Nanothermite con merengue-como morfología: de polvo suelto a objetos ultra porosos
Summary
Este manuscrito describe la síntesis de matrices de combustible aluminophosphate por la reacción de ácido ortofosfórico (H3PO4) con aluminio nanopolvos. Cuando esta reacción se lleva a cabo con exceso de aluminio en presencia de nanopolvos de trióxido de tungsteno, conduce a una espuma sólida, porosa nanothermite.
Abstract
El objetivo del protocolo descrito en este artículo es preparar composiciones aluminotérmica (nanothermites) en forma de objetos porosas, monolíticas. Nanothermites son materiales combustibles de inorgánico combustible y un oxidante. En espumas de nanothermite, el aluminio es el combustible y el aluminio trióxido fosfato y tungsteno son las moléculas oxidantes. Las más altas velocidades de propagación llama (FPVs) en nanothermites se observan en los polvos sueltos y FPVs están fuertemente disminuida por nanothermite polvos de la granulación. Desde un punto de vista físico, nanothermite polvos sueltos son sistemas metaestables. Sus propiedades pueden ser alteradas por compactación involuntaria inducida por choques o vibraciones o por la segregación de partículas en el tiempo por asentamiento de fenómenos, que origina las diferencias de densidad de sus componentes. Pasar de un polvo a un objeto es el reto que debe superar para integrar nanothermites en sistemas pirotécnicos. Nanothermite los objetos deben tener una porosidad abierta alta y buena resistencia mecánica. Nanothermite espumas cumplir dos de estos criterios, y se preparan dispersando una mezcla aluminotérmica de tamaño nanométrico (WO/Al3) en ácido ortofosfórico. La reacción del aluminio con la solución ácida da el AlPO4 “cemento” en que Al y ay3 nanopartículas están integradas. En espumas de nanothermite, fosfato de aluminio desempeña la doble función de aglutinante y oxidante. Este método puede utilizarse con trióxido de tungsteno, que no se altera con el proceso de preparación. Probablemente podría extenderse a algunos óxidos, que son usados comúnmente para la preparación de nanothermites de alto rendimiento. El WO3-espumas nanothermite según se describe en este artículo son particularmente insensibles a impacto y fricción, que los hace mucho más seguros manejar que suelta Al/WO3 polvo. La rápida combustión de estos materiales tiene interesantes aplicaciones en encendedores pyrotechnic. Su uso en detonadores como cartillas requeriría la incorporación de un explosivo secundario en su composición.
Introduction
Este artículo divulga sobre un método para la transformación de mezclas aluminotérmica de tamaño nanométrico (WO/Al3) de un estado de polvo suelto a espumas1. Nanothermites están rápidamente quema energéticas composiciones, que se elaboran más frecuentemente por la mezcla física de una óxido metálica/de sal con un metal reductor, en forma de nanopolvos2. Los óxidos más representativos utilizados para preparar nanothermites son Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 y Bi2O310,11, mientras que las sales metálicas empleadas son percloratos12,13iodates14,15, peryodatos16,17 o persulfatos18los sulfatos. Aluminio nanopolvos es la mejor opción como combustible para nanothermites debido a sus numerosas propiedades deseables, tales como una alta oxidación calor (10-25 kJ/g)19, rápida reacción cinética20, baja toxicidad21, y una feria grado de estabilidad una vez que ha sido exactamente había apaciguado22.
En base Al nanothermites, el frente de llama se propaga a velocidades altas (0,1 – 2,5 km/s), pero esto, sin embargo, no se considera como detonación23. El mecanismo de reacción es conducido realmente por la convección de gases calientes en la porosidad del material no reaccionado. En otras palabras, la porosidad es esencial para la rápida quema de nanothermites. Sin embargo, nanothermite suelta polvo no es estable desde un punto de vista físico. Se compactan por choques o vibraciones, y su componente más densa (generalmente el óxido) se separa progresivamente de la composición por el efecto de la gravedad. La estabilización de la porosidad de nanothermite es un reto crucial para su integración en futuros sistemas pirotécnicos.
La principal ventaja del proceso de preparación que se describe a continuación es darle nanothermite altamente porosos, sólidos, monolitos, que pueden ser formados por el moldeado de la pasta de la que forman. Además, nanothermite las espumas son absolutamente insensibles a los golpes, fricción y electrostáticas, en comparación con polvos sueltos de nanothermite. Esta insensibilidad hace particularmente seguro de manejar y la máquina, por ejemplo por corte o perforación.
Polvos sueltos nanothermite presionados o granulados, disminuye su porosidad y objetos se forman. La cohesión de los materiales origina las fuerzas de superficie, que son responsables de la agregación de las nanopartículas. Puede mejorar la resistencia mecánica de los pellets de nanothermite en presencia de nano-fibras de carbono, que actúan como un marco para reforzar estos objetos24. Por desgracia, presionando fuertemente disminuye la reactividad de nanothermites. Según Prentice et al., la pulsación de nano-Al/nano-WO3 composiciones induce un colapso de su velocidad de reacción por dos órdenes de magnitud7. En conclusión, contrariamente a la mayoría de explosivos, nanothermites no puede ser en forma presionando.
Hasta la fecha, muy pocos métodos para estructurar los nanothermites se han divulgado en la literatura científica ocuparse nanothermites. Nanothermites pueden ser depositados sobre sustratos, ya sea de los polvos de sus componentes dispersadas en un medio líquido por electroforesis25o por el chisporroteo de sus componentes en sucesivas capas26. Ambos métodos conducen a depósitos densos, que son menos reactivos que los polvos sueltos y tienden a delaminate del substrato en el cual se preparan.
La preparación de objetos “tridimensionales” compuesto por nanothermite fue propuesta por Tillotson et al. 5, que utiliza la síntesis de sol gel desarrollada por Gash et al. que consta de gelificación soluciones de sales metálicas en epóxidos27. Monolitos de Nanothermite preparan dispersando Al nanopolvos en el sol, antes de gelificar. Posteriormente, los geles se secan en una cámara de calor para producir xerogeles o por un proceso complejo que involucra el uso de supercrítico de CO2 para obtener aerogels. Aerogeles de Nanothermite no sólo tienen reactividad fuerte pero pueden también trabajar a máquina debido a sus excelentes propiedades mecánicas. Además, el proceso sol-gel permite sintetizar materiales micro y mesoporosos con un inigualable grado de homogeneidad entre el combustible (Al) y el óxido en la mezcla. A pesar de estas interesantes características, el uso del proceso sol-gel está limitado por: (i) la complejidad de la síntesis de la hornada, que depende de numerosos parámetros; (ii) la presencia inevitable de los subproductos de la síntesis (impurezas) en el material final y (iii) el tiempo necesitado por los diferentes pasos del proceso.
Combustibles esteras de nanothermite se prepararon por electrospinning de nitrocelulosa (carpeta) de soluciones cargadas con nanopartículas de Al y CuO28. Estos fieltros nanothermite están compuestos de fibras con diámetros de escala secundario-micrómetro, que son a priori no porosa. En estos materiales, la porosidad se define por el entrelazamiento de las fibras. Las muestras de nanothermite alfombras quema lentamente (0.06 – 1.06 m/s) comparado con mezclas de Al/CuO tamaño nanométrico puros en estado de polvo suelto, en el que el frente de llama se propaga a una velocidad de varios cientos de m/s29. Por último, el uso de celulosa como aglutinante para nanothermites no es ideal, porque aumenta su sensibilidad térmica considerablemente y altera su estabilidad química a largo plazo.
Membranas de nanothermites se prepararon por Yang et al. de complejo jerárquico MnO2/SnO2 heteroestructuras mezclado con nanopartículas de Al6. En estos materiales, la fase de óxido tiene una morfología muy específica, en los que MnO2 nano-cables están cubiertos por SnO2 ramas. Debido a su estructura muy particular, el óxido no sólo atrapa Al nanopartículas, sino que también asegura la resistencia mecánica de la membrana.El proceso de preparación de MnO2/SnO2/Al membranas es muy sencillo; se trata de lo nanothermite contenido en el líquido en el que se ha elaborado, utilizando la torta de filtración como una membrana de filtración.
Para resumir, el nanothermite sólo objetos mencionados en la literatura científica son depósitos en sustratos, aerogeles o esteras. La idea de preparar nanothermites en forma de espumas sólidas abre nuevos horizontes para la integración de estos materiales energéticos en sistemas funcionales de la pirotecnia. El proceso que hace espuma en este artículo es fácil de realizar y puede aplicarse virtualmente a cualquier nanothermite de aluminio nanopolvos. El agente espumante es el ácido ortofosfórico (H3PO4), un químico común, barato y no tóxico, que reacciona con el nano-Al dar el cemento (AlPO4) y los gases (H2, H2O vapor) que crean la porosidad de la material1. Fosfato de aluminio es particularmente estable a altas temperaturas, al contrario de aglutinantes orgánicos como los polímeros energéticos (nitrocelulosa). Sin embargo, AlPO4 se comporta como un oxidante hacia nano-a alta temperatura, según el concepto de “explosivos negativo” propuesta por Shimizu30.
Protocol
Representative Results
Discussion
El proceso de mezcla de nanopolvos con ácido y el cierre de la cámara de explosión deben realizarse rápidamente, por razones de seguridad. El retardo de reacción puede variar hasta cierto punto (1-10 min), dependiendo de las condiciones experimentales. Se acorta cuando la temperatura es demasiado alta o en presencia de fuente de calor externa como un foco, que puede causar la activación temprana de la reacción de formación de espuma. Por el contrario, se incrementa cuando la temperatura ambiente es baja. En el ca…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a los fotógrafos de ISL, Yves Suma y Yannick Boehrer, para las fotos de muestras y para la observación por video de alta velocidad de la síntesis y la combustión de espumas de nanothermite. También les gustaría expresar su agradecimiento a su colega el Dr. Vincent Pichot de NS3E laboratorio para la caracterización de los materiales por difracción de rayos x.
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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