硬脂酸包覆納米鋁粉燃燒特性

硬I脂酸包覆納米鋁粉燃燒特性堵同寬;朱寶忠;李浩;劉永午;孫運(yùn)蘭【摘要】通過(guò)控制變量法，采用自行設(shè)計(jì)的可視化管式爐對(duì)包覆納米鋁粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究硬脂酸包覆比例對(duì)納米鋁粉抗氧化性和燃燒性能的影響，同時(shí)采用掃描電鏡和能譜分析技術(shù)對(duì)純鋁粉、包覆鋁粉及其樣品燃燒產(chǎn)物的形貌與成分進(jìn)行分析.結(jié)果表明:納米鋁粉包覆后鋁顆粒分散更均勻，有效保持了活性鋁粉含量，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了9.62%;在氧化劑相同的條件下，硬脂酸包覆的納米鋁粉比未包覆的納米鋁粉燃燒充分，并且包覆比例以m（硬脂酸）：m（鋁）為1:3的樣品效果最好燃燒產(chǎn)物中氧化鋁含量最高，燃燒最充分.【期刊名稱(chēng)】《安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年（卷），期】2016（033）001【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)（P23-27）【關(guān)鍵詞】納米鋁粉;包覆;硬脂酸;燃燒特性【作者】堵同寬;朱寶忠;李浩;劉永午;孫運(yùn)蘭【作者單位】安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002;安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002;安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002;安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002;安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TB174.46納米鋁粉因具有原料來(lái)源多［1-2］、小尺寸效應(yīng)及高反應(yīng)活性等優(yōu)良性能而廣泛應(yīng)用于炸藥、武器彈藥［3］等領(lǐng)域。在含能燃料中添加納米鋁粉可以提高燃速，降低壓強(qiáng)指數(shù)，因此納米鋁粉也被用作火箭推進(jìn)劑中的添加劑［4-7］。但較高的活性使納米鋁粉在儲(chǔ)存過(guò)程中易與環(huán)境中的酸、堿、氧氣、水進(jìn)行反應(yīng)，降低活性鋁含量，又影響其化學(xué)性能［8-9］。因此，如何保持納米鋁粉的活性是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。為保持納米鋁粉的活性，國(guó)內(nèi)夕卜研究者采用不同種類(lèi)的包覆劑對(duì)納米鋁粉進(jìn)行包覆處理，主要有碳包覆、金屬包覆、聚合物包覆等。如張小塔等［10］采用碳包覆納米鋁粒子，經(jīng)包覆處理的鋁粒子發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)的溫度降低；程志鵬等［11］采用金屬鎳包覆納米鋁粒子，包覆處理促進(jìn)了鋁粉的氧化；Kiehl等［12］采用丙烯酸等單體聚合包覆超細(xì)片狀鋁粉，包覆處理的鋁粉對(duì)酸堿的抵抗能力提高，其化學(xué)穩(wěn)定性及電阻和物理吸附能力均得到增強(qiáng)。但是一些特殊的包覆工藝生產(chǎn)成本較高、程序復(fù)雜，且會(huì)使納米鋁粉放熱不集中，降低能量釋放率。因此，盡可能選擇工藝簡(jiǎn)單并且可燃的包覆材料。硬脂酸是一種有機(jī)物，易于燃燒，用其包覆納米鋁粉工藝簡(jiǎn)單?；诖?，文中采用硬脂酸包覆納米鋁粉，研究包覆比例對(duì)納米鋁粉燃燒特性的影響，以期提高納米鋁粉的抗氧化性，得到保持高活性鋁含量的納米鋁粉。1.1材料與樣品制備納米鋁粉，平均粒度為100nm，購(gòu)于徐州宏武納米材料有限公司；硬脂酸(C18H36O2)和乙醇，均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。按照硬脂酸和鋁粉質(zhì)量比為1:1,1:2和1:3的比例，稱(chēng)取一定量硬脂酸與納米鋁粉。用乙醇作為溶劑，將硬脂酸溶解于無(wú)水乙醇，攪拌1h，使硬脂酸完全溶解。然后將一定量的納米鋁粉加入硬脂酸溶液中，再攪拌3h，直至溶液充分混合。將充分混合的溶液放在烘箱中常溫烘干，乙醇易揮發(fā)，烘干后得到硬脂酸包覆的納米鋁粉。為使納米鋁粉充分燃燒，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%雙氧水的水溶液作為鋁粉反應(yīng)的氧化劑。稱(chēng)取雙氧水溶液1g、硬脂酸包覆鋁粉1g，并添加少量無(wú)水乙醇充分混合均勻后制成一定形狀的樣品，放入冷凍箱中在-40°C下冷凍至固體樣品。樣品組分如表1。1.2實(shí)驗(yàn)方法采用自行設(shè)計(jì)的如圖1所示的可視化管式爐裝置對(duì)包覆納米鋁粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)流量計(jì)開(kāi)關(guān)通入水蒸氣，待管內(nèi)空氣排盡時(shí)，將包覆樣品放入樣品盤(pán)，且快速送入石英管中燃燒。將熱電偶埋入樣品中并連接計(jì)算機(jī)記錄樣品燃燒過(guò)程的溫度變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)管內(nèi)加熱絲溫度設(shè)置為600C。采用JSM-6510LV掃描電子顯微鏡（SEM）和INCA-FEATUREX-MAX20能譜儀對(duì)純鋁粉、包覆的鋁粉以及樣品的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行分析。2.1包覆比例對(duì)納米鋁粉燃料燃燒特性的影響樣品燃燒過(guò)程中典型時(shí)刻的火焰形貌如圖2。由圖2可知，整個(gè)燃燒過(guò)程分為兩個(gè)階段，融化沸騰階段和燃燒階段。最初階段為融化沸騰過(guò)程，樣品從固體狀態(tài)開(kāi)始融化并沸騰，其中添加的水分蒸發(fā)，雙氧水分解失放出水和氧氣，使樣品產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。融化沸騰階段之后，即為燃燒階段，鋁粉達(dá)到著火點(diǎn)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)開(kāi)始燃燒。由圖2還可看出，不同包覆比的樣品燃燒現(xiàn)象均不相同。樣品s-1燃燒時(shí)間短而且火焰明亮，這是因?yàn)闃悠穝-1中鋁粉未經(jīng)包覆處理，相同質(zhì)量的樣品中鋁粉含量多。但是樣品s-1局部有未燃燼的樣品存在，這是燃面?zhèn)鞑ヌ焖隆ｄX粉經(jīng)包覆后，如樣品s-2,s-3和s-4由于包覆材料硬脂酸占一定的比例，在相同質(zhì)量的樣品中鋁粉含量比未經(jīng)包覆處理的樣品少，所以燃燒時(shí)火焰亮度減弱。另外，隨硬脂酸包覆比例的降低，燃燒火焰亮度增強(qiáng)，硬脂酸含量最少的樣品s-4,燃燒火焰最明亮，燃燒最劇烈，同時(shí)能夠充分燃燒，說(shuō)明采用含量較少的硬脂酸包覆納米鋁粉保持了鋁粉的活性，因此燃燒劇烈。雖然包覆納米鋁粉使鋁粉顆粒之間接觸減少，降低了納米鋁粉在儲(chǔ)存中的損失，但是包覆劑在鋁粉顆粒之間的摻雜會(huì)使鋁粉在燃燒時(shí)集中放熱稍有變差，宏觀燃燒特性發(fā)生一些改變。2.2燃燒產(chǎn)物分析圖3為純鋁粉和包覆鋁粉及其燃燒產(chǎn)物的掃描電鏡圖。由圖3（a），（b）可以看出：純鋁粉中產(chǎn)物呈現(xiàn)一些大小不均勻的球形顆粒狀；經(jīng)包覆處理后，納米鋁粉分布相對(duì)均勻。表2為納米鋁粉和包覆納米鋁粉的能譜分析結(jié)果。假設(shè)鋁完全被氧化成Al2O3,則氧原子（O）與鋁原子（Al）的原子個(gè)數(shù)之比為3:2,即1.5。如果氧原子與鋁原子的個(gè)數(shù)之比大于1.5，則主要成分為A12O3；如果氧原子與鋁原子的個(gè)數(shù)之比小于1.5，則說(shuō)明含有未氧化單質(zhì)A1，比值越小，單質(zhì)A1含量越高。由表2可知，納米鋁粉中原子個(gè)數(shù)之比為0.41,而包覆的納米鋁粉為0.19，包覆的納米鋁粉單質(zhì)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.05%，比未包覆的納米鋁粉鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出9.62%，這說(shuō)明硬脂酸的包覆阻斷了外界環(huán)境與納米鋁粉的接觸，保持了納米鋁粉的高活性，保護(hù)了納米鋁粉不被氧化。由圖3（c）,（d）可得：純鋁粉和包覆鋁粉燃燒后產(chǎn)物的表面形貌有很大不同，純鋁粉燃燒產(chǎn)物呈塊狀，表面有很多絮狀物；與樣品s-1燃燒產(chǎn)物不同的是，樣品s-4燃燒產(chǎn)物表面有很多孔洞，大小不一，這些孔洞由包覆材料硬脂酸的分解形成，可以增大樣品與水蒸氣的接觸面積，使鋁粉反應(yīng)更加充分。表3為樣品s-1,s-4燃燒產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果。由表3可知：樣品s-1燃燒產(chǎn)物中氧原子與鋁原子的原子個(gè)數(shù)之比為0.95，小于1.5，說(shuō)明樣品燃燒并不充分，有部分鋁殘留；樣品s-4燃燒產(chǎn)物中氧原子與鋁原子的原子個(gè)數(shù)之比是1.49，接近1.5，產(chǎn)物大部分為A12O3，包覆的納米鋁粉燃燒產(chǎn)物的氧含量比純鋁粉燃燒產(chǎn)物高，表明納米鋁粉經(jīng)過(guò)硬脂酸包覆處理，不僅保持了納米鋁粉的活性，而且鋁粉燃燒更充分。1)經(jīng)硬脂酸包覆的納米鋁粉比未包覆的納米鋁粉燃燒充分，其中以硬脂酸與Al的質(zhì)量比為1:3包覆的樣品燃燒最為劇烈。2)硬脂酸對(duì)納米鋁粉的包覆提高了納米鋁粉的活性，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)從80.43%提高到90.05%。3)包覆納米鋁粉樣品的燃燒產(chǎn)物含更多的氧化鋁，燃燒更充分。包覆的納米鋁粉表面有明顯的孔洞，這些孔洞增大了燃料與氧化劑的接觸面積，有利于燃燒。【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]孟天財(cái).含鋁燃料空氣混合物爆轟性能研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(1):64-69.[2]王雪松，興超，潘峰，等.硅鋁溶膠結(jié)合劑對(duì)鋼包耐火澆注料性能的影響[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,30(4):365-367.[3]趙鳳起，覃光明，蔡炳源.納米材料在火炸藥中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].火箭炸藥學(xué)報(bào)，2001,24(4):61-65.[4]盧勇.高含鋁炸藥能量釋放規(guī)律及表征[D].南京：南京理工大學(xué)，2014:38-44.[5]安亭，趙鳳起，肖立柏.高反應(yīng)活性納米含能材料的研究進(jìn)展[J].含能材料，2010,33(3):55-67.[6]李淑芬，金樂(lè)驥.鋁粉粒度對(duì)含鋁推進(jìn)劑燃燒特性的影響[J].含能材料，1996,4(2):68-74.[7]JAYARAMANK,ANANDKV,DAVIDS,etal.Bhattproduction,characterization,andcombustionofnanoaluminumincompositesolidpropellants[J].JournalofPropulsionandPower,2009,25(2):471-481.[8]王建軍，宋武林，郭連貴，等.表面鈍化納米鋁粉的制備及氧化機(jī)理分析[J].表面技術(shù)，2008,37:42-44.[9]王輝.煙火藥劑用鋁粉鈍化實(shí)驗(yàn)及性能研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012,34(4):128-131.[10]張小塔，宋武林，郭連貴，等.激光-感應(yīn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