无溶剂条件下纳米铝粉表面功能化研究

作     者：李佳贺 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林凯峰

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米铝粉 无溶剂包覆 单分子层 表面浸润性 

摘      要：含能铝粉由于储量丰富、反应活性高、放热量大等特点被广泛应用于固体火箭推进剂中。铝粉作为一种还原剂,可以与氧化剂相互作用发生氧化还原反应,释放大量的能量。与传统的微米铝粉相比,纳米铝粉具有更高的反应活性以及更快的能量释放速率,有着更广阔的应用前景。但由于纳米铝粉粒径尺寸较小,一旦与空气中的氧接触即可发生剧烈反应,造成纳米铝粉的自燃。因此,需要对纳米铝粉进行表面处理实现稳定化,以利于贮存和后续使用。为了保持纳米铝粉在高温下的放热量,稳定化纳米铝粉的同时还需保持较高的活性铝含量。以商业化纳米铝粉(通常含有氧化膜)为原料,简洁地通过无溶剂包覆法对铝粉的表面进行功能化处理。使用二甲基二甲氧基硅烷(DMODMS)作为包覆剂,利用硅烷偶联剂与铝表面羟基之间的反应实现了铝粉表面的单分子层包覆。研究表明,包覆后样品表面的疏水性明显提高,接触角可达125.86°。为了满足推进剂组分相容性的需求,使用三甲基氯硅烷(CTMS)对稳定后的纳米铝粉表面进行亲疏水特性调节,随着三甲基氯硅烷使用量的增加,纳米铝粉表面的接触角逐渐变小至26.94°。相比于未包覆的纳米铝粉(3961.43 J·g),引入DMODMS和CTMS后的N-Al-2.5D-0.3C在560℃之前的放热量可达3763.64 J·g。在潮湿环境下存放14天后,未包覆的有氧化膜纳米铝粉的活性铝含量下降到70.48 mass%,而经过包覆剂处理后的的样品,N-Al-2.5D的活性铝含量可达到74.63 mass%且明显高于未包覆的样品。这些结果充分说明,包覆后的样品不仅在潮湿条件下的稳定性得到提高,其释放的能量相比于未包覆的样品也无明显下降;并研究了相应的机理以及亲疏水性调节的原理,使用微米铝粉进行辅证上述得出的结论。采用无溶剂包覆的方法,实现了对实验室自制高活性、无氧化膜纳米铝粉的包覆。自制的纳米铝粉由于过高的活性,无法直接暴露在空气中。经过DMODMS包覆后,产物可以在空气中稳定存在,接触角可达到121.15°。随着CTMS的不断引入,接触角逐渐减小至51.80°,因此可以任意改变其表面浸润性。在潮湿环境下放置14天后,Al(M)-2.5D-0.2C的活性铝含量减少率(10.37%)低于Al(M)-2.5D-0.3C的活性铝含量减少率(10.96%);且随着CTMS量的增多,样品在800℃时质量增重可达到118.4 mass%,较使用DMODMS包覆后的产物降低3 mass%左右,同时对水汽防护作用好。该无溶剂包覆法流程简单,处理时间短,无需过高的温度,避免了大量有机溶剂的使用,更容易实现产业化生产。