一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉及制备方法，涉及含能材料技术领域。本发明专利技术将有机配体分散液与铝粉分散液滴加混合，在室温搅拌一段时间，经过离心、洗涤、干燥，即可得到部分表面氧化膜转化为金属有机框架材料的改性铝粉；通过激光点火、密闭爆发和热分析测试表征，改性铝粉具有优异的燃烧性能和释能特性。本发明专利技术提供的铝粉改性方法，操作简单、条件温和、适用于微纳米铝粉，易于放大，在含能材料领域具有相当应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉及制备方法


[0001]本专利技术属于含能材料
，具体涉及一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉及制备方法。

技术介绍

[0002]铝粉具有燃烧热值高(30.1kJ/g)、密度大(2.7g/cm3)、耗氧量低等特点，且储量丰富、制造成本较低；其作为高活性金属燃料，广泛应用于含铝炸药、推进剂和铝热剂等含能材料领域。铝粉在固体推进剂或炸药中的含量达到15.0wt％以上，可显著提高推进剂比冲、密度和燃烧温度，改善炸药的爆热和做功能力(Propellants Explos.Pyrotech.2012,37,143
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155,Prog.Energy Combust.Sci.2017,61,293365)。随着现代武器发展，含能材料的综合性能要求不断提高，提升铝粉的能量释放速率、燃烧特性和安全性能，已成为高活性金属燃料的研究热点和主要方向。
[0003]通常，铝粉表面容易被氧化并形成2
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6nm厚度的无定型Al2O3氧化膜，降低铝粉的反应活性。随着温度的升高，铝粉内部铝核熔化、膨胀，最终导致氧化膜破裂，才能引起点火；使铝核与氧化剂充分接触，发生持续燃烧反应(Combust.Flame.2016,169,94
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109)。因此，表面氧化膜是影响铝粉燃烧性能和释能效率的重要因素。目前，表面包覆是改善铝粉燃烧性能的常见手段，包覆材料涉及氟聚物、碳材料、过渡金属、过渡金属氧化物、多巴胺和多酚等(含能材料,2020,28,1017
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1025)。其中，氟聚物分解产生的含氟气体可以与氧化膜反应，促使氧化膜破裂，提升铝粉燃烧性能。中国专利CN111217652A、CN110590483A、CN113501740A等基于界面改性策略将聚四氟乙烯、十七氟癸基三甲基硅烷、全氟十二烷硫醇等物质包覆于微纳米铝粉表面，改善燃烧性能。同时，利用多巴胺、单宁酸等多酚类自聚分子包覆铝粉，可缓解铝粉自身氧化，增强铝粉与氧化剂之间的界面，减少颗粒团聚，提升铝粉反应活性(CN110550990A、CN109704896A)。
[0004]金属有机框架材料作为一种孔道规整的多孔材料，将其包覆于铝粉表面，可为铝粉燃烧过程提供丰富的传质传热通道，改善铝粉燃烧性能。严启龙和邹吉军等利用多巴胺和聚乙烯吡咯烷酮对纳米铝粉进行预先包覆，然后再吸附金属离子(Cu,Zn,Co,Mo)；并与有机配体结合，形成金属有机框架材料包覆的铝基复合燃料；从而有效改善了铝粉的燃烧性能和释能特性(CN109467493A,Chem.Eng.J.2022,430,132909)。但是，上述改性方法均为外部材料对铝粉氧化膜表面的包覆，氧化膜的基本性质并未明显改变，燃烧释能特性的提升幅度有限。然而，Al2O3氧化膜为两性氧化物，可以经过酸碱反应，产生金属铝离子(Al
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)；并在表面原位结合有机配体，形成金属有机框架材料层(Sci.Adv.2019,5,eaav5340)。因此，铝粉表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料，可为改善铝粉燃烧释能特性提供一种更加高效便捷的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉及制备方法。本专利技术将有机配体分散液与铝粉分散液滴加混合，在室温搅拌一段时间，经过离心、洗涤、干燥，即可得到部分表面氧化膜转化为金属有机框架材料的改性铝粉；通过激光点火、密闭爆发和热分析测试表征，改性铝粉具有优异的燃烧性能和释能特性。
[0006]为了达到上述技术效果，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)在室温下，将有机酸类配体溶解在氢氧化钠水溶液中，然后加入N,N
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二甲基甲酰胺，形成有机配体分散液；
[0009](2)将铝粉分散在由水和N,N
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二甲基甲酰胺组成的混合溶液中，室温超声，形成铝粉分散液；
[0010](3)将有机配体分散液滴加至铝粉分散液中，形成铝粉混合分散液，室温搅拌后，经过离心、洗涤、干燥，获得改性铝粉。
[0011]进一步的技术方案为，所述有机酸选自对苯二甲酸、均苯三甲酸、2
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硝基对苯二甲酸，2
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氨基对苯二甲酸，2
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羟基对苯二甲酸和四氟对苯二甲酸的任意一种。
[0012]进一步的技术方案为，所述铝粉为纳米铝粉或微米铝粉，粒径范围为50nm～100μm。
[0013]进一步的技术方案为，步骤(3)中所述有机配体分散液与所述铝粉分散液体积相同。
[0014]进一步的技术方案为，步骤(3)中所述铝粉混合分散液的浓度为2.0
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20.0mg/mL，搅拌时间为5min～72h，离心转速为8000～12000rpm，洗涤溶剂为甲醇或乙醇，干燥温度为40～65℃，干燥时间为1～12h。
[0015]进一步的技术方案为，所述铝粉质量与有机酸物质的量的比值为50～1600mg/mmol。
[0016]本专利技术还提供一种由上述制备方法制备得到的改性铝粉以及该改性铝粉在含能材料领域的应用。
[0017]本专利技术方法是利用铝粉表面氧化膜的两性特点，在碱溶液和有机酸配体共同作用下，表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料，得到改性铝粉，大幅提升铝粉的燃烧性能和释能速率。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0019]本专利技术提供的改性方法将有机配体分散液与铝粉分散液混合，在室温条件下，即可将铝粉表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料，得到改性铝粉，具有优越的燃烧性能，体现为点火延迟时间缩短、峰值压力和增压速率大幅上升和剧烈的燃烧火焰等。本专利技术提供的铝粉改性方法，操作简单、条件温和、设备要求低，为提升铝粉等金属燃料的释能特性提供了新的思路和策略，在含能材料领域具有相当的应用前景。
附图说明
[0020]图1为实施例1所制备的改性纳米铝粉的XRD谱图。
[0021]图2为实施例1所制备的改性纳米铝粉的热分析谱图。
[0022]图3为实施例1所制备的改性纳米铝粉的激光点火实验图。
[0023]图4为实施例2所制备的改性纳米铝粉的透射电镜及EDS元素分布图。
[0024]图5为实施例2所制备的改性纳米铝粉的激光点火实验图。
[0025]图6为实施例3所制备的改性纳米铝粉的激光点火实验图。
[0026]图7为实施例4所制备的改性纳米铝粉的密闭爆发实验和点火延迟时间图。
[0027]图8为实施例6所制备的改性纳米铝粉的密闭爆发实验和点火延迟时间图。
[0028]图9为实施例7所制备的改性微米铝粉的热分析谱图。
[0029]图10为实施例8所制备的改性微米铝粉的热分析谱图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在室温下，将有机酸类配体溶解在氢氧化钠水溶液中，然后加入N,N
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二甲基甲酰胺，形成有机配体分散液；(2)将铝粉分散在由水和N,N
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二甲基甲酰胺组成的混合溶液中，室温超声混合，形成铝粉分散液；(3)将有机配体分散液滴加至铝粉分散液中，形成铝粉混合分散液，室温搅拌后，经过离心、洗涤、干燥，获得改性铝粉。2.根据权利要求1所述的基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉制备方法，其特征在于，所述有机酸选自对苯二甲酸、均苯三甲酸、2
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硝基对苯二甲酸，2
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氨基对苯二甲酸，2
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羟基对苯二甲酸和四氟对苯二甲酸的任意一种。3.根据权利要求1所述的基于表面氧化膜原位转化为金属有机框架材料的改性铝粉制备方法，其特征在于，所述铝粉为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，艾进，赵川德，于谦，杨芳，陈捷，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：