل الألومنيوم مع حمض الحل يعطي4 البو “الأسمنت” في المضمنة فيها جسيمات نانوية3 Al والتعليم الجامعي. في الرغاوي نانوثيرميتي، فوسفات الألومنيوم يلعب الدور المزدوج للموثّق ومؤكسد. يمكن استخدام هذا الأسلوب مع ثالث أكسيد التنغستن، التي لا يتم تبديل بعملية إعداد. ربما يمكن أن تمتد إلى بعض أكاسيد، التي تستخدم عادة لإعداد نانوثيرميتيس عالية الأداء. WO3-رغاوي نانوثيرميتي تستند الموضحة في هذه المقالة حساسة لا سيما للأثر والاحتكاك، مما يجعلها أكثر أمنا للتعامل مع مسحوق3 شركة/WO فضفاض. سرعة احتراق هذه المواد لها تطبيقات مثيرة للاهتمام في مفجرات نارية. استخدامها في أجهزة التفجير ككبسولة تفجير سيتطلب إدراج مادة متفجرة ثانوية في تكوينها.
Introduction
تقارير هذه المادة على أسلوب لتحويل خلائط الومينوثيرميك نانو الحجم (WO/ال3) من دولة مسحوق فضفاض إلى رغاوي1. نانوثيرميتيس بسرعة حرق التراكيب النشطة، التي أعدتها لكثرة خلط المادية من أكسيد معدني/ملح مع معدن مما يقلل، في شكل مساحيق النانو2. أكاسيد الأكثر تمثيلاً التي استخدمت في إعداد نانوثيرميتيس هي كر2س33،4، منو26WO37، مو38، Fe2س35 ، CuO9 وبي2س310،11، بينما الأملاح المعدنية المستخدمة إيوداتيس فوق كلورات12،13،15من14،، بيريوداتيس16، كبريتات17 أو بيرسولفاتيس18. نانوبوودير الألومنيوم هو الخيار الأفضل كوقود نانوثيرميتيس نظراً لخواصها مرغوبة عديدة، مثل حرارة (10-25 كيلوجول/غرام) أكسدة عالية19ورد فعل سريع حركية20، سمية منخفضة21، وعادل درجة من الاستقرار بمجرد أنه قد تم تخميلها بدقة22.
في نانوثيرميتيس على أساس ال، جبهة اللهب تنتشر في السرعات العالية (0.1-2.5 كم/ثانية)، ولكن هذا لا يمكن، مع ذلك، يمكن اعتبار تفجير23. فعلا تحركها إليه التفاعل الحراري للغازات الساخنة في مسامية المواد الممتص. وبعبارة أخرى، المسامية ضروري لسرعة حرق نانوثيرميتيس. ومع ذلك، مسحوق نانوثيرميتي فضفاضة ليست مستقرة من ناحية مادية. يتم ضغط الصدمات أو الاهتزازات، وعنصرها أكثف (أكسيد عموما) يفصل التكوين تدريجيا بتأثير الجاذبية. استقرار المسامية نانوثيرميتي تحديا حاسما لإدماجها في نظم الألعاب النارية في المستقبل.
والميزة الرئيسية لعملية إعداد المبينة في هذا التقرير هو إعطاء كتل مسامية عالية، صلبة، نانوثيرميتي، التي يمكن أن تتشكل بصب اللصق من حيث أنها تشكل. بالإضافة إلى ذلك، نانوثيرميتي من الفلورين حساسة جداً للصدمة والاحتكاك والاستاتيكية مقارنة بمساحيق فضفاض نانوثيرميتي. هذه الحساسية يجعلها آمنة خاصة بالجهاز، والتعامل مع مثلاً قبل النشر أو الحفر.
عندما يتم الضغط على مساحيق فضفاض نانوثيرميتي أو علفي، يقلل على المسامية وتتشكل كائنات. تماسك هذه المواد مصدرها القوات السطحية، التي المسؤولة عن تجميع جسيمات نانوية. ويمكن تحسين القوة الميكانيكية من الكريات نانوثيرميتي حضور الكربون نانو-الألياف، التي تعمل كإطار لتعزيز هذه الكائنات24. ولسوء الحظ، ضغط بشدة النقصان مفاعليه نانوثيرميتيس. حسب برنتيس et al.، يستحث ملحة التراكيب نانو-شركة/نانو-WO3 انهيار على سرعة رد الفعل باثنين من حيث الحجم7. وفي الختام، خلافا لمعظم المتفجرات، لا يمكن أن يتشكل نانوثيرميتيس بالضغط.
وحتى الآن، وردت أساليب قليلة جداً لهيكلة نانوثيرميتيس في المؤلفات العلمية التي تتناول نانوثيرميتيس. يمكن إيداع نانوثيرميتيس على ركائز، أما من مساحيق لمكوناتها، تفرقت إلى وسيلة سائل بالتفريد25أو اﻷخرق مكوناتها في الطبقات المتعاقبة26. كلا النهجين تؤدي إلى رواسب كثيفة، وهي رد الفعل أقل من مساحيق فضفاض وتميل إلى ديلاميناتي من الركيزة التي كانوا على استعداد.
واقترح إعداد “ثلاثية” كائنات تتألف من نانوثيرميتي Tillotson et al. 5، الذين استخدموا التوليف سول-جل وضعتها القاش et al. يتكون من حلول التبلور من الأملاح المعدنية التي ايبوكسيدات27. تعد كتل نانوثيرميتي تفريق Al نانوبوودير في سول، قبل التبلور. المواد الهلامية هي المجففة لاحقاً أما في غرفة حرارة لإنتاج إكسيروجيلس أو بواسطة عملية معقدة تنطوي على استخدام فوق الحرجة CO2 للحصول على أيروجيلس. أيروجيلس نانوثيرميتي ليس فقط تفاعلية قوية ولكن يمكن أيضا أن تكون تشكيلة نظراً لخواصها الميكانيكية ممتازة. وبالإضافة إلى ذلك، تسمح عملية سول-جيل واحد لتجميع المواد المتناهية الصغر وميسوبوروس بدرجة لا مثيل لها من التجانس بين الوقود (Al) وأكسيد في المزيج. وبالرغم من هذه مثيرة للاهتمام الميزات، يقتصر استخدام عملية سول-جل: (ط) تعقد التوليف دفعة، الذي يعتمد على معلمات متعددة؛ (ثانيا) وجود تركات التوليف (الشوائب) في المواد النهائية، و (iii) الوقت الطويل جداً الذي تحتاجه الخطوات المختلفة للعملية لا مفر منه.
وأعدت الحصير القابلة للاحتراق من نانوثيرميتي اليكتروسبينينج النيتروسليلوز (الموثق) من الحلول المكلفة ب جسيمات نانوية CuO وال28. هذه اللبادات نانوثيرميتي تتكون من الألياف مع أقطار مقياس ميكرومتر الفرعية، التي بداهة غير المسامية. في هذه المواد، ويحددها المسامية تشابك الألياف. عينات نانوثيرميتي حرق الحصير ببطء (0.06-1.06 m/s) مقارنة بخلائط Al/CuO نانو الحجم نقية في حالة مسحوق فضفاض، التي تروج جبهة اللهب سرعة عدة مئات m/s29. وأخيراً، استخدام النيتروسليلوز موثق نانوثيرميتيس ليست مثالية، لأنها إلى حد كبير يزيد من حساسيتها الحرارية ويغير استقرارها الكيميائية الطويلة الأجل.
أغشية نانوثيرميتيس أعدها يانغ وآخرون من مجمع هرمية منو2/SnO2 هيتيروستروكتوريس مختلطة مع جسيمات نانوية ال6. في هذه المواد، قد المرحلة أكسيد مورفولوجية محددة جداً، التي تغطيها منو2 نانو-أسلاك سنو2 الفروع. بسبب هيكلها خاصة جداً، أكسيد الفخاخ جسيمات نانوية، بل يضمن أيضا المقاومة الميكانيكية للغشاء.عملية إعداد منو2/SnO2/Al الأغشية بسيط جداً؛ وهو يتألف من تصفية نانوثيرميتي الواردة في السائل الذي قد أعد، باستخدام الكعكة الترشيح كغشاء.
لتلخيص، نانوثيرميتي فقط هي الأشياء المذكورة في الكتابات العلمية على الودائع على ركائز، أو أيروجيلس، أو الحصير. فكرة إعداد نانوثيرميتيس في شكل المواد الرغوية الصلبة يفتح آفاقاً جديدة لإدماج هذه المواد النشطة في أنظمة الألعاب النارية الفنية. عملية الإرغاء ذكرت في هذه المادة بسيط لأداء ويمكن تطبيقها عمليا على نانوثيرميتي أي استعداد من الألومنيوم نانوبوودير. أن عامل الإرغاء حمض أورثوفوسفوريك (ح3ص4)، مادة كيميائية شائعة وغير مكلفة وغير سامة، الذي يتفاعل مع نانو-شركة الأسمنت (البو4) والغازات (ح2، ح2س بخار) التي تخلق المسامية 1من المواد. فوسفات الألومنيوم مستقر خاصة في ارتفاع درجات الحرارة، تتعارض مع موثقات العضوية مثل البوليمرات الحيوية (النيتروسليلوز). ومع ذلك، البو4 يتصرف مؤكسد اتجاه القاعدة نانو في درجة حرارة عالية، وفقا لمفهوم “المتفجرات السلبية” التي اقترحها شيميزو30.
Protocol
Representative Results
Discussion
يجب إجراء عملية خلط مساحيق النانو مع حمض وإغلاق قاعة الانفجار بسرعة، لأسباب تتعلق بالسلامة. تأخر رد الفعل قد تختلف إلى حد ما (1-10 دقيقة)، تبعاً للظروف التجريبية. هو تقصير عند درجة حرارة الغرفة مرتفعة للغاية أو بوجود مصادر التدفئة الخارجية مثل الضوء، الذي يمكن أن يسبب التنشيط المبكر لرد فعل ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلف يود أن يشكر المصورين ISL، إيف صوما وبويرير يانيك، لصور عينات والمراقبة عن طريق الفيديو عالية السرعة للتوليف واحتراق الرغاوي نانوثيرميتي. أنها أيضا يود أن يعرب عن امتنانهم لزميلهم الدكتور فنسنت Pichot من مختبر NS3E لتوصيف المواد من حيود الأشعة السينية.
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 |
References
- Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
- Lafontaine, E., Comet, M. . Nanothermites. , (2016).
- Comet, M., et al. Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material. J. Nanopart. Res. 13 (5), 1961-1969 (2011).
- Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36 (1), 80-87 (2011).
- Tillotson, T. M., Gash, A. E., Simpson, R. L., Hrubesh, L. W., Satcher, J. H., Poco, J. F. Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies. J. Non-Cryst. Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
- Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52 (16), 9449-9455 (2013).
- Prentice, D., Pantoya, M. L., Gash, A. E. Combustion Wave Speeds of Sol-Gel-Synthesized Tungsten Trioxide and Nano-Aluminum: The Effect of Impurities on Flame Propagation. Energ. Fuel. 20 (6), 2370-2376 (2006).
- Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion velocities and propagation mechanisms of metastable interstitial composites. Appl. Phys. Lett. 98, 064903 (2005).
- Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
- Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
- Martirosyan, K. S., Wang, L., Vicent, A., Luss, D. Synthesis and performances of bismuth trioxide nanoparticles for high energy gas generator use. Nanotechnology. 20 (8), 405609 (2009).
- Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3 (2), 253-255 (2003).
- Wu, C., Sullivan, K., Chowdhury, S., Jian, G., Zhou, L., Zachariah, M. R. Encapsulation of Perchlorate Salts within Metal Oxides for Application as Nanoenergetic Oxidizers. Adv. Funct. Mater. 22 (1), 78-85 (2012).
- Sullivan, K. T., Piekiel, N. W., Chowdhury, S., Wu, C., Zachariah, M. R., Johnson, C. E. Ignition and Combustion Characteristics of Nanoscale Al/AgIO3: A Potential Energetic Biocidal System. Combust. Sci. Technol. 183 (3), 285-302 (2010).
- Wang, H., Jian, G., Zhou, W., Delisio, J. B., Lee, V. T., Zachariah, M. R. Metal iodate-based energetic composites and their combustion and biocidal performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (31), 17363-17370 (2015).
- Jian, G., Feng, J., Jacob, R. J., Egan, G. C., Zachariah, M. R. Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (37), 9743-9746 (2013).
- Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (15), 4458-4462 (2015).
- Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites. J. Mater. Chem. A. 3 (22), 11838-11846 (2015).
- Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3. Thermochim. Acta. 444 (2), 117-127 (2006).
- Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. F., Pantoya, M. Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites. Appl. Phys. Lett. 89, 071909 (2006).
- Park, E. -. J., Kim, H., Kim, Y., Choi, K. Repeated-dose toxicity attributed to aluminum nanoparticles following 28-day oral administration, particularly on gene expression in mouse brain. Toxicol. Environ. Chem. 93 (1), 120-133 (2011).
- Walter, K. C., Aumann, C. E., Carpenter, R. D., O’Neill, E. H., Pesiri, D. R. Energetic materials development at technanogy materials development. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 800, 27-37 (2004).
- Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. , (2017).
- Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
- Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites. J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).
- Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. P. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry. J. Appl. Phys. 94 (5), 2915-2922 (2003).
- Gash, A. E., Tillotson, T. M., Satcher, J. H., Poco, J. F., Hrubesh, L. W., Simpson, R. L. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13 (3), 999-1007 (2001).
- Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
- Puszynski, J. A., Groven, L. J., Altavilla, C., Ciliberto, E. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. , (2011).
- Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. , (1986).
- Molkov, V. . Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, (2012).
- Comet, M., Martin, C., Klaumünzer, M., Schnell, F., Spitzer, D. Energetic nanocomposites for detonation initiation in high explosives without primary explosives. Appl. Phys. Lett. 107, 243108 (2015).
