CN114751798A - 一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法 - Google Patents

一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明中公开了一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法，包括以下步骤：将微/纳铝粉分散于有机溶剂中，得到微/纳铝粉分散液；称取富氟氧化性粘结剂悬浮于分散溶剂中，再加入上述微/纳铝粉分散液，搅拌后抽滤，用无水乙醇冲洗，烘干后制得氟化改性的球形微/纳铝粉。本发明在微/纳铝粉体系内引进富氟氧化性粘结剂，与无定形惰性壳层Al2O3氟化反应，在降低铝粉点火温度的基础上，提高微/纳铝粉在氧化反应阶段的参与度，加深氧化深度、促进反应放热，提高燃烧效率；同时能够实现“核‑壳”结构的完全包覆，致密度好，不易脱落，从而显著改善微/纳铝粉在使用过程中易团聚、难分散的问题；而且整个制备方法简单、操作安全，适于工业化生产。

Description

一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法
技术领域
本发明涉及化工材料技术领域，具体涉及一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法。
背景技术
目前在混合***中加入适量金属可燃剂能够促进反应，是提高混合***性能的重要途径之一。铝粉作为常用的高热值金属可燃剂，在混合***、推进剂等领域中被广泛地应用。微米尺寸铝粉的燃烧过程主要经过了氧化层增厚、铝核熔化、氧化层熔融、液态铝燃烧、氧化层壳破裂、铝蒸汽猛烈燃烧(氧化铝汽化)直至铝粒子消耗殆尽等阶段。然而，微米铝粉表面存在一层致密的氧化膜，典型的“核—壳”结构，但Al2O3熔点高达2072℃，使得微米尺寸的铝粉颗粒难以点燃，从而产生诸如点火延迟、不完全燃烧等问题。为了克服微米铝粉颗粒在燃烧过程中的上述挑战，除了制备高性能改性纳米铝粉、铝基活性复合材料，开展氟化铝粉研究也是解决问题最有效的途径之一。
在传统的燃烧理论中，铝粉通过燃烧反应生成的Al2O3会形成致密的惰性层覆盖在铝粉表面，抑制氧化性气体在铝粉中的扩散，进而影响铝粉的氧化深度。但富氟氧化性粘结剂能与Al2O3惰性壳层氟化生成β-AlF3，产生“预点火反应”现象，可降低铝粉的点火温度，并保持高活性铝含量和高能量释放特性；同时β-AlF3升华温度(1276℃)低于铝粉的燃烧温度，不会阻碍铝粉的氧化历程。其次，氟铝氧化(56.10MJ/kg)的能量密度比铝氧(30.98MJ/kg)高约2倍，通过富氟氧化性粘结剂包覆球形微/纳铝粉可加深氧化深度、促进反应放热。
聚四氟乙烯(PTFE)由单体四氟乙烯通过自由基聚合得到，含氟量高达76％、能量密度21kJ·cm-3，因此常被用作富氟氧化性粘结剂以包覆微/纳铝粉。但PTFE包覆微/纳铝粉因操作性、复杂性受到限制，其次PTFE作为包覆材料容易脱粘，无法实现“核—壳”结构包覆。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的微/纳米铝粉在燃烧过程中的点火延迟、不完全燃烧的问题，提供一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法，包括以下步骤：
S1、将微/纳铝粉分散于有机溶剂中，得到微/纳铝粉分散液；
S2、称取富氟氧化性粘结剂悬浮于分散溶剂中，再加入S1中的微/纳铝粉分散液，搅拌后抽滤，用无水乙醇冲洗，烘干后制得氟化改性微/纳铝粉。
优选地，所述S1中的微/纳铝粉为特细球形纳米铝粉、FLQT2、FLQT3、FLQT4、FLQT5特细球形微米铝粉中的一种。
优选地，所述S1中有机溶剂为无水乙醇或***。
优选地，所述S1中微/纳铝粉与有机溶剂的比例为1g：3mL～1g：6mL。
优选地，所述S2中称取富氟氧化性粘结剂的质量为微/纳铝粉质量的2.5％～10.0％。
优选地，所述S2中富氟氧化性粘结剂为全氟聚醚、氟橡胶或聚偏氟乙烯中的一种。
进一步优选，所述S2中分散溶剂为1,1,2-三氟三氯乙烷或乙酸乙酯。
进一步优选，所述S2中搅拌时间为45～60min，转速为400～800rpm。
进一步优选，所述S2中烘干温度为50～60℃。
本发明同时提供了上述制备方法得到的氟化改性球形微/纳铝粉。
本发明所具有的有益效果：
一)本发明在微/纳米铝粉体系内引进富氟氧化性粘结剂(全氟聚醚、氟橡胶或聚偏氟乙烯)，与无定形惰性壳层Al2O3氟化反应，在降低铝粉点火温度的基础上，提高微/纳米铝粉在氧化反应阶段的参与度；在保持高活性铝含量和高能量释放特性的同时，因“预点火反应”现象可加深氧化深度、促进反应放热，提高燃烧效率。
二)本发明的制备方法能够实现“核—壳”结构的完全包覆，致密度好，不易脱落，从而显著改善微/纳米铝粉在使用过程中易团聚、难分散的问题；而且整个制备方法简单、操作安全，适于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中全氟聚醚(
Figure BDA0003584501950000031
Y 25PFPE)包覆前后特细球形纳米铝粉的TEM图(1-a和1-b为包覆前；1-c和1-d为包覆后)；
图2为实施例1中全氟聚醚(
Figure BDA0003584501950000032
Y 25PFPE)包覆特细球形纳米铝粉的EDS图(2-e为铝元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；2-f为氧元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；2-g为氟元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；2-h为铝、氧、氟元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布)；
图3为实施例1中全氟聚醚(
Figure BDA0003584501950000033
Y 25PFPE)包覆特细球形纳米铝粉的P-t曲线图；
图4为实施例1中全氟聚醚(
Figure BDA0003584501950000034
Y 25PFPE)包覆特细球形纳米铝粉的增压速率对比情况图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将10g特细球形纳米铝粉分散于30ml无水乙醇溶剂中，超声分散30min，制得特细球形纳米铝粉分散液；将60mL的含氟溶剂1,1,2-三氟三氯乙烷加至烧杯中，称量0.25g全氟聚醚(
Figure BDA0003584501950000041
Y 25PFPE)，悬浮在1,1,2-三氟三氯乙烷中，加入特细球形纳米铝粉分散液；开启磁力搅拌，转速控制在600±10rpm，45min后抽滤，用无水乙醇冲洗3次，然后置于60℃烘箱内，直至溶剂完全蒸发(约24h)，制得全氟聚醚氟化改性纳米铝粉。
本实施例制备的全氟聚醚氟化改性纳米铝粉的TEM照片详见附图1，附图1-b显示包覆前纳米铝粉的最大壳层厚度为3.82mm；附图1-d显示包覆后纳米铝粉的最小壳层厚度为3.94mm；同时1-a和1-c显示，相对于包覆前的纳米铝粉，包覆后的纳米铝粉并没有出现明显团聚现象，致密度好。
本实施例制备的全氟聚醚氟化改性纳米铝粉的EDS照片详见附图2；图2-e为铝元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；图2-f为氧元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；图2-g为氟元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布；图2-h为铝、氧、氟元素在单个PFPE包覆纳米铝粉颗粒的元素分布。附图2证明通过溶剂悬浮法可在纳米铝粉体系内引进富氟氧化性粘结剂PFPE，能够实现“核-壳”结构的完全包覆。
本实施例制备的全氟聚醚氟化改性纳米铝粉的P-t曲线详见附图3；从附图3中可以看出PFPE包覆后的纳米铝粉在定容燃烧装置中的最大压力大于包覆前的纳米铝粉，PFPE可加深氧化深度、促进反应放热，提高燃烧效率；同时添加不同比例的PFPE可实现反应调控。
本实施例制备的全氟聚醚氟化改性纳米铝粉的增压速率对比情况详见附图4；从附图4中可以看出，PFPE包覆后的纳米铝粉在定容燃烧装置中的最大增压速率大于包覆前的纳米铝粉，PFPE可加深氧化深度、促进反应放热，提高燃烧效率，同时增压速率随着PFPE的加入量呈现正相关。
实施例2
将10g FLQT2特细球形微米铝粉分散于30ml无水乙醇溶剂中，超声分散30min，制得FLQT2特细球形微米铝粉分散液；将60mL的乙酸乙酯加至烧杯中，称量0.5g氟橡胶F2603，待氟橡胶F2603完全溶解于乙酸乙酯后，加入FLQT2特细球形微米铝粉分散液；开启磁力搅拌，转速控制在600±10rpm，60min后抽滤，用无水乙醇冲洗3次；然后置于60℃烘箱内，直至溶剂完全蒸发(约24h)，即制得氟化改性微米铝粉。
实施例3
将10g FLQT5特细球形微米铝粉分散于30ml无水乙醇溶剂中，超声分散30min，制得FLQT5特细球形微米铝粉分散液；将60mL的乙酸乙酯加至烧杯中，称量0.75g聚偏氟乙烯，待聚偏氟乙烯完全溶解于乙酸乙酯后，加入FLQT5特细球形微米铝粉分散液；开启磁力搅拌，转速控制在800±10rpm，45min后抽滤，用无水乙醇冲洗3次；然后置于60℃烘箱内，直至溶剂完全蒸发(约24h)，即制得氟化改性微米铝粉。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氟化改性球形微/纳铝粉的溶剂悬浮制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将微/纳铝粉分散于有机溶剂中，得到微/纳铝粉分散液；
S2、称取富氟氧化性粘结剂悬浮于分散溶剂中，再加入S1中的微/纳铝粉分散液，搅拌后抽滤，用无水乙醇冲洗，烘干后制得氟化改性微/纳铝粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1中的微/纳铝粉为特细球形纳米铝粉、FLQT2、FLQT3、FLQT4、FLQT5特细球形微米铝粉中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1中有机溶剂为无水乙醇或***。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1中微/纳铝粉与有机溶剂的比例为1g：3mL～1g：6mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中称取富氟氧化性粘结剂的质量为微/纳铝粉质量的2.5％～10.0％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中富氟氧化性粘结剂为全氟聚醚、氟橡胶或聚偏氟乙烯中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中分散溶剂为1,1,2-三氟三氯乙烷或乙酸乙酯。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中搅拌时间为45～60min，转速为400～800rpm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中烘干温度为50～60℃。
10.一种氟化改性球形微/纳铝粉，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法得到的氟化改性球形微/纳铝粉。
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