Nanothermite com merengue, como morfologia: de pó solto para objetos ultra porosos

Resumo

Este manuscrito descreve a síntese de combustíveis aluminophosphate matrizes pela reação de ácido ortofosfórico (H₃PO₄) com alumínio nanopowder. Quando esta reação é realizada com excesso de alumínio na presença de nanopowder do trióxido de tungstênio, leva a uma espuma nanothermite sólido, poroso.

Resumo

O objetivo do protocolo descrito neste artigo é preparar composições aluminothermic (nanothermites) sob a forma de objetos porosos, monolíticos. Nanothermites são materiais combustíveis compostos inorgânico combustível e um oxidante. Em espumas nanothermite, o alumínio é o combustível e alumínio trióxido de fosfato e tungstênio são as metades de oxidantes. Observam-se as maiores velocidades de chama propagação (FPVs) em nanothermites em pó solto e FPVs estão fortemente diminuídos nanothermite pós de pelotização. Do ponto de vista física, nanothermite pós soltos são sistemas metaestáveis. Suas propriedades podem ser alteradas por compactação involuntária induzida por choques ou vibrações ou a segregação de partículas ao longo do tempo por fenômenos, estabelecendo-se que se origina das diferenças de densidade de seus componentes. Movendo-se de um pó para um objeto é o desafio que deve ser superado para integrar nanothermites em sistemas de pirotecnia. Nanothermite objetos devem ter uma boa resistência mecânica e alta Porosidade aberta. Espumas de Nanothermite conhecer ambos estes critérios, e são preparados por dispersão de uma mistura de nanométricas aluminothermic (Al/WO₃) no ácido ortofosfórico. A reação do alumínio com a solução ácida dá o AlPO₄ "cimento" em que Al e WO₃ nanopartículas são incorporadas. Em espumas nanothermite, fosfato de alumínio desempenha o duplo papel de fichário e oxidante. Esse método pode ser usado com trióxido de tungsténio, que não é alterado pelo processo de preparação. Ele provavelmente poderia ser estendido para alguns óxidos, que são comumente usados para a preparação de nanothermites de alto desempenho. O WO₃-espumas com base nanothermite descritos neste artigo são particularmente insensíveis ao impacto e à fricção, que os torna muito mais seguro lidar com que pó solto de₃ Al/WO. A combustão rápida destes materiais tem aplicações interessantes em pirotecnia ignitores. Seu uso em detonadores como primeiras demão exigiria a incorporação de um explosivo secundário em sua composição.

Introdução

Este artigo relata um método para transformar aluminothermic nanométricas misturas (Al/WO₃) de um estado de pó solto para espumas¹. Nanothermites são rápidos de queima composições energéticas, que mais frequentemente são preparadas pela mistura física de um óxido metálico/sal com um metal redutor, sob a forma de nano pó². Os óxidos mais representativos utilizados para preparar nanothermites são Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ e Bi₂O₃^10,11, enquanto os sais metálicos utilizados são percloratos^12,13, iodates^14,15, periodates¹⁶,¹⁷ ou persulfates¹⁸de sulfatos. Nanopowder do alumínio é a melhor escolha como combustível para nanothermites devido às suas inúmeras propriedades desejáveis, tais como uma alta oxidação térmica (10-25 kJ/g)¹⁹, reação rápida cinética²⁰, baixa toxicidade²¹_, e uma feira grau de estabilidade, uma vez que foi com precisão passivado²².

Em baseados em Al nanothermites, a frente de chama se propaga em velocidades altas (0.1 - 2,5 km/s), mas isso não pode, no entanto, ser considerado como detonação²³. O mecanismo de reação é na verdade conduzido pela convecção de gases quentes na porosidade do material não tenha reagido. Em outras palavras, a porosidade é essencial para a rápida queima de nanothermites. No entanto, o pó solto nanothermite não é estável do ponto de vista física. Eles são compactados por choques ou vibrações, e seus componentes da mais densa (geralmente o óxido) progressivamente separa a composição pelo efeito da gravidade. A estabilização da porosidade nanothermite é um desafio crucial para a sua integração em sistemas futuros de pirotecnia.

A principal vantagem do processo de preparação aqui descrito é dar monólitos altamente poroso, sólido, nanothermite, que podem ser moldados pelo molde a pasta da qual eles formam. Além disso, nanothermite espumas são muito insensíveis ao choque, fricção e descarga eletrostática, comparado aos nanothermite pós soltos. A insensibilidade torna particularmente segura a alça e a máquina, por exemplo por corte ou perfuração.

Quando solto nanothermite pós são pressionadas ou peletizados, sua porosidade diminui e objetos são formados. A coesão de tais materiais origina-se das forças de superfície, que são responsáveis para a agregação de nanopartículas. A resistência mecânica de pelotas nanothermite pode ser melhorada na presença de nano-fibras de carbono, que actuam como um quadro para reforçar estes objetos²⁴. Infelizmente, pressionando fortemente diminui a reatividade dos nanothermites. De acordo com Prentice et al, a prensagem das composições de nano-Al/nano-WO₃ induz a um colapso da sua velocidade de reação por duas ordens de magnitude⁷. Em conclusão, ao contrário da maioria dos explosivos, nanothermites não pode ser dado forma pressionando.

Até à data, muito poucos métodos para estruturação de nanothermites têm sido relatados em lidar de literatura científica com nanothermites. Nanothermites pode ser depositado em substratos, ou dos pós de seus componentes dispersadas em um meio líquido por electroforese²⁵, ou pela pulverização catódica de seus componentes em camadas sucessivas de²⁶. Ambas as abordagens originar depósitos densos, que são menos reativos que pós soltos e tendem a delaminate do substrato sobre o qual estão preparados.

A preparação de objetos "tridimensionais", composto por nanothermite foi proposta por Tillotson et al ⁵, que usaram a síntese sol-gel desenvolvida pela Gash et al . que consiste em soluções de sais metálicos de coagulação por epóxidos²⁷. Nanothermite monólitos são preparados por dispersão Al nanopowder no sol, antes de gelificação. Os geles são posteriormente secas em uma câmara de calor para produzir xerogels ou por um processo complexo que envolve a utilização de supercrítico CO₂ para obter aerogels. Nanothermite aerogels não só têm forte reatividade, mas também podem ser usinados devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Além disso, o processo de sol-gel permite sintetizar materiais micro e mesoporos com um incomparável grau de homogeneidade entre o combustível (Al) e o óxido na mistura. Apesar de estes interessantes características, o uso do processo sol-gel é limitado por: (i) a complexidade da síntese em lotes, que depende de vários parâmetros; (ii) a presença inevitável de síntese subprodutos (impurezas) do material final, e (iii) o muito tempo necessário para as diferentes etapas do processo.

Esteiras de combustíveis de nanothermite foram preparadas pela eletrofiação de nitrocelulose (ligante) de soluções acusadas de Al e CuO nanopartículas²⁸. Estes feltros nanothermite são compostos de fibras com diâmetros de escala sub-micrônicas, que são um priori não-porosa. Com estes materiais, a porosidade é definida pelo entrelaçamento das fibras. As amostras de nanothermite mats queimar lentamente (0,06 - 1.06 m/s) em comparação com Al/CuO nanométricas puras misturas em um estado de pó solto, em que a frente de chama se propaga a uma velocidade de várias centenas de m/s²⁹. Finalmente, o uso de nitrocelulose como uma pasta para nanothermites não é ideal, porque consideravelmente aumenta sua sensibilidade térmica e altera sua estabilidade química a longo prazo.

Membranas de nanothermites foram preparadas por Yang et al . do complexo hierárquica MnO₂/SnO₂ estende misturado com nanopartículas de Al⁶. Com estes materiais, a fase de óxido tem uma morfologia muito específica, na qual MnO₂ nano-fios são cobertos por SnO₂ ramos. Devido à sua estrutura muito particular, não só o óxido armadilhas Al nanopartículas, mas também garante a resistência mecânica da membrana.O processo de preparação de MnO₂/SnO₂/Al membranas é muito simples; consiste o nanothermite contido no líquido no qual ele foi preparado, usando o bolo de filtragem como uma membrana de filtragem.

Para resumir, a única nanothermite objetos mencionados na literatura científica são depósitos em substratos, aerogels ou esteiras. A ideia de preparar nanothermites na forma de espumas sólidas abre novos horizontes para a integração destes materiais energéticos nos sistemas de pirotecnia funcional. O processo de formação de espuma, relatado neste artigo é fácil de executar e pode ser aplicado virtualmente a qualquer nanothermite preparado a partir de alumínio nanopowder. O agente de formação de espuma é ácido ortofosfórico (H₃PO₄), uma substância química comum, barata e não tóxico, que reage com nano-Al dar o cimento (AlPO₄) e os gases (H₂, H₂O vapor) que criam a porosidade do material¹. Fosfato de alumínio é particularmente estável em altas temperaturas, ao contrário de ligantes orgânicos tais como polímeros energéticos (nitrocelulose). No entanto, AlPO₄ se comporta como um oxidizer para nano-Al na alta temperatura, de acordo com o conceito de "explosivos negativos", proposto por Shimizu³⁰.

Protocolo

Atenção: Realize todas as reações descritas neste artigo em uma câmara de explosão-comprovada com uma janela blindada que permite tanto a inspeção visual e a observação dos processos de formação de espuma/combustão por vídeo de alta velocidade. Cuide-se sobre o risco experimental resultantes da ignição potencial de aluminothermic composições e a explosão de hidrogênio no ar. Por esta razão, sempre trabalha em uma câmara de explosão-comprovada equipada com ventilação de exaustão adequada. Lembre-se que devem ser realizadas experiências em materiais energéticos por cientistas experientes, que estão plenamente conscientes dos perigos de pirotecnia, e que todos os testes devem ser realizados em conformidade com as leis locais e regulamentos de segurança. Note-se que os autores declinar qualquer responsabilidade pelo uso indevido destes resultados.

1. preparação de uma matriz de Aluminophosphate

Nota: As experiências são realizadas à temperatura ambiente (15-25 ° C).

1. Pese a 3,00 g de alumínio nanopowder.
2. Pesar, 4,00 g de uma solução comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H₃PO₄) em um copo de 150 mL; adicionar o ácido gota a gota com um pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
   1. Opcionalmente, um volume de 0 - 2 mL de água deionizada pode ser adicionado ao ácido ortofosfórico.
   2. Homogeneizar a solução por abrandar girando o copo com a mão a aproximadamente 100 rpm.
3. Coloca o copo que contém o ácido na câmara de explosão.
4. Despeje o alumínio nanopowder pesada na etapa 1.1 para o béquer contendo a solução H₃PO₄ .
5. Mistura-se rapidamente com uma espátula de aço inoxidável; Execute esta etapa em menos de um minuto.
6. Feche a câmara de explosão imediatamente.
7. Espere até que ocorra a reação de formação de espuma.
8. Depois, espere um adicional 10 min para a matriz de aluminophosphate esfriar.
9. Retire o copo da câmara de explosão usando um laboratório arco tong.
10. Recupere a amostra, que adere à parede do copo, por quebrá-la cuidadosamente. Cuidado com a presença de resíduos ácidos e não manipulam os materiais sem luvas.

2. síntese das espumas Nanothermite

Nota: As experiências são realizadas à temperatura ambiente (15-25° C).

1. Preparação da mistura nanothermite
   1. Em um balão de fundo redondo de 100 mL, pese 3,00 g e 3,45 g de Al e WO nanopós₃ , respectivamente.
   2. Misture o nanopós com um misturador do vortex operando a 2.500 rpm.
   3. Suavemente agite a mistura com uma espátula de aço inoxidável para homogeneizá-lo. Evite qualquer atrito entre a parede de vidro do balão de fundo redondo e a espátula durante esta operação.
      Nota: Nesta etapa, o experimentador deve ser aterrado para evitar qualquer descarga eletrostática, o que poderia causar a ignição da mistura.
   4. Repita a operação 2.1.2.
2. Preparação das soluções-H ₃ PO ₄
   1. Pesar, 4,00 g de uma solução comercial (85%) de ácido ortofosfórico (H₃PO₄) em um copo de 150 mL; adicionar o ácido gota a gota com um pipeta Pasteur de polietileno de 3 mL.
   2. Preparação de soluções diluídas de₄ de₃PO H:
      1. Levar a amostra preparada na etapa 2.2.1 e adicionar 0 a 2 mL de água desionizada com um pipeta Pasteur de polietileno de 1 mL.
      2. Homogeneizar a solução pelo movimento de rotação lento do copo aplicado à mão a uma velocidade de cerca de 100 rpm.
3. Preparação de espumas nanothermite
   1. Coloca o copo que contém o ácido preparado no passo 2.2 na câmara de explosão.
   2. Despeje o nanothermite preparado no passo 2.1 no copo que contém a solução H₃PO₄ .
   3. Mistura-se rapidamente com uma espátula de aço inoxidável; Execute esta etapa em menos de um minuto.
   4. Feche a câmara de explosão imediatamente.
   5. Espere até que ocorra a reação de formação de espuma.
   6. Depois, espere um adicional 10 min para o arrefecimento da espuma nanothermite.
   7. Retire o copo da câmara de explosão, com um laboratório arco tong.
   8. Recupere a amostra, que adere à parede do copo, por quebrá-la cuidadosamente. Cuidado com a presença de resíduos de ácidos e evitar a manipulação dos materiais sem luvas.

3. a combustão de espumas Nanothermite

1. Coloque a matriz aluminophosphate, preparado na etapa 1.10 ou a espuma nanothermite, preparado na etapa 2.3.8 na câmara de explosão.
2. Coloque um dispositivo de ignição pirotecnia perto da amostra da etapa 3.1.
3. Feche a câmara de explosão.
4. Conecte o dispositivo de ignição de um dispositivo electrónico seguro.
5. Fogo da cadeia de pirotecnia.
6. Observe a combustão através da janela blindada com uma câmera ultra operando em 10.000 a 30.000 quadros/s.

Resultados

A matriz de aluminophosphate contém alumínio cristalizado (Al) e fosfato de alumínio (AlPO₄). A presença destas fases foi confirmada por difração de raios x (Figura 1). Além disso, gravimétricos experimentos mostraram que este material também contém uma parte não-cristalino, que é alumina amorfa. Estes materiais, fosfato de alumínio se comporta como aglutinante e oxidante. As propriedades oxidantes de AlPO₄ foram evidenciada...

Discussão

O processo de mistura de nanopós com ácido e o fechamento da câmara de explosão devem ser realizados rapidamente, por razões de segurança. O atraso de reação pode variar até certo ponto (1-10 min), dependendo das condições experimentais. Isso é encurtado quando a temperatura é muito alta, ou na presença de fontes de aquecimento externo, como um holofote, que pode causar ativação precoce da reação de formação de espuma. Por outro lado, ela é aumentada quando a temperatura é baixa. Em caso de muito at...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminum nanopowder	Intrinsiq Materials	-	nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891
Tungsten(VI) oxide	Sigma-Aldrich	550086-25G	nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V
Orthophosphoric Acid	Fisher Scientific	-	85% solution
polyethylene Pasteur pipette 3 mL	Th. Geyer	7691062	LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm
polyethylene Pasteur pipette 1 mL	Th. Geyer	7691063	LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm
Test tube shaker Reax Control	Heidolph	541-11000-00	Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields