專利名稱：一種硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，該復合粉體可作為改性雙基推進劑(CMDB)和硝酸酯增塑聚醚推進劑(NEPE)用高效金屬燃料，屬于納米材料制備技術領域。
背景技術：
鋁粉是現代固體火箭推進劑常用的添加劑之一。添加鋁粉是增加能量、抑制火箭發動機不穩定燃燒最為有效和最有實用價值的方法。鋁粉由于密度高、高的燃燒焓及對提高固體推進劑的比沖作用相當顯著，再加上取材豐富，成本較低，因此被廣泛采用。然而，普通鋁粉和微米級鋁粉的點火延遲時間較長、燃燒效率較低，而且在推進劑燃燒過程中易在推進劑燃燒表面發生團聚而形成大的凝滴，從而導致噴管的兩相流損失和形成羽煙排出等缺陷。納米鋁粉由于其優異的熱釋放和低溫氧化能力，在推進劑、炸藥和鋁熱劑等含能材料領域中發揮著重要的作用。但納米鋁粒子具有特殊體積和表面效應，使得其處于高度活化狀態，對所處環境十分敏感，容易與環境中的氣體、液體分子發生交互作用，使得暴露于空氣中的納米鋁粒子表面極易氧化，甚至在空氣中自燃，從而引起納米鋁粒子穩定性下降并喪失其活性，給存儲和使用帶來很大的困難，使其在固體推進劑中的應用受到了很大的限制。在納米鋁粒子的表面包覆一層保護膜形成納米級的核殼結構，使粒子表面性質發生變化，隔離活性的鋁納米粒子與周圍環境的接觸，從而保護內核的活性鋁不被進一步氧化。表面包覆是改善納米Al粉性能的一種有效方法，其不但可以有效的解決團聚以及氧化問題，而且還可有效提高鋁粉的燃燒效率，且選用特殊的包覆物還可以賦予Al粉新的功倉泛。硝化棉又稱硝化纖維素，它是CMDB推進劑和NEPE推進劑中的重要組分和添加劑， 采用硝化棉對納米鋁粉進行表面包覆處理，不僅可以防止其氧化還可有效提高納米鋁粉在推進劑中的分散性。Young-Soon Kwon 等[Applied Surface Science, 2007, 273(12): 5558-5564]將采用電爆炸法制得的納米鋁粉迅速加入到NC的乙醇溶液中，在30° C下機械攪拌大約2 h，殘留溶劑在室溫下進行真空干燥處理，制得了由硝化棉包覆的納米鋁粉。 但由于硝化棉分子呈剛性，且硝化棉與納米鋁粉之間只有分子間力的作用，因此，采用該方法直接將納米鋁粉加入硝化棉的溶液中，會造成納米鋁粉表面包覆不完全，抗氧化能力差， 易形成大的團聚等缺陷。

發明內容
本發明的目的是提供一種在納米鋁粉表面可形成致密保護層，提高納米鋁粉的分散性和抗氧化能力的硝化棉包覆納米鋁粉的制備方法，為雙基和改性雙基推進劑中應用提供技術基礎。
本發明實現過程如下
一種硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，包括以下步驟
(1)在氮氣保護下，將納米鋁粉分散至無水乙醇中；
(2)將納米鋁粉質量5 10%的硅烷偶聯劑加至步驟(I)溶液中，攪拌分散后真空干燥得硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉；
(3)將鋁粉質量O.04-0. 15倍的硝化棉和占硝化棉質量3 10 %的增塑劑溶于乙酸乙酷或丙麗中；
(4)將步驟(2)硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉分散于環己烷中形成環己烷分散液；
(5)攪拌下，將步驟(3)的硝化棉溶液加至環己烷分散液中混合均勻；
(6 )過濾、真空干燥得硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。所述納米鋁粉平均粒徑為40 60 nm。步驟(5)反應溫度控制在40 45 ° C。所述硅烷偶聯劑是KH-550 ( Y -氨丙基三乙氧基硅烷)、KH_560 ( Y -縮水甘油醚氧丙基二甲氧基娃燒)、KH-570 ( Y -(甲基丙稀酸氧)丙基二甲氧基娃燒)、KH-580 (Y-疏丙基二甲氧基娃燒)、娃燒偶聯劑A-171 (乙稀基二甲氧基娃燒)娃燒偶聯劑A-151 (乙稀基二乙氧基娃燒)、娃燒偶聯劑CG-103 (甲基二甲氧基娃燒)等，最好是Y -氛丙基二乙氧基娃燒。所述增塑劑為鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)或鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)。本發明的優點與積極效果(I)由于硝化棉為CMDB推進劑和NEPE推進劑中的重要組分和添加劑，因此，采用硝化棉包覆處理后的納米鋁粉在保持納米鋁粉反應活性的同時，又與推進劑組分具有很好的相容性，并可防止團聚；(2)納米鋁粉先用硅烷偶聯劑處理，然后采用硝化棉包覆，實現了硝化棉在納米鋁粉表面的有效包覆，可保持納米鋁粉的活性，提高其抗氧化性能；(3)本發明制備方法簡單，操作方便，制備周期短，反應條件容易控制。


圖I是本發明實施例I、2和3制備的產物的SEM照片；
圖2是本發明實施例1、2和3制備的產物的XRD譜圖3是本發明實施例1、2和3制備的產物在室溫空氣條件下時間-質量變化曲線。
具體實施例方式實施例I
稱取4. O g平均粒徑為50 nm的納米鋁粉，加入100 mL無水乙醇中，超聲分散30 min, 使納米鋁粉在無水乙醇中分散均勻；稱取0.2 g硅烷偶聯劑KH-550，加入到經超聲分散后的納米鋁粉的無水乙醇懸浮液中，繼續超聲分散10 min，在60 ° C的恒溫水浴中攪拌2 h, 靜置用膠頭滴管除去上層清液，在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥8 h，制得經偶聯劑處理后的納米鋁粉；稱取5. O g硝化棉和O. 5 g鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)溶于1000 mL乙酸乙酯中，并輔以超聲波溶解，配置成5. O g · L—1的硝化棉溶液；稱取2. O g經偶聯劑處理后的納米鋁粉，加入100 mL環己烷中，超聲分散30 min，形成均勻分散的環己烷懸浮液；在持續攪拌作用下，將上述19.0 mL硝化棉溶液以廣2滴/秒的滴加速度加入環己烷懸浮液中，滴加完畢后繼續攪拌12 h，整個過程中液體溫度控制在4(T45 ° C范圍內；攪拌結束后，將溶液靜置使其固液分離，過濾并在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥12 h后取出即為硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。圖Ia是產物的SEM照片。照片表明，硝化棉可有效包覆在納米鋁粉表面，與原料納米鋁粉相比，鋁粉粒徑明顯增大，分散性更好。圖2a的XRD譜圖中可看出， 該復合粉體的特征峰與鋁的特征峰相吻合，只存在有少量非晶結構。圖3a的結果表明，該方法制備的納米鋁復合粉體在空氣中具有很好的抗氧化性能。實施例2
稱取4.0 g平均粒徑為50 nm的納米鋁粉，加入100 mL無水乙醇中，超聲分散30 min, 使納米鋁粉在無水乙醇中分散均勻；稱取0.32 g硅烷偶聯劑KH-560，加入到經超聲分散后的納米鋁粉的無水乙醇懸浮液中，繼續超聲分散10 min，在60 ° C的恒溫水浴中攪拌2 h, 靜置用膠頭滴管除去上層清液，在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥8 h，制得經偶聯劑處理后的納米鋁粉；稱取5. 0 g硝化棉和0. 4 g鄰苯二甲酸二丁酯(DEP)溶于1000 mL乙酸乙酯中，并輔以超聲波溶解，配置成5.0 g L—1的硝化棉溶液；稱取2. 0 g經偶聯劑處理后的納米鋁粉，加入100 mL環己烷中，超聲分散30 min，形成均勻分散的環己烷懸浮液；在持續攪拌作用下，將上述37 mL硝化棉溶液以廣2滴/秒的滴加速度加入環己烷懸浮液中，滴加完畢后繼續攪拌12 h，整個過程中液體溫度控制在4(T45 ° C范圍內；攪拌結束后，將溶液靜置使其固液分離，過濾并在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥12 h后取出即為硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。圖2b是產物的SEM照片。從圖Ib中可以看出，經硝化棉包覆后的納米鋁粉之間發生了粘接作用，硝化棉在納米鋁粉表面包覆完全。圖2b的XRD譜圖中可看出，該復合粉體的特征峰與鋁的特征峰相吻合，只存在有少量非晶結構。圖3b的結果表明， 該方法制備的納米鋁復合粉體在空氣中具有很好的抗氧化性能。實施例3
稱取4.0 g平均粒徑為50 nm的納米鋁粉，加入100 mL無水乙醇中，超聲分散30 min, 使納米鋁粉在無水乙醇中分散均勻；稱取0.24 g硅烷偶聯劑CG-103，加入到經超聲分散后的納米鋁粉的無水乙醇懸浮液中，繼續超聲分散10 min，在60 ° C的恒溫水浴中攪拌2 h, 靜置用膠頭滴管除去上層清液，在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥8 h，制得經偶聯劑處理后的納米鋁粉；稱取5.0 g硝化棉和0.3g鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)溶于1000 mL丙酮中， 并輔以超聲波溶解，配置成5.0 g噸―1的硝化棉溶液；稱取2. 0 g經偶聯劑處理后的納米鋁粉，加入100 mL環己烷中，超聲分散30 min，形成均勻分散的環己烷懸浮液；在持續攪拌作用下，將上述40 mL硝化棉溶液以廣2滴/秒的滴加速度加入環己烷懸浮液中，滴加完畢后繼續攪拌12 h，整個過程中液體溫度控制在4(T45 ° C范圍內；攪拌結束后，將溶液靜置使其固液分離，過濾并在60 ° C的真空干燥烘箱中干燥12 h后取出即為硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。圖Ic是產物的SEM照片。從圖中可以看出，硝化棉包覆的納米鋁粉顆粒呈球形，均勻，均有很好的分散性。圖2c的XRD譜圖中可看出，該復合粉體的特征峰與鋁的特征峰相吻合，幾乎不存在非晶結構。圖3c的結果表明，該方法制備的納米鋁復合粉體在空氣中具有很好的抗氧化性能。
權利要求
1.一種硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)在氮氣保護下，將納米鋁粉分散至無水乙醇中；(2)將納米鋁粉質量5 10%的硅烷偶聯劑加至步驟(I)溶液中，攪拌分散后真空干燥得硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉；(3)將鋁粉質量O.04-0. 15倍的硝化棉和占硝化棉質量3 10 %的增塑劑溶于乙酸乙酷或丙麗中；(4)將步驟(2)硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉分散于環己烷中形成環己烷分散液；(5)攪拌下，將步驟(3)的硝化棉溶液加至環己烷分散液中混合均勻；(6 )過濾、真空干燥得硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。
2.根據權利要求I所述的硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于所述納米鋁粉平均粒徑為4(T60 nm。
3.根據權利要求I所述的硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于步驟(5)反應溫度控制在4(Γ45 ° C。
4.根據權利要求I所述的硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于所述硅烷偶聯劑是 ΚΗ-550、ΚΗ-560、ΚΗ-570、ΚΗ-580、Α-150、Α-171、Α-151、CG-103。
5.根據權利要求4所述的硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于所述硅烷偶聯劑是ΚΗ-550。
6.根據權利要求I所述的硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，其特征在于所述增塑劑選自鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯。
全文摘要
本發明公開了一種硝化棉包覆納米鋁復合粉體的制備方法，包括將納米鋁粉分散至無水乙醇中，加入納米鋁粉質量5~10%的硅烷偶聯劑得硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉，將鋁粉質量0.04-0.15倍的硝化棉和占硝化棉質量3~10%的增塑劑溶于乙酸乙酯或丙酮中，將硅烷偶聯劑處理的納米鋁粉分散于環己烷中形成環己烷分散液，將硝化棉溶液加至環己烷分散液中混合均勻，過濾、真空干燥得硝化棉包覆的納米鋁復合粉體。本發明納米鋁粉先用硅烷偶聯劑處理，然后采用硝化棉包覆，實現了硝化棉在納米鋁粉表面的有效包覆，可保持納米鋁粉的活性，提高其抗氧化性能。
文檔編號B22F1/02GK102581272SQ20121002526
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月6日 優先權日2012年2月6日
發明者姚二崗, 安亭, 徐司雨, 樊學忠, 謝鋼, 譚藝, 趙鳳起, 郝海霞, 高紅旭 申請人:西安近代化學研究所