高能混合炸藥用鋁粉的硅烷偶聯(lián)劑表面改性研究

魯彥玲，趙　然，高欣寶，杜仕國

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系,石家莊　050030)

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高能混合炸藥用鋁粉的硅烷偶聯(lián)劑表面改性研究

魯彥玲，趙然，高欣寶，杜仕國

(軍械工程學(xué)院 彈藥工程系,石家莊050030)

摘要:為提高鋁粉在混合炸藥中的作用效能，用硅烷偶聯(lián)劑對6 μm鋁粉分別與300 nm、50 nm兩種納米級粒徑的鋁粉級配混合試樣進行了表面處理，對獲得的粉體做了SEM、IR分析，結(jié)果表明：硅烷偶聯(lián)劑在鋁粉表面形成了一層硅烷偶聯(lián)劑膜層，這層膜對單質(zhì)鋁氧化起保護作用，有利于保持活性鋁含量，對提高鋁粉在混合炸藥中的作用具有積極的意義; 微米級和納米級鋁粉混合并得到適當?shù)谋砻嫣幚?，微米級顆?？梢宰鳛榧{米級顆粒良好分散的“載體”，有效發(fā)揮納米尺度顆粒的優(yōu)勢作用。

關(guān)鍵詞：鋁粉；偶聯(lián)劑；微米；納米

本文引用格式：魯彥玲，趙然，高欣寶，等.高能混合炸藥用鋁粉的硅烷偶聯(lián)劑表面改性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(6):57-60.

Citationformat:LUYan-ling,ZHAORan,GAOXin-bao,etal.SurfaceDisposingAlPowderwithSilaneCouplingAgents[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):57-60.

在炸藥中加入高熱值的金屬粉末是提高炸藥作功能力的途徑之一。含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱的高威力炸藥,已被廣泛應(yīng)用在水中兵器和對空武器彈藥[1-3]。含鋁炸藥的爆轟過程中,鋁粉參加爆轟反應(yīng),對爆轟效應(yīng)有著重要影響，因此，改善鋁粉狀態(tài)，提高其在混合炸藥中的作用，具有重要的實際意義[4-6]。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們對納米鋁粉部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁粉充滿期待。而納米鋁粉的應(yīng)用，會面臨納米的活性保持[7-8]、納米顆粒團聚和分散等問題。而微米、納米鋁粉的級配混合、鋁粉的表面改性，是解決納米鋁粉團聚和分散問題的一種途徑[9-10]。

偶聯(lián)劑也稱表面處理劑,是上世紀40年代發(fā)展起來的一類新型助劑，它們能對許多有機填料和無機填料起偶聯(lián)作用,增強材料表面親合力,甚至起到鍵合作用。硅烷偶聯(lián)劑是一類在分子中同時具有兩種不同性質(zhì)的反應(yīng)性基團的有機硅化合物,通過硅烷偶聯(lián)劑能使兩種不同性質(zhì)的物質(zhì)很好地“偶聯(lián)”起來,形成無機相-硅烷偶聯(lián)劑-有機相的結(jié)合層,使各類復(fù)合體系的粘接強度得到顯著改善[11-12]。

作者采用一種偶聯(lián)劑KH-845-4/Si-69，為雙-(γ- 三乙氧基硅基丙基)四硫化物，對不同粒徑鋁粉顆粒進行表面改性處理，利用SEM、IR等分析手段，對改性處理后的粉體進行了研究。結(jié)果表明：硅烷偶聯(lián)劑確實在鋁粉表面形成一層保護膜，這層膜的存在，預(yù)計會有效改善鋁粉在混合炸藥有機體系中的存在狀態(tài)，有助于鋁粉作用的有效發(fā)揮。

1　實驗部分

1.1試劑及儀器

試劑：硅烷偶聯(lián)劑KH-845-4/Si-69，為雙-(γ- 三乙氧基硅基丙基)四硫化物，為南京道寧化工有限公司生產(chǎn)的分析純試劑,丙酮、無水乙醇為上?；瘜W(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純試劑。

鋁粉顏料分別A(平均粒徑為6μm)、C(平均粒徑為300nm)、D(平均粒徑為50nm)的粉體，由南京納晨科技有限公司提供。

檢測用儀器有:掃描電子顯微鏡(OXFORDInstrumentJEM-2000CX型)；傅里葉變換紅外光譜分析儀(BRUKETENSORⅡ)。

1.2實驗過程

取定量鋁粉顏料加入乙醇洗滌， 脫除表面殘留有機溶劑， 過濾。偶聯(lián)劑試劑和乙醇按10∶90質(zhì)量比配制成溶液，靜置5min，加入2g鋁粉顏料，20℃下攪拌反應(yīng)30min，并用超聲波振蕩處理20min,然后用乙醇洗滌， 過濾， 60℃烘干即得改性處理的鋁粉顏料。

2　結(jié)果與討論

2.1硅烷偶聯(lián)劑對不同鋁粉粉體的處理

用硅烷偶聯(lián)劑KH-845-4/Si-69對A、B、C粉體進行了處理，偶聯(lián)劑試劑和乙醇質(zhì)量比為10∶90，試驗情況見表1。對表1獲得的5種粉體進行了電鏡分析，有關(guān)照片見圖1。

從圖1中，可以看出，未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的6μm的鋁粉顆粒，表面有一層薄膜且比較致密，顆粒之間能夠獨立存在，幾乎沒有團聚現(xiàn)象。300nm和50nm的兩種納米級顆粒，表面也有一層薄膜，但是，300nm的顆粒表面的薄膜似乎也不完整，有可見缺陷，而50nm顆粒表面薄膜則比較致密，但是，50nm顆粒的團聚現(xiàn)象更嚴重。

當6μm的鋁粉顆粒和300nm、50nm的顆粒分別復(fù)合并經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，對比發(fā)現(xiàn)，6μm和300nm復(fù)合，并經(jīng)偶聯(lián)劑劑處理的A-B-Si，在6μm大顆粒表面幾乎沒有粘附團聚的300nm鋁粉團聚體，兩種粉體幾乎很好的獨立存在，相互之間沒有粘附現(xiàn)象。而在6μm和50nm復(fù)合，并經(jīng)偶聯(lián)劑處理的A-C-Si圖中，在6μm大顆粒的表面粘附了一部分團聚的50nm的鋁粉團聚體，團聚體覆蓋了6μm顆粒的一大部分面積。由圖1中可見，50nm顆粒能夠嵌入覆蓋6μm顆粒表面的缺陷。

圖1　5種粉體的SEM照片

從整個圖1的SEM照片可以看出，粉體尺寸越小時，團聚越嚴重。6μm的鋁粉和300nm、50nm的鋁粉級配并用偶聯(lián)劑處理時，6μm鋁粉和300nm鋁粉之間近乎彼此獨立，但是該級配體系中的300nm粉體部分與單純300nm鋁粉相比，團聚程度有所下降，而6μm鋁粉與50nm鋁粉的級配體系中的納米粉體團聚程度較單獨的50nm粉體團聚程度有所下降，但納米級團聚體幾乎覆蓋了整個微米級顆粒表面，微米級顆?？梢宰鳛榧{米級顆粒有限粘附的“載體”，形成的復(fù)合體可以規(guī)避納米顆粒不易分散的缺點，發(fā)揮納米尺度顆粒比表面積大、活性強的優(yōu)勢作用。

2.2偶聯(lián)劑處理后粉體的紅外分析

從圖1 的電鏡照片中可以看出，經(jīng)偶聯(lián)劑處理的級配體系中，納米顆粒的團聚程度有所下降，納米級鋁粉顆粒團聚在微米級顆粒的表面，應(yīng)該和硅烷偶聯(lián)劑的作用有一定關(guān)系，因此對表1獲得的5種粉體，進行了紅外分析，分析結(jié)果見圖2。

圖2　5種粉體的紅外譜圖

對獲得5種粉體進行了紅外譜圖分析，從圖2中可以看出，A、B、C3種不同粒徑的鋁粉基本沒有明顯的有機基團的吸收峰，說明這3種粉體表面幾乎沒有有機物的吸附。而經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的混合鋁粉，在紅外譜圖中，則表現(xiàn)出有豐富的有機官能團。因此，對經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的四種混合鋁粉的紅外譜峰進行了梳理，見表2。

在硅烷偶聯(lián)劑形成的硅氧膜中，Si-O-Si鍵一般在1 100～1 000cm-1有表現(xiàn)峰，Si-O-C在1 100～900cm-1處有表現(xiàn)峰，Si-C在890～690cm-1處有表現(xiàn)峰；結(jié)合硅烷偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)，從表2中的吸收峰可以看出，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的混合鋁粉，表面確實包覆了一層硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)膜。而這層膜的存在，能對單質(zhì)鋁氧化起到一定的保護作用，這種保護作用有利于保持活性鋁含量，對提高鋁粉在混合炸藥中的作用具有積極的意義;另外，這層膜的存在，對微米、納米鋁粉在混合炸藥等有機系中的分散、改善鋁粉無機顆粒與有機體系的界面起到有效的改善作用。

表2　兩種鋁粉的紅外吸收峰

3　結(jié)論

通過對6μm、300nm、50nm等3種粒徑的鋁粉、微米級和納米級鋁粉混合并經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理試樣的研究，發(fā)現(xiàn)：硅烷偶聯(lián)劑在鋁粉表面形成了一層硅烷偶聯(lián)劑縮聚膜層，這層膜能對單質(zhì)鋁氧化起到保護作用，對微米、納米鋁粉在混合炸藥等有機系中的分散、改善鋁粉無機顆粒與有機體系的界面起到有效的改善作用。微米級和納米級鋁粉混合并能得到適當?shù)谋砻嫣幚頃r，微米級顆?？梢宰鳛榧{米級顆粒良好分散的“載體”，有效發(fā)揮納米尺度顆粒的優(yōu)勢作用。

參考文獻：

[1]項大林，榮吉利，李健，等.黑索金基含鋁炸藥的鋁氧化比對爆轟性能及其水下爆炸性能的影響[J].兵工學(xué)報，2013,34(1)：45-50.

[2]齊曉飛，張曉宏，嚴啟龍，等.固體推進劑用納米核殼型鋁粉的制備及其應(yīng)用研究進展[J].化工新型材料，2012，40(4):20-23.

[3]馮小軍，王曉峰，李媛媛，等.鋁粉粒度和爆炸環(huán)境對含鋁炸藥爆炸能量的影響[J].火炸藥學(xué)報，2013,36(6)：24-27.

[4]裴明敬，田朝陽，胡華權(quán)，等.鋁粉在溫壓炸藥爆炸過程中的響應(yīng)分析[J].火炸藥學(xué)報，2013，36( 4):7-12.

[5]汪亮，劉華強，劉敏華.包覆鋁粉破裂燃燒的實驗觀測[J].固體火箭技術(shù)，1999，22(2):40- 44.

[6]李鑫，趙鳳起，郝海霞等.不同類型微/納米鋁粉點火燃燒特性研究[J].兵工學(xué)報，2014，35(5)：640-647.

[7]何麗蓉，肖樂琴，菅曉霞，等.氧化鋁殼層對納米鋁粉的熱反應(yīng)特性影響研究[J].固體火箭技術(shù)，2012,35(3)：382-385.

[8]何麗蓉，肖樂琴，菅曉霞，等.納米鋁粉的熱反應(yīng)特性的TG-DSC研究[J].固體火箭技術(shù)，2011,34(5)：628-631.

[9]郭連貴.核殼結(jié)構(gòu)納米鋁粉的制備及其活性變化規(guī)律的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[10]周玉華.X射線Rietveld法測定納米鋁粉中單質(zhì)鋁含量及微觀應(yīng)力的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[11]呂杰.納米鋁粉單質(zhì)鋁含量測定方法的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[12]王守旭，沈瑞琪，葉迎華，等.硅烷偶聯(lián)劑對多孔硅的穩(wěn)定化研究[J].含能材料，2012,20(2):223-228.

(責任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.013

收稿日期：2016-02-23；修回日期：2016-03-15

基金項目：軍械工程學(xué)院原始創(chuàng)新基金(YSCX1401)

作者簡介：魯彥玲(1974—)，女，講師，主要從事軍事化學(xué)與煙火技術(shù)研究；趙然(1982—)，男，講師，主要從事軍事化學(xué)與煙火技術(shù)研究。

中圖分類號：TJ55;V512

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0057-04

SurfaceDisposingAlPowderwithSilaneCouplingAgents

LUYan-ling,ZHAORan,GAOXin-bao,DUShi-guo

(AmmunitionDepartment,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050030,China)

Abstract:To improve aluminum performance in the mixture explosive, the mixture of 6 μm aluminum powder respectively with 300 nm, 50 nm aluminum powder were treated with silane coupling agent, and the obtained powder samples were analyzed by SEM, IR. The results show that silane coupling agent forms a layer of silane coupling agent film on the surface of the aluminium powder, and this layer of film helps to protect aluminum powder from oxidation, which has positive influence on improving aluminum performance in the mixture explosive; When micron grade and nanoscale aluminium powder were mix and the surface was treated properly, micron aluminum powder can be served as carrier of nano aluminum powder, which helps nano aluminum powder exerts advantages.

Key words:Al powder; coupling agent; micron; nanometer