海膽狀納米MnO2的制備及其對(duì)CL-20熱分解性能的影響

劉健冰，趙寧寧，趙鳳起，宋紀(jì)蓉,3，馬海霞

(1.西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710069；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065；

3.故宮博物院文?？萍疾浚本?00009)

?

海膽狀納米MnO2的制備及其對(duì)CL-20熱分解性能的影響

劉健冰1，趙寧寧1，趙鳳起2，宋紀(jì)蓉1,3，馬海霞1

(1.西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西西安710069；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065；

3.故宮博物院文?？萍疾?，北京100009)

摘要：采用水熱法合成海膽狀納米MnO2顆粒，用X射線粉末衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析(SEM-EDS)對(duì)該MnO2顆粒進(jìn)行物相組成及結(jié)構(gòu)表征；用固體研磨法制備出質(zhì)量比為1∶2、1∶5和1∶9的納米MnO2/CL-20混合物；用差示掃描量熱(DSC)法考察了納米MnO2對(duì)CL-20熱分解性能的影響。結(jié)果表明，納米MnO2的加入不會(huì)改變CL-20熱分解過(guò)程的最可幾機(jī)理函數(shù)；加入納米MnO2后，MnO2/CL-20混合物的熱分解峰溫明顯降低；與CL-20相比，不同質(zhì)量比的MnO2/CL-20混合物表觀活化能降低，表明海膽狀納米MnO2可以促進(jìn)CL-20的熱分解。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；海膽狀納米MnO2；CL-20；熱分解機(jī)理

引言

納米金屬氧化物具有粒徑小、比表面積大、表面活性中心多以及吸附能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，將其作為催化劑應(yīng)用，具有很高的催化活性，近年來(lái)催化劑納米化已成為改善催化性能研究的熱點(diǎn)之一[3-6]。過(guò)渡金屬氧化物可以有效提高固體推進(jìn)劑的燃燒速率，對(duì)含能材料的熱分解具有優(yōu)異的催化作用[7-9]。楊毅等[10-11]研究了不同粒徑Fe2O3對(duì)高氯酸銨(AP)熱分解峰溫的影響；馬振葉等[12-15]研究了不同粒徑Fe2O3對(duì)AP催化熱分解的影響和AP包覆在Fe2O3及過(guò)渡金屬氧化物CuO和Co2O3表面后的熱分解過(guò)程；徐宏等[16]研究了納米Fe2O3對(duì)吸收藥(硝化棉吸收硝化甘油的混合物)，熱分解反應(yīng)的催化作用，并提出了該催化反應(yīng)的機(jī)理。六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20，HNIW)是一種新型高能量密度化合物，安紅梅等[17-19]研究了CL-20作為單元推進(jìn)劑的燃燒性能，并研究了金屬有機(jī)鹽、金屬氧化物、炭黑等對(duì)CL-20熱分解的影響，發(fā)現(xiàn)添加劑對(duì)其分解過(guò)程產(chǎn)生影響。納米MnO2作為過(guò)渡金屬氧化物及重要的無(wú)機(jī)功能材料，在催化、電容和電極材料等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[20-22]。

本研究通過(guò)水熱法制備了海膽狀納米MnO2，采用研磨法制備出不同質(zhì)量比的納米MnO2/CL-20混合物，用差示掃描量熱法(DSC)研究了納米MnO2對(duì)CL-20熱分解性能的影響及其分解反應(yīng)特性，并計(jì)算了納米MnO2/CL-20混合物以及CL-20熱分解過(guò)程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，為研究納米MnO2對(duì)CL-20燃燒性能的影響及探索CL-20在復(fù)合固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料及儀器

硫酸錳(MnSO4·H2O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.0%)，分析純，天津永晟精細(xì)化工有限公司；過(guò)硫酸鈉(Na2S2O8，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98.0%)，分析純，天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸(H2SO4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%～98%)，分析純，成都市科龍化工試劑廠；CL-20，西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

日本理學(xué)公司D/MAX-3C型粉晶衍射儀，X射線源采用CuKα，波長(zhǎng)為0.15406nm，測(cè)角儀精度±0.02°，重現(xiàn)性±0.03°(2θ)，強(qiáng)度綜合穩(wěn)定度±0.5%；美國(guó)FEI公司Quanta400場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡，測(cè)試時(shí)設(shè)定高壓為30kV, 電流為4A；英國(guó)牛津公司INCAIE350能譜儀；美國(guó)TA公司Q2000-DSC型差示掃描量熱儀，氮?dú)饬髁繛?0mL/min，樣品量約為0.10～0.15mg，采用2.5、5.0、7.5、10.0、12.5和15.0℃/min的升溫速率從室溫升至300℃。

1.2納米MnO2的制備

勻速攪拌下將1.72g MnSO4·H2O加入到190mL(0.5mol/L)Na2S2O8溶液中，滴加10mL濃硫酸，繼續(xù)攪拌10min至形成均相溶液，轉(zhuǎn)入50mL水熱釜，在110℃下反應(yīng)1h后取出水熱釜，自然冷卻至室溫。將沉淀物離心分離，分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次，將得到的沉淀物在80℃下干燥，備用。

1.3納米MnO2/CL-20混合物的制備

將納米MnO2與CL-20按質(zhì)量比為1∶2、1∶5和1∶9研磨混合，得到3種納米MnO2/CL-20混合物。

2結(jié)果與討論

2.1納米MnO2的表征

2.1.1XRD圖譜

用晶粉衍射儀表征納米MnO2的晶相結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。

圖1　納米MnO2的XRD圖譜Fig.1　XRD pattern of MnO2nanoparticles

由圖1可看出，圖譜中所有衍射峰均與MnO2的標(biāo)準(zhǔn)XRD卡片JCPDS No.30-0820一致，證明所制備的MnO2屬于六方晶系，空間群為P63/mmc(194)，晶胞系數(shù)為a=2.8?、b=2.8?和c=4.45?，在2θ為37.120°、42.401°、56.027°和66.761°處出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰，對(duì)應(yīng)于MnO2的(1 0 0)、(1 0 1)、(1 0 2)和(1 1 0)晶面；衍射峰出現(xiàn)寬化現(xiàn)象，說(shuō)明MnO2的晶粒較小；在XRD圖譜中未出現(xiàn)雜質(zhì)峰，說(shuō)明樣品為純MnO2。

2.1.2SEM-EDS圖譜

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察納米MnO2的微觀形貌，用能譜儀對(duì)EDS微區(qū)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　納米MnO2的SEM照片F(xiàn)ig.2　SEM images of MnO2nanoparticles

圖3　納米MnO2的EDS圖譜Fig.3　EDS spectrum of MnO2nanoparticles

從圖2 可以看出，制備的MnO2呈海膽狀，直徑約為1.3μm，海膽球殼表面布滿長(zhǎng)短不一的納米棒，納米棒直徑約80nm，顆粒之間有團(tuán)聚現(xiàn)象。由圖3可以看出，樣品中只含有Mn、O兩種元素，對(duì)比XRD圖進(jìn)一步說(shuō)明制備的樣品為MnO2，無(wú)其他雜質(zhì)。

2.2納米MnO2含量對(duì)CL-20熱分解的影響

在10℃/min升溫速率下納米MnO2/CL-20混合物和純CL-20的DSC曲線如圖4所示。

圖4　MnO2/CL-20混合物與CL-20在10℃/min升溫速率下的DSC曲線Fig.4　DSC curves of MnO2/CL-20 composites andCL-20 obtained at a heating rate of 10℃/min

由圖4可看出，在MnO2/CL-20混合物中，DSC曲線上的熱分解起始溫度、峰溫、終止溫度向低溫方向移動(dòng)，且都小于CL-20。MnO2與CL-20質(zhì)量比為1∶2、1∶5和1∶9時(shí)，其峰溫相對(duì)于CL-20分別降低了7.87、7.65和7.05℃。這說(shuō)明海膽狀納米MnO2可以降低CL-20的熱分解峰溫，促進(jìn)CL-20的熱分解。

2.3MnO2/CL-20混合物的熱分解動(dòng)力學(xué)

在升溫速率為2.5、5.0、7.5、10.0、12.5和15.0℃/min下，用差示掃描量熱儀測(cè)試3種不同質(zhì)量比的MnO2/CL-20混合物和CL-20的熱分解過(guò)程，以獲得其最可幾機(jī)理函數(shù)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)。為得到MnO2/CL-20混合物及CL-20熱分解反應(yīng)的非等溫動(dòng)力學(xué)方程，利用Kissinger方程(式1)和Ozawa方程(式2)計(jì)算得到熱分解動(dòng)力學(xué)表觀活化能Ea和表觀指前因子A。

(1)

(2)

將3種不同質(zhì)量比的MnO2/CL-20混合物和CL-20在不同升溫速率下DSC曲線的溫度T與轉(zhuǎn)化率α，根據(jù)式(2)計(jì)算出分解反應(yīng)的表觀活化能Ea隨α的變化曲線，如圖5所示。

圖5　由Ozawa法得到的3種MnO2/CL-20混合物和CL-20的Ea-α曲線Fig.5　Ea-α curves of decomposition of the threecomposites and CL-20 by Ozawa′s method

從圖5可以看出，當(dāng)MnO2與CL-20的質(zhì)量比為1∶2、1∶5和1∶9時(shí)，MnO2/CL-20混合物的轉(zhuǎn)化率α分別為0.225～0.950、0.100～0.950和0.100～0.925，其表觀活化能隨轉(zhuǎn)化率的變化較小。對(duì)于CL-20，當(dāng)轉(zhuǎn)化率在0.250～0.975時(shí)，其表觀活化能隨轉(zhuǎn)化率的變化較小，表明在此過(guò)程中分解機(jī)理沒(méi)有本質(zhì)的改變，或者發(fā)生的轉(zhuǎn)變可以忽略不計(jì)。

由DSC曲線得到不同升溫速率下MnO2/CL-20混合物和CL-20的起始溫度(Te)和分解峰峰溫(Tp)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見表1。從表中1可以看出，加入MnO2后CL-20的熱分解表觀活化能Eo和Ek都降低，說(shuō)明MnO2促進(jìn)了CL-20的熱分解。

表1　用Kissinger和Ozawa法計(jì)算不同升溫速率下的CL-20和MnO2/CL-20混合物的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

注：Te為起始溫度；Eoe為不同Te下由Ozawa法計(jì)算的表觀活化能；Tp為峰溫；Ek為不同Tp下由Kissinger法計(jì)算的表觀活化能；Eo為不同Tp下由Ozawa法計(jì)算的表觀活化能；r為線性相關(guān)系數(shù)。最可幾動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù)的計(jì)算方程見式(3)～(7)。

Mac Callum-Tanner 方程：

(3)

Satava-Sestak方程：

(4)

Agrawal方程：

(5)

The Ordinary-Integral方程：

(6)

The General-Integral方程：

(7)

式中：G(α)為積分機(jī)理函數(shù)；T為在t時(shí)刻的溫度(℃)；Tp為DSC曲線中的峰溫；α為轉(zhuǎn)化率；β為升溫速率(℃/min)；R為摩爾氣體常數(shù)(8.314J/(mol·K))；E為表觀活化能(kJ/mol)；A為表觀指前因子。

將3種MnO2/CL-20混合物、CL-20的T-α數(shù)據(jù)和41種機(jī)理函數(shù)[23]分別代入式(3)～(7)，運(yùn)用最小二乘法計(jì)算獲得不同升溫速率下的表觀活化能Ea和lgA。根據(jù)單一非等溫DSC曲線所選機(jī)理函數(shù)形式而得的Ea、lgA與用多重掃描速率法(Kissinger法和Ozawa法)和等轉(zhuǎn)化率法求得的值基本一致的原則，經(jīng)邏輯選擇法選擇，得MnO2/CL-20混合物和 CL-20分解反應(yīng)機(jī)理函數(shù)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2　CL-20和MnO2/CL-20混合物的熱分解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表2可知，3種MnO2/CL-20混合物和CL-20的熱分解反應(yīng)遵循同一個(gè)最可幾機(jī)理函數(shù)，均為隨機(jī)成核和隨后生長(zhǎng)過(guò)程，最可幾機(jī)理函數(shù)是n=1/3的Avrami-Erofeev 方程，積分式為G(α)=[-ln(1-α)]1/3，相應(yīng)的微分式為f(α)=3(1-α)[-ln(1-α)]2/3。將上述最可幾機(jī)理函數(shù)微分式f(α)及表2中所求得對(duì)應(yīng)的平均值Ea和A的平均值分別代入方程：dα/dt=Af(α)exp(-E/RT)，得到動(dòng)力學(xué)方程見表3。

表3　CL-20和MnO2/CL-20混合物的動(dòng)力學(xué)方程

由表3可知，在3種MnO2/CL-20混合物中， CL-20的熱分解機(jī)理沒(méi)有改變，當(dāng)MnO2與CL-20質(zhì)量比為1∶2、1∶5和1∶9時(shí)，混合物熱分解的表觀活化能分別為178.12、179.99和183.90kJ/mol，比純CL-20(184.57kJ/mol)分別降低6.45、4.93和0.67kJ/mol，因此MnO2可以降低CL-20的活化能，對(duì)其熱分解起到一定的促進(jìn)作用。

3結(jié)論

(1)利用水熱法合成了海膽狀納米MnO2，并對(duì)其物相組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。用DSC法證明納米MnO2的加入不會(huì)改變CL-20熱分解過(guò)程的最可幾機(jī)理函數(shù)。

(2)MnO2/CL-20混合物的熱分解峰溫和表觀活化能比純CL-20都有不同程度的降低，表明MnO2對(duì)CL-20的熱分解具有促進(jìn)作用。

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Preparation of Sea Urchin-shaped Nano-MnO2and Its Effect on Thermal

Decomposition Performance of CL-20

LIU Jian-bing1, ZHAO Ning-ning1, ZHAO Feng-qi2, SONG Ji-rong1,3, MA Hai-xia1

(1.School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069, China；2.Science and Technology on

Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；

3.Conservation Technology Department, the Palace Museum, Beijing 100009)

Abstract:Sea urchin-shaped nano-MnO2particles were synthesized using hydrothermal method. The phase composition and structure of MnO2particles were characterized using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope-energy dispersive spectrometry (SEM-EDS). MnO2/CL-20 composites were prepared by grinding the mixture of nano-MnO2and CL-20 with the mass ratio of 1∶2, 1∶5 and 1∶9. The effect of nano-MnO2particles on the thermal decomposition performance of CL-20 was studied by differential scanning calorimetry (DSC). The results indicate that nano-MnO2does not change the most probable mechanism function of the thermal decomposition process of CL-20. The thermal decomposition peak temperature of CL-20 significantly decreases with the addition of nano-MnO2. Compared with pure CL-20, the apparent activation energy of MnO2/CL-20 mixture with different mass ratios reduces, indicating that the sea urchin-shaped nano-MnO2can accelerate the thermal decomposition of CL-20.

Keywords:physical chemistry; sea urchin-shaped nano-MnO2; CL-20; thermal decomposition mechanism

通訊作者:馬海霞(1974-)，女，教授，博導(dǎo)，從事含能材料的合成、熱力學(xué)性能及其量子化學(xué)研究。

作者簡(jiǎn)介:劉健冰(1988-)，男，碩士研究生，從事納米含能材料的制備、表征及其性能應(yīng)用研究。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(21373161，21101127)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃基金(12-1047)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20126101110009)資助項(xiàng)目

收稿日期:2014-12-26；修回日期:2015-02-03

中圖分類號(hào)：TJ55; O643

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)02-0019-06

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.004