專利名稱：：一種含能微纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種含能微纖維及其制備方法，屬于含能材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在早期，鋁熱劑主要指的是Al和Fe2O3按照一定比例配制的混合物，用作引燃劑。隨著研究的不斷深入，鋁熱劑的概念得到了進(jìn)一步推廣，其范圍變?yōu)榻饘倥c金屬氧化物或非金屬氧化物的混合物或者復(fù)合物，如用Cu0、Mo03等氧化物代替Fe2O3與Al按一定配比得到的混合物也可稱為鋁熱劑。鋁熱反應(yīng)是一種高放熱反應(yīng)，因此有許多用途，如軍事目標(biāo)和彈藥的破壞、縱火武器、切割器和焊接器等。由于傳統(tǒng)鋁熱劑中的氧化劑與還原劑粒度比較大，顆粒間存在分離，其爆燃速度和能量釋放速率緩慢。亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(MetastableIntermolecularComposites,MIC),也稱為“超級鋁熱劑”或金屬/金屬氧化物納米顆粒，是由納米級的氧化劑(如金屬氧化物)和還原劑(主要是鋁粉)組成的復(fù)合物。它不僅可以克服傳統(tǒng)鋁熱劑反應(yīng)速度慢，反應(yīng)不完全等缺點(diǎn)，而且MIC還具有小的臨界直徑、大的比表面積、高的能量密度和能量釋放速度等性能。在1995年，Aumann等制備了直徑為20_50nm的Μο03/Α1復(fù)合含能材料，測得其燃燒速率是傳統(tǒng)鋁熱劑的1000倍，能量密度最大可達(dá)16kJ/cm3。目前，美國已將其用作槍彈底火。同樣Granier,Pantoya等人也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al的粒徑從20000nm減小到50nm時，A1/Mo03的燃燒速率提高了10倍，點(diǎn)火時間降低了兩個數(shù)量級，MIC對點(diǎn)火時間響應(yīng)的重復(fù)性也得到提聞。目前所制備的MIC多數(shù)以粉體、陣列、薄膜的形式存在。如Tillotson通過溶膠-凝膠法制備了粉末狀的AVFe2O3；Zhang通過氣相沉積法制備了Al/CuO納米陣列；Manesh等通過熱蒸發(fā)法制備了Al/CuO多層膜復(fù)合含能材料。另外,研究者已經(jīng)指出MIC是一類非常有潛力作為反應(yīng)性材料應(yīng)用于武器戰(zhàn)斗部中的物質(zhì)，如環(huán)境清潔的引信和雷管、可化學(xué)或生物降解的高性能火箭推進(jìn)劑、紅外干擾等領(lǐng)域。MIC還有一個顯而易見的優(yōu)勢，就是在材料尺寸上滿足了當(dāng)前微型器件設(shè)計的需求，可以制備成微納米含能器件。如K.L.Zhang等人利用Al/CuO成功制備了微點(diǎn)火器，其點(diǎn)火成功率高達(dá)98%，火焰溫度高于2000°C，釋放的能量約為2950J/g。邵自強(qiáng)等人采用靜電紡絲的方法制備了硝化棉纖維，并將納米粒子Ni、Cu、Al、Fe3O4添加于硝化棉纖維中。此種方法操作簡單，且利用無機(jī)納米粒子的催化效果改善了硝化棉的燃燒性能，但單一的納米粒子對其提高能量方面并不明顯。此外，他們使用的混合溶劑中存在有水，易與活性比較高的納米金屬粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響納米粒子對硝化棉燃燒性能的催化效果，限制了其在微器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一在于克服
背景技術(shù)：
不足，提供一種含能微纖維及其制備方法。以硝化棉(簡稱NC)為載體，通過靜電紡絲制備MIC/硝化棉微纖維的方法，該方法可提高硝化棉的燃燒性能和能量密度；避免無機(jī)納米粒子與水的反應(yīng)；可制備直徑均勻可控的復(fù)合含能材料；滿足微型器件的設(shè)計要求。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案一種含能微纖維，所述含能微纖維是利用金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉制備的微纖維。制備上述的一種含能微纖維的方法，將金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉加入到混合溶劑中，配制成靜電紡絲溶液，再通過靜電紡絲裝置制備微纖維。進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述靜電紡絲裝置的紡絲電壓為15kv30kv，紡絲溫度為28°C33°C，擠出速度為4mL/h8mL/h，環(huán)境相對濕度為52%57%，接收距離為8cm30cmo進(jìn)一步的技術(shù)方案是,所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬為Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一種或多種，所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬氧化物為FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一種或多種。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬與金屬氧化物的顆粒摩爾比為2:I2:3。進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述混合溶劑為丙酮、甲醇、異丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中任意兩種混合的溶劑。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述任意兩種混合的混合體積比為O.5:II:0.5。進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉的質(zhì)量比為5:10040:100。進(jìn)一步的技術(shù)方案是,所述靜電紡絲溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%15wt%更進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述靜電紡絲溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8wt%llwt%。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(I)本發(fā)明在硝化棉的紡絲溶液中加入了含能催化劑——MIC,能有效提高硝化棉的燃燒性能和能量密度。(2)本發(fā)明選取了有機(jī)試劑作為混合溶劑，防止了無機(jī)納米粒子與水分子間的反應(yīng)。(3)本發(fā)明首次將MIC制成微纖維，增加了MIC的存在形式。(4)本發(fā)明制備的MIC/硝化棉微纖維直徑均勻可控，適合微型器件設(shè)計的需求，可用于微推進(jìn)劑和微起爆器等領(lǐng)域。圖I為靜電紡絲裝置圖。圖中1.高壓電源，2.推進(jìn)泵，3.注射器，4.旋轉(zhuǎn)收集裝置，5.負(fù)高壓。圖2為本發(fā)明實(shí)施例I制備的純硝化棉微纖維的掃描電鏡圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維的掃描電鏡圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例I和實(shí)施例2制備的硝化棉及MIC/硝化棉微纖維的XRD圖-i'TfeP曰。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維在Au微加熱器上燃燒前的照片。圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維在Au微加熱器上燃燒時的照片。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明。實(shí)施例I:在室溫條件下，將硝化棉溶解于丙酮/N，N-二甲基乙酰胺(丙酮與N，N-二甲基乙酰胺體積比為I:O.5)的混合溶劑中，配制成濃度為10wt%的靜電紡絲溶液約10mL。參照圖1，在室溫下，將上述靜電紡絲溶液注入進(jìn)樣管中，進(jìn)樣管前端的金屬針頭與高壓電源I相連。開啟高壓電源I，設(shè)其值為25kv，推進(jìn)泵2推進(jìn)注射器3的推進(jìn)速度為8mL/h。在靜電場力作用下，上述靜電紡絲溶液從帶正電的針頭“飛到”帶負(fù)電的旋轉(zhuǎn)收集裝置4的過程中不斷被拉伸，同時溶劑揮發(fā)，最終在距離針頭20cm處的鋁絲收集架上得到硝化棉微纖維，所制備的硝化棉纖維產(chǎn)品見圖2，從圖2可以看出，純硝化棉微纖維表面光滑，直徑均勻。實(shí)施例2首先，將納米級的AVFe2O3顆粒按摩爾比為2I置于環(huán)己烷溶液中，超聲混合后放入真空干燥箱中干燥。然后，將硝化棉與上述真空干燥的納米級的AVFe2O3顆粒加入到丙酮/N，N-二甲基乙酰胺(丙酮與N，N-二甲基乙酰胺體積比為I:0.5)的混合溶劑中，配制成濃度為10wt%的靜電紡絲溶液約10mL。其中AVFe2O3(MIC):硝化棉=310(質(zhì)量比)。參照圖1，在室溫下，將上述靜電紡絲溶液注入進(jìn)樣管中，進(jìn)樣管前端的金屬針頭與高壓電源I相連。開啟高壓電源I，設(shè)其值為25kv，推進(jìn)泵2推進(jìn)注射器3的推進(jìn)速度為8mL/h。在靜電場力作用下，上述靜電紡絲溶液從帶正電的針頭“飛到”帶負(fù)電的旋轉(zhuǎn)收集裝置4的過程中不斷被拉伸，同時溶劑揮發(fā)，最終在距離針頭20cm處的鋁絲收集架上得到MIC/硝化棉微纖維，所制備的MIC/硝化棉微纖維產(chǎn)品見圖3，從圖3中可以看出，加入MIC后，硝化棉微纖維表面變得粗糙，觀察到了MIC顆粒。圖4為本發(fā)明實(shí)施例I制備的硝化棉微纖維和實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維的XRD圖譜。通過對比，發(fā)現(xiàn)加入MIC后，在硝化棉的XRD圖譜中觀察到Al和Fe2O3的晶態(tài)衍射峰，證明了所制備的微纖維確實(shí)是由MIC和硝化棉組成的。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維在Au微加熱器上燃燒前的照片。圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制備的MIC/硝化棉微纖維在Au微加熱器上燃燒時的照片。通過對比圖5和圖6，發(fā)現(xiàn)MIC/硝化棉微纖維一旦點(diǎn)燃，很快燃燒完，且發(fā)出明亮的白光。實(shí)施例I和實(shí)施例2的混合溶劑除可以用丙酮和N，N-二甲基乙酰胺混合外，還可以用丙酮、甲醇、異丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺中的任意兩種混合。實(shí)施例2的納米級的Al/Fe203顆粒為金屬/金屬氧化物納米顆粒(MIC),上述金屬還可以是Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一種或多種,上述金屬氧化物還可以是FeO、Fe2O3、CoO、NiO、Cu2O、CuO、Sb2O3、MoO2、MoO3、Cr2O3、PbO2、WO2、WO3中的一種或多種。上述微加熱器包括Au/Pt/Cr微加熱器等。從上文描述的實(shí)施例可以看出，本發(fā)明在硝化棉的紡絲溶液中加入了含能催化劑——MIC,能有效提高硝化棉的燃燒性能和能量密度。本發(fā)明選取了有機(jī)試劑作為混合溶齊U，防止了無機(jī)納米粒子與水分子間的反應(yīng)。本發(fā)明還首次將MIC制成微纖維，增加了MIC的存在形式。本發(fā)明制備的亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(MIC)/硝化棉微纖維直徑均勻可控，適合微型器件設(shè)計的需求，可用于微推進(jìn)劑和微起爆器等領(lǐng)域。在本說明書中所談到的“實(shí)施例”、“實(shí)施例1”、“實(shí)施例2”等，指的是結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包括在本申請概括性描述的至少一個實(shí)施例中。結(jié)合任一實(shí)施例描述一個具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時，所要主張的是結(jié)合其他實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管這里參照本發(fā)明的多個解釋性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出很多其他的修改和實(shí)施方式，這些修改和實(shí)施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內(nèi)。更具體地說，在本申請公開、附圖和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。除了對組成部件和/或布局進(jìn)行的變型和改進(jìn)外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的用途也將是明顯的。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施例只限于這些說明。權(quán)利要求1.一種含能微纖維，其特征在于所述含能微纖維是利用金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉制備的微纖維。2.制備權(quán)利要求I所述的一種含能微纖維的方法，其特征在于將金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉加入到混合溶劑中，配制成靜電紡絲溶液，再通過靜電紡絲裝置制備微纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述靜電紡絲裝置的紡絲電壓為15kv30kv,紡絲溫度為28V33°C,擠出速度為4mL/h8mL/h,環(huán)境相對濕度為52%57%,接收距離為8cm30cm。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬為Al、Si、Zr、Be、Mg、Ba、Ti和B中的一種或多種,所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬氧化物為Fe0、Fe203、Co0、Ni0、Cu20、Cu0、Sb203、Mo02、Mo03、Cr203、Pb02、W02、W03中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述金屬/金屬氧化物納米顆粒中的金屬與金屬氧化物的顆粒摩爾比為2:I2:3。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述混合溶劑為丙酮、甲醇、異丙醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸戊酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中任意兩種混合的溶劑。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述任意兩種混合的混合體積比為0.5II:0.5。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述金屬/金屬氧化物納米顆粒與硝化棉的質(zhì)量比為510040100。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述靜電紡絲溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%15wt%。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備一種含能微纖維的方法，其特征在于所述靜電紡絲溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8wt%IIwt%。全文摘要本發(fā)明公開了一種含能微纖維，利用金屬/金屬氧化物納米顆粒(MIC)與硝化棉通過靜電紡絲方法制備的微纖維，本發(fā)明還公開了制備一種含能微纖維的方法，將金屬/金屬氧化物納米顆粒(MIC)與硝化棉加入到混合溶劑中，配制成靜電紡絲溶液，再通過靜電紡絲裝置制備微纖維。本發(fā)明在硝化棉的紡絲溶液中加入了含能催化劑——金屬/金屬氧化物納米顆粒(MIC)，能有效提高硝化棉的燃燒性能和能量密度；選取有機(jī)試劑作為混合溶劑，防止了無機(jī)納米粒子與水分子間的反應(yīng)；首次將MIC制成微纖維，增加了MIC的存在形式；金屬/金屬氧化物納米顆粒(MIC)/硝化棉微纖維直徑均勻可控，適合微型器件設(shè)計的需求，可用于微推進(jìn)劑和微起爆器等領(lǐng)域。文檔編號D01F1/10GK102634861SQ201210112328公開日2012年8月15日申請日期2012年4月17日優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日發(fā)明者徐紅梅,李瑞,楊光成,沈金朋,譙志強(qiáng)申請人:中國工程物理研究院化工材料研究所