專利名稱：一種納米鎳包鋁粉及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米鎳包鋁粉及其制備方法。
背景技術：
球形鋁粉在冶金化工、燃料、炸藥、脫氧劑、農藥等方面都有廣泛的用途。球形鋁粉在固體燃料推進劑中廣泛的用作含能燃料。但是在固體燃料推進劑中加入球形鋁粉、氧化劑和助燃劑，往往燃燒不完全，燃燒后的殘渣中還有部分活性鋁，主要是由于在球形鋁粉表面上形成的一薄層致密的氧化鋁層對燃燒具有不利的影響，造成其燃燒效率低。
納米鎳粉是指顆粒度小于100納米的鎳粉。納米鎳粉的顆粒尺寸小，其比表面大，化學活性強。在炸藥中加入納米鎳粉可以提高炸藥的威力；在固體燃料推進劑中加入納米鎳粉可以提高燃燒效率和釋放出更高的能量。
球形鋁粉一般采用噴霧法制備，這樣可以把球形鋁粉的粒度控制在一定的范圍內。納米鎳粉的制備方法有多種，如真空蒸發法、金屬有機化合物熱分解法、化學氣相沉積法、化學置換還原法等。其中化學置換還原法可在常溫常壓下進行；此外，也可用水熱法加壓氫還原的辦法來制備納米鎳粉。周輝等申請了名稱為“一種制備納米金屬鎳粉的方法”(專利號為ZL01144702.8)的專利，提供了利用化學置換還原法制備納米鎳粉的方法。
去掉球形鋁粉表面的氧化鋁層是提高球形鋁粉的燃燒效率的一種有效途徑，其次在球形鋁粉中加入納米鎳粉也可以提高其燃燒效率并可以釋放出更高的能量。

發明內容
為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種在球形鋁粉表面包覆一層納米鎳粉的納米鎳包鋁粉。本發明燃燒效率高，能量大。
本發明的另一目的是提供一種工藝簡單、易操作的納米鎳包鋁粉制備方法。
為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現本發明的一種納米鎳包鋁粉，是在球形鋁粉的表面包覆一層納米鎳粉。
上述納米鎳包鋁粉，通過以下制備方法得到以鎳鹽和球形鋁粉為原料，以硼氫化物加水合肼為還原劑，用純水溶解鎳鹽，加入分散劑攪拌均勻得鎳鹽的水溶液；將還原劑溶解在純水中，純水的量應足以浸泡球形鋁粉，再將球形鋁粉浸泡在還原劑的水溶液中；將鎳鹽的水溶液倒入盛有還原劑浸泡球形鋁粉的容器中，持續地攪拌，還原反應完成后繼續攪拌；停止攪拌后，靜置澄清，去掉上清液，留下沉淀物；用純水洗滌沉淀3～6次后過濾；然后在流動的氬氣氛下干燥，即得本發明納米鎳包鋁粉。
上述納米鎳包鋁粉的制備方法，包括如下步驟(1)、將鎳鹽配成0.02～0.1mol/l的水溶液，再加入分散劑，攪拌使其溶解，得到溶液I，其中鎳鹽中鎳的量與分散劑的摩爾數量比為1∶0.1～0.5；(2)、把粒度為10～30微米的球形鋁粉浸泡入濃度為0.02～0.05mol/l的氫氧化鈉水溶液中，攪拌10～60分鐘；然后加入還原劑，攪拌均勻，得溶液II，其中鎳鹽中鎳的量與還原劑的摩爾數量比為1∶1.0～1.5；(3)、把溶液I加入到溶液II中，攪拌30～60分鐘；反應后產生沉淀物，然后靜置，去掉上清液，留下沉淀物；(4)、用純水清洗步驟(3)所得沉淀物3～6次，然后過濾；(5)、將過濾所得沉淀物在流動氬氣氛下于80～120℃干燥處理10～20小時，即得納米鎳包鋁粉。
上述制備方法中所述的鎳鹽為硫酸鎳、氯化鎳或硝酸鎳等之一種。
上述制備方法中所述的水為離子交換純水、蒸餾水等之一種。
上述制備方法中所述的分散劑為聚乙烯醇、聚乙二醇辛基苯基醚或聚氧乙烯烷基醚等之一種。
上述制備方法中所述的還原劑為硼氫化鉀或硼氫化鈉+水合肼，還原劑水溶液的濃度為0.1～0.5mol/1；其中硼氫化鉀或硼氫化鈉與水合肼的摩爾數量比為1∶0.1～0.3。
上述制備方法中所述的球形鋁粉的顆粒度為10～30微米。
本發明中所述的納米鎳粉可用化學置換還原法制備，具體方法可參見專利“一種制備納米金屬鎳粉的方法”(專利號為ZL01144702.8)，其所制得的納米鎳粉的顆粒度為20～30納米(見圖1)。
本發明制備方法步驟(2)中在用還原劑浸泡球形鋁粉之前，先用氫氧化鈉水溶液浸泡球形鋁粉的目的是去除球形鋁粉表面的氧化鋁。
本發明制備方法中還原反應的溫度為0～40℃。
可采用不同的方法在球形鋁粉的表面包覆一層納米鎳粉。制備納米鎳粉的工藝和包覆工藝可以分別進行，也可以同時進行。在球形鋁粉的表面上包覆一層納米鎳粉即是納米鎳包鋁粉。
本發明中納米鎳包鋁粉中鎳的重量比用化學分析法確定。如采用絡合滴定法定量分析納米鎳包鋁粉中鎳元素的重量比。
用失重法確定納米鎳包鋁粉產品在熱處理前和在流動氬氣氛中經過120℃24小時熱處理以后的重量差來確定納米鎳包鋁粉的水含量。
X光衍射分析采用APD-10X光衍射儀，銅靶X光衍射，掃描速度為4°/分，用畫出的衍射線形來確定相成分。用X光衍射儀檢測納米鎳包鋁粉的成分、相結構。
本發明中球形鋁粉表面納米鎳包鋁層的厚度、均勻性及納米鎳粉的粒度可用JEM-2000FX透射電子顯微鏡來觀察，放大倍數×5K～50K。
用透射電子顯微鏡的能量色散X光譜(EDS能譜)可以檢測鎳包覆層的成分。
隨著球形鋁粉表面所包覆的納米鎳層逐漸增厚，其顏色逐漸由淺灰變為深灰色。


圖1.納米鎳的透射電鏡圖像×50K圖2.納米鎳包鋁粉的透射電鏡圖像×5K圖3.球形鋁粉的透射電鏡圖像×5K圖4.納米鎳包鋁粉表面層的EDS能譜本發明的優點在于(1)、本發明增加了球形鋁粉的燃燒活性，燃燒效率高；(2)、本發明制備方法在水溶液中從鎳鹽中還原出納米鎳粉的過程與球形鋁粉表面包覆納米鎳粉的過程同時進行，使還原和包覆一步完成；生成的納米鎳包覆層厚度比較均勻；(3)、本發明制備方法工藝流程簡單，易于操作；(4)、本發明的制備方法還可以回收未包覆上的納米鎳粉，避免造成資源浪費和環境污染。
具體實施例方式
以下通過實施例對本發明做進一步說明，但是不對本發明構成任何限制。
實施例1納米鎳包鋁粉的制備，按照如下步驟進行(1)、將130克硫酸鎳(市售，分析純，分子式NiSO4·6H2O)溶解于3升純水中，并加入10克聚乙烯醇，攪拌使其溶解，得溶液I；(2)、把500克(牌號為FLQT3)球形鋁粉(其電鏡圖像見圖3)浸泡入濃度為0.02摩爾/升的2升氫氧化鈉水溶液中；攪拌10～30分鐘以去除鋁粉表面的氧化膜；再把含有15克硼氫化鉀的200毫升水溶液和5毫升水合肼倒入此容器中，攪拌均勻，得溶液II；(3)、把溶液I倒入溶液II中，持續攪拌30分鐘，產生沉淀物；(4)、停止攪拌，靜置，傾棄上部水溶液，留下沉淀物；(5)、用純水清洗沉淀物5次，然后過濾；(6)、將步驟(5)清洗過的沉淀物在流動氬氣氛下于120℃干燥處理12小時，即得納米鎳包鋁粉。
實施例2對實施例1制備的納米鎳包鋁粉做化學成分分析。
定量分析采用絡合滴定法。稱取1克成分為3wt％鎳含量的納米鎳包鋁粉置于250毫升燒杯中，加1∶1分析純HCl水溶液20毫升，納米鎳包鋁粉溶解后，加純水稀釋至200毫升。取20毫升上述溶液，調節PH值至＜6。溶液中加入少量氟化銨作鋁離子掩蔽劑。加入幾滴3％的二甲酚橙水溶液作指示劑。用0.05M的EDTA(乙二胺四乙酸)標準溶液來滴定此溶液中的鎳。反應終點由紅紫色變為黃色。可計算出溶液中的鎳含量。結果表明鎳在納米鎳包鋁粉中所占的重量比為2.94wt％。
實施例3按照通常的方法對實施例1制備的納米鎳包鋁粉做透射電鏡檢測，結果顯示納米鎳層的厚度為120納米(見圖2)，說明在球形鋁粉表面包覆了一層納米鎳。
實施例4用透射電子顯微鏡的能量色散X光譜(EDS能譜)檢測實施例1所得的納米鎳包鋁粉的鎳包覆層的成分，結果表明在納米鎳包鋁粉表面上有一層鎳(見圖4)。
實施例5納米鎳包鋁粉與球形鋁粉在推進劑中燃燒試驗對比，將實施例1中所得FLQT3納米鎳包鋁粉與未包覆的FLQT3球形鋁粉加入推進劑中進行燃燒試驗，測定其殘渣中活性鋁的含量，結果前者兩次燃燒試驗后殘渣中的活性鋁含量分別為0.34wt％和0.46wt％，而后者兩次燃燒試驗后殘渣中的活性鋁含量分別為1.5wt％和1.8wt％。以上試驗說明納米鎳包鋁粉燃燒更充分，其殘渣中的活性鋁含量大幅度降低。
實施例6、將實施例1中的納米鎳包鋁粉(3wt％)與未包覆的FLQT3球形鋁粉在某型號發動機推進劑中進行對比試驗。分別以上述球形鋁粉和納米鎳包鋁粉作燃料(占總用料的20wt％)，重鉻酸鉀作氧化鉀作氧化劑(占總用料的80wt％)，按該發動機推進劑所需重量裝料，點火后，可測定燃速及比沖等。
試驗結果(見表1)納米鎳包鋁粉(3wt％)與未包覆的球形鋁粉相比，顯著提高了某型號發動機推進劑的燃燒效率。
表1.某型號發動機推進劑試驗結果 注比沖的單位N.s/Kg是牛頓.秒/千克，與燃料燃燒時發出的能量有關。比沖越高則能量越大。
權利要求
1.一種納米鎳包鋁粉，其特征在于在球形鋁粉的表面包覆一層納米鎳粉。
2.按照權利要求1所述的納米鎳包鋁粉，其特征在于通過以下制備方法得到以鎳鹽和球形鋁粉為原料，以硼氫化物加水合肼為還原劑，用純水溶解鎳鹽，加入分散劑攪拌均勻得鎳鹽的水溶液；將還原劑溶解在純水中，純水的量應足以浸泡球形鋁粉，再將球形鋁粉浸泡在還原劑的水溶液中；將鎳鹽的水溶液倒入盛有還原劑浸泡球形鋁粉的容器中，持續地攪拌，還原反應完成后繼續攪拌；停止攪拌后，靜置澄清，去掉上清液，留下沉淀物；用純水洗滌沉淀3～6次后過濾；然后在流動的氬氣氛下干燥，即得納米鎳包鋁粉。
3.權利要求1或者2所述的納米鎳包鋁粉的制備方法，包括如下步驟(1)、將鎳鹽配成0.02～0.1mol/l的水溶液，再加入分散劑，攪拌使其溶解，得到溶液I，其中鎳鹽中鎳的量與分散劑的摩爾數量比為1∶0.1～0.5；(2)、把粒度為10～30微米的球形鋁粉浸泡入濃度為0.02～0.05mol/l的氫氧化鈉水溶液中，攪拌10～60分鐘；然后加入還原劑，攪拌均勻，得溶液II，其中鎳鹽鎳的量與還原劑的摩爾數量比為1∶1.0～1.5；(3)、把溶液I加入到溶液II中，攪拌30～60分鐘；反應后產生沉淀物，然后靜置，去掉上清液，留下沉淀物；(4)、用純水清洗步驟(3)所得沉淀物3～6次，然后過濾；(5)、將過濾所得沉淀物在流動氬氣氛下于80～120℃干燥處理10～20小時，即得納米鎳包鋁粉。
4.按照權利要求3所述的制備方法，其特征在于其所述的鎳鹽為硫酸鎳、氯化鎳或硝酸鎳等之一種。
5.按照權利要求3所述的制備方法，其特征在于其所述的水為離子交換純水、蒸餾水等之一種。
6.按照權利要求3所述的制備方法，其特征在于其所述的分散劑為聚乙烯醇、聚乙二醇辛基苯基醚或聚氧乙烯烷基醚等之一種。
7.按照權利要求3所述的制備方法，其特征在于其所述的還原劑為硼氫化鉀或硼氫化鈉+水合肼，還原劑水溶液的濃度為0.1～0.5mol/l。
8.按照權利要求7所述的制備方法，其特征在于其所述的還原劑中硼氫化鉀或硼氫化鈉與水合肼的摩爾數量比為1∶0.1～0.3。
全文摘要
本發明公開了一種納米鎳包鋁粉及其制備方法。即在球形鋁粉的表面上包覆一層納米鎳。其制備方法為以鎳鹽和球形鋁粉為原料，用硼氫化物加水合肼為還原劑，把鎳鹽水溶液倒入盛有還原劑水溶液浸泡的球形鋁粉容器中，快速攪拌，直到鎳鹽水溶液變為無色時就生成了納米鎳包鋁粉。當停止攪拌時，納米鎳包鋁粉迅速沉底后，傾棄水溶液上部多余的納米鎳粉。多次水洗，靜置澄清，傾棄上清液。最后經過濾，并在流動氬氣氛中烘干后制得分散性良好的納米鎳包鋁粉。本發明納米鎳包鋁粉燃燒效率高，釋放的能量大。本發明制備方法生產工藝簡單，易于操作，可進行大規模生產，并且可控制納米鎳層的厚度。
文檔編號B22F1/02GK101041180SQ200710098870
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月28日 優先權日2007年4月28日
發明者高愈尊 申請人:北京有色金屬研究總院