硬脂酸包覆納米鋁粉燃燒特性

堵同寬，朱寶忠，李　浩，劉永午，孫運蘭（安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

硬脂酸包覆納米鋁粉燃燒特性

堵同寬，朱寶忠，李浩，劉永午，孫運蘭
（安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

通過控制變量法，采用自行設(shè)計的可視化管式爐對包覆納米鋁粉的燃燒過程進行實驗，研究硬脂酸包覆比例對納米鋁粉抗氧化性和燃燒性能的影響，同時采用掃描電鏡和能譜分析技術(shù)對純鋁粉、包覆鋁粉及其樣品燃燒產(chǎn)物的形貌與成分進行分析。結(jié)果表明：納米鋁粉包覆后鋁顆粒分散更均勻，有效保持了活性鋁粉含量，鋁的質(zhì)量分數(shù)提高了9.62%；在氧化劑相同的條件下，硬脂酸包覆的納米鋁粉比未包覆的納米鋁粉燃燒充分，并且包覆比例以m（硬脂酸）∶m（鋁）為1∶3的樣品效果最好，燃燒產(chǎn)物中氧化鋁含量最高，燃燒最充分。

納米鋁粉；包覆；硬脂酸；燃燒特性

納米鋁粉因具有原料來源多［1-2］、小尺寸效應(yīng)及高反應(yīng)活性等優(yōu)良性能而廣泛應(yīng)用于炸藥、武器彈藥［3］等領(lǐng)域。在含能燃料中添加納米鋁粉可以提高燃速，降低壓強指數(shù)，因此納米鋁粉也被用作火箭推進劑中的添加劑［4-7］。但較高的活性使納米鋁粉在儲存過程中易與環(huán)境中的酸、堿、氧氣、水進行反應(yīng)，降低活性鋁含量，又影響其化學(xué)性能［8-9］。因此，如何保持納米鋁粉的活性是當前的研究熱點之一。

為保持納米鋁粉的活性，國內(nèi)外研究者采用不同種類的包覆劑對納米鋁粉進行包覆處理，主要有碳包覆、金屬包覆、聚合物包覆等。如張小塔等［10］采用碳包覆納米鋁粒子，經(jīng)包覆處理的鋁粒子發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)的溫度降低；程志鵬等［11］采用金屬鎳包覆納米鋁粒子，包覆處理促進了鋁粉的氧化；Kiehl等［12］采用丙烯酸等單體聚合包覆超細片狀鋁粉，包覆處理的鋁粉對酸堿的抵抗能力提高，其化學(xué)穩(wěn)定性及電阻和物理吸附能力均得到增強。但是一些特殊的包覆工藝生產(chǎn)成本較高、程序復(fù)雜，且會使納米鋁粉放熱不集中，降低能量釋放率。因此，盡可能選擇工藝簡單并且可燃的包覆材料。

硬脂酸是一種有機物，易于燃燒，用其包覆納米鋁粉工藝簡單?；诖耍闹胁捎糜仓岚布{米鋁粉，研究包覆比例對納米鋁粉燃燒特性的影響，以期提高納米鋁粉的抗氧化性，得到保持高活性鋁含量的納米鋁粉。

1　實驗

1.1材料與樣品制備

納米鋁粉，平均粒度為100 nm，購于徐州宏武納米材料有限公司；硬脂酸（C18H36O2）和乙醇，均為分析純，購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

按照硬脂酸和鋁粉質(zhì)量比為1∶1，1∶2和1∶3的比例，稱取一定量硬脂酸與納米鋁粉。用乙醇作為溶劑，將硬脂酸溶解于無水乙醇，攪拌1 h，使硬脂酸完全溶解。然后將一定量的納米鋁粉加入硬脂酸溶液中，再攪拌3 h，直至溶液充分混合。將充分混合的溶液放在烘箱中常溫烘干，乙醇易揮發(fā)，烘干后得到硬脂酸包覆的納米鋁粉。

為使納米鋁粉充分燃燒，配制質(zhì)量分數(shù)為5%雙氧水的水溶液作為鋁粉反應(yīng)的氧化劑。稱取雙氧水溶液1 g、硬脂酸包覆鋁粉1 g，并添加少量無水乙醇充分混合均勻后制成一定形狀的樣品，放入冷凍箱中在-40℃下冷凍至固體樣品。樣品組分如表1。

表1　樣品組分Tab.1 Sample compositions

1.2實驗方法

采用自行設(shè)計的如圖1所示的可視化管式爐裝置對包覆納米鋁粉的燃燒過程進行實驗。實驗前，打開流量計開關(guān)通入水蒸氣，待管內(nèi)空氣排盡時，將包覆樣品放入樣品盤，且快速送入石英管中燃燒。將熱電偶埋入樣品中并連接計算機記錄樣品燃燒過程的溫度變化。實驗時管內(nèi)加熱絲溫度設(shè)置為600℃。

采用JSM-6510LV掃描電子顯微鏡（SEM）和INCA-FEATURE X-MAX 20能譜儀對純鋁粉、包覆的鋁粉以及樣品的燃燒產(chǎn)物進行分析。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

2　結(jié)果與分析

2.1包覆比例對納米鋁粉燃料燃燒特性的影響

樣品燃燒過程中典型時刻的火焰形貌如圖2。由圖2可知，整個燃燒過程分為兩個階段，融化沸騰階段和燃燒階段。最初階段為融化沸騰過程，樣品從固體狀態(tài)開始融化并沸騰，其中添加的水分蒸發(fā)，雙氧水分解失放出水和氧氣，使樣品產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。融化沸騰階段之后，即為燃燒階段，鋁粉達到著火點與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)開始燃燒。

由圖2還可看出，不同包覆比的樣品燃燒現(xiàn)象均不相同。樣品s-1燃燒時間短而且火焰明亮，這是因為樣品s-1中鋁粉未經(jīng)包覆處理，相同質(zhì)量的樣品中鋁粉含量多。但是樣品s-1局部有未燃燼的樣品存在，這是燃面?zhèn)鞑ヌ焖隆ｄX粉經(jīng)包覆后，如樣品s-2，s-3和s-4由于包覆材料硬脂酸占一定的比例，在相同質(zhì)量的樣品中鋁粉含量比未經(jīng)包覆處理的樣品少，所以燃燒時火焰亮度減弱。另外，隨硬脂酸包覆比例的降低，燃燒火焰亮度增強，硬脂酸含量最少的樣品s-4，燃燒火焰最明亮，燃燒最劇烈，同時能夠充分燃燒，說明采用含量較少的硬脂酸包覆納米鋁粉保持了鋁粉的活性，因此燃燒劇烈。雖然包覆納米鋁粉使鋁粉顆粒之間接觸減少，降低了納米鋁粉在儲存中的損失，但是包覆劑在鋁粉顆粒之間的摻雜會使鋁粉在燃燒時集中放熱稍有變差，宏觀燃燒特性發(fā)生一些改變。

2.2燃燒產(chǎn)物分析

圖3為純鋁粉和包覆鋁粉及其燃燒產(chǎn)物的掃描電鏡圖。由圖3（a），（b）可以看出：純鋁粉中產(chǎn)物呈現(xiàn)一些大小不均勻的球形顆粒狀；經(jīng)包覆處理后，納米鋁粉分布相對均勻。

表2為納米鋁粉和包覆納米鋁粉的能譜分析結(jié)果。假設(shè)鋁完全被氧化成Al2O3，則氧原子（O）與鋁原子（Al）的原子個數(shù)之比為3∶2，即1.5。如果氧原子與鋁原子的個數(shù)之比大于1.5，則主要成分為Al2O3；如果氧原子與鋁原子的個數(shù)之比小于1.5，則說明含有未氧化單質(zhì)Al，比值越小，單質(zhì)Al含量越高。由表2可知，納米鋁粉中原子個數(shù)之比為0.41，而包覆的納米鋁粉為0.19，包覆的納米鋁粉單質(zhì)鋁的質(zhì)量分數(shù)為90.05%，比未包覆的納米鋁粉鋁質(zhì)量分數(shù)高出9.62%，這說明硬脂酸的包覆阻斷了外界環(huán)境與納米鋁粉的接觸，保持了納米鋁粉的高活性，保護了納米鋁粉不被氧化。

圖2　各樣品的燃燒火焰形貌Fig.2 Combustion phenomena of different samples

圖3　各樣品的SEM圖Fig.3 SEM photographs of different samples

由圖3（c），（d）可得：純鋁粉和包覆鋁粉燃燒后產(chǎn)物的表面形貌有很大不同，純鋁粉燃燒產(chǎn)物呈塊狀，表面有很多絮狀物；與樣品s-1燃燒產(chǎn)物不同的是，樣品s-4燃燒產(chǎn)物表面有很多孔洞，大小不一，這些孔洞由包覆材料硬脂酸的分解形成，可以增大樣品與水蒸氣的接觸面積，使鋁粉反應(yīng)更加充分。

表3為樣品s-1，s-4燃燒產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果。由表3可知：樣品s-1燃燒產(chǎn)物中氧原子與鋁原子的原子個數(shù)之比為0.95，小于1.5，說明樣品燃燒并不充分，有部分鋁殘留；樣品s-4燃燒產(chǎn)物中氧原子與鋁原子的原子個數(shù)之比是1.49，接近1.5，產(chǎn)物大部分為Al2O3，包覆的納米鋁粉燃燒產(chǎn)物的氧含量比純鋁粉燃燒產(chǎn)物高，表明納米鋁粉經(jīng)過硬脂酸包覆處理，不僅保持了納米鋁粉的活性，而且鋁粉燃燒更充分。

表2　樣品s--1和s--4能譜分析結(jié)果Tab.2 EDS of s--1 and s--4 samples

表3　樣品s--1和s--4燃燒產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Tab.3 EDSofcombustionproductsofs--1ands--4samples

3　結(jié)　論

1）經(jīng)硬脂酸包覆的納米鋁粉比未包覆的納米鋁粉燃燒充分，其中以硬脂酸與Al的質(zhì)量比為1∶3包覆的樣品燃燒最為劇烈。

2）硬脂酸對納米鋁粉的包覆提高了納米鋁粉的活性，鋁質(zhì)量分數(shù)從80.43%提高到90.05%。

3）包覆納米鋁粉樣品的燃燒產(chǎn)物含更多的氧化鋁，燃燒更充分。包覆的納米鋁粉表面有明顯的孔洞，這些孔洞增大了燃料與氧化劑的接觸面積，有利于燃燒。

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責任編輯：何莉

Combustion Characterization of Nano-aluminum Coated by StearicAcid

DU Tongkuan，ZHU Baozhong，LI Hao，LIU Yongwu，SUN Yunlan
（School of Energy and Environment，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

The experiment was performed in the visual tube furnace of our own design by controlling the variable method，and the effects of different coated proportions of stearic acid and nano-aluminum powder on antioxidant properties and combustion characteristics of nano-aluminum powder were studied，the different morphologies and components of nano-aluminum powder，coated nano-aluminum powder and combustion product were also analyzed with scanning electron microscopy and energy spectrum analysis technology.The results show that aluminum particles disperse more evenly，and the content of active aluminum of coated nano-aluminum powder is kept，the mass fraction of aluminum increases by 9.62%.The coated nano-aluminum powder burn more sufficiently than that of nano-aluminum powder，especially，the best mass proportion of stearic acid and aluminum is 1∶3，the content of alumina in the combustion products is highest of all，this sample get most fully burning.

nano-aluminum；coated；stearic acid；combustion characteristics

TB174.46

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.006

1671-7872（2016）-01-0023-05

2015-03-27

國家自然科學(xué)基金項目（51206001；51376007）

堵同寬（1991-），男，安徽蚌埠人，碩士生，主要研究方向為高能燃料燃燒。

朱寶忠（1979-），男，山東臨沂人，副教授，主要研究方向為金屬燃料燃燒。