硬脂酸包覆纳米铝粉燃烧特性

堵同宽，朱宝忠，李　浩，刘永午，孙运兰（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002）

硬脂酸包覆纳米铝粉燃烧特性

堵同宽，朱宝忠，李浩，刘永午，孙运兰
（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山243002）

通过控制变量法，采用自行设计的可视化管式炉对包覆纳米铝粉的燃烧过程进行实验，研究硬脂酸包覆比例对纳米铝粉抗氧化性和燃烧性能的影响，同时采用扫描电镜和能谱分析技术对纯铝粉、包覆铝粉及其样品燃烧产物的形貌与成分进行分析。结果表明：纳米铝粉包覆后铝颗粒分散更均匀，有效保持了活性铝粉含量，铝的质量分数提高了9.62%；在氧化剂相同的条件下，硬脂酸包覆的纳米铝粉比未包覆的纳米铝粉燃烧充分，并且包覆比例以m（硬脂酸）∶m（铝）为1∶3的样品效果最好，燃烧产物中氧化铝含量最高，燃烧最充分。

纳米铝粉；包覆；硬脂酸；燃烧特性

纳米铝粉因具有原料来源多［1-2］、小尺寸效应及高反应活性等优良性能而广泛应用于炸药、武器弹药［3］等领域。在含能燃料中添加纳米铝粉可以提高燃速，降低压强指数，因此纳米铝粉也被用作火箭推进剂中的添加剂［4-7］。但较高的活性使纳米铝粉在储存过程中易与环境中的酸、碱、氧气、水进行反应，降低活性铝含量，又影响其化学性能［8-9］。因此，如何保持纳米铝粉的活性是当前的研究热点之一。

为保持纳米铝粉的活性，国内外研究者采用不同种类的包覆剂对纳米铝粉进行包覆处理，主要有碳包覆、金属包覆、聚合物包覆等。如张小塔等［10］采用碳包覆纳米铝粒子，经包覆处理的铝粒子发生剧烈氧化反应的温度降低；程志鹏等［11］采用金属镍包覆纳米铝粒子，包覆处理促进了铝粉的氧化；Kiehl等［12］采用丙烯酸等单体聚合包覆超细片状铝粉，包覆处理的铝粉对酸碱的抵抗能力提高，其化学稳定性及电阻和物理吸附能力均得到增强。但是一些特殊的包覆工艺生产成本较高、程序复杂，且会使纳米铝粉放热不集中，降低能量释放率。因此，尽可能选择工艺简单并且可燃的包覆材料。

硬脂酸是一种有机物，易于燃烧，用其包覆纳米铝粉工艺简单。基于此，文中采用硬脂酸包覆纳米铝粉，研究包覆比例对纳米铝粉燃烧特性的影响，以期提高纳米铝粉的抗氧化性，得到保持高活性铝含量的纳米铝粉。

1　实验

1.1材料与样品制备

纳米铝粉，平均粒度为100 nm，购于徐州宏武纳米材料有限公司；硬脂酸（C18H36O2）和乙醇，均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

按照硬脂酸和铝粉质量比为1∶1，1∶2和1∶3的比例，称取一定量硬脂酸与纳米铝粉。用乙醇作为溶剂，将硬脂酸溶解于无水乙醇，搅拌1 h，使硬脂酸完全溶解。然后将一定量的纳米铝粉加入硬脂酸溶液中，再搅拌3 h，直至溶液充分混合。将充分混合的溶液放在烘箱中常温烘干，乙醇易挥发，烘干后得到硬脂酸包覆的纳米铝粉。

为使纳米铝粉充分燃烧，配制质量分数为5%双氧水的水溶液作为铝粉反应的氧化剂。称取双氧水溶液1 g、硬脂酸包覆铝粉1 g，并添加少量无水乙醇充分混合均匀后制成一定形状的样品，放入冷冻箱中在-40℃下冷冻至固体样品。样品组分如表1。

表1　样品组分Tab.1 Sample compositions

1.2实验方法

采用自行设计的如图1所示的可视化管式炉装置对包覆纳米铝粉的燃烧过程进行实验。实验前，打开流量计开关通入水蒸气，待管内空气排尽时，将包覆样品放入样品盘，且快速送入石英管中燃烧。将热电偶埋入样品中并连接计算机记录样品燃烧过程的温度变化。实验时管内加热丝温度设置为600℃。

采用JSM-6510LV扫描电子显微镜（SEM）和INCA-FEATURE X-MAX 20能谱仪对纯铝粉、包覆的铝粉以及样品的燃烧产物进行分析。

图1　实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipment

2　结果与分析

2.1包覆比例对纳米铝粉燃料燃烧特性的影响

样品燃烧过程中典型时刻的火焰形貌如图2。由图2可知，整个燃烧过程分为两个阶段，融化沸腾阶段和燃烧阶段。最初阶段为融化沸腾过程，样品从固体状态开始融化并沸腾，其中添加的水分蒸发，双氧水分解失放出水和氧气，使样品产生沸腾现象。融化沸腾阶段之后，即为燃烧阶段，铝粉达到着火点与水蒸气发生反应开始燃烧。

由图2还可看出，不同包覆比的样品燃烧现象均不相同。样品s-1燃烧时间短而且火焰明亮，这是因为样品s-1中铝粉未经包覆处理，相同质量的样品中铝粉含量多。但是样品s-1局部有未燃烬的样品存在，这是燃面传播太快所致。铝粉经包覆后，如样品s-2，s-3和s-4由于包覆材料硬脂酸占一定的比例，在相同质量的样品中铝粉含量比未经包覆处理的样品少，所以燃烧时火焰亮度减弱。另外，随硬脂酸包覆比例的降低，燃烧火焰亮度增强，硬脂酸含量最少的样品s-4，燃烧火焰最明亮，燃烧最剧烈，同时能够充分燃烧，说明采用含量较少的硬脂酸包覆纳米铝粉保持了铝粉的活性，因此燃烧剧烈。虽然包覆纳米铝粉使铝粉颗粒之间接触减少，降低了纳米铝粉在储存中的损失，但是包覆剂在铝粉颗粒之间的掺杂会使铝粉在燃烧时集中放热稍有变差，宏观燃烧特性发生一些改变。

2.2燃烧产物分析

图3为纯铝粉和包覆铝粉及其燃烧产物的扫描电镜图。由图3（a），（b）可以看出：纯铝粉中产物呈现一些大小不均匀的球形颗粒状；经包覆处理后，纳米铝粉分布相对均匀。

表2为纳米铝粉和包覆纳米铝粉的能谱分析结果。假设铝完全被氧化成Al2O3，则氧原子（O）与铝原子（Al）的原子个数之比为3∶2，即1.5。如果氧原子与铝原子的个数之比大于1.5，则主要成分为Al2O3；如果氧原子与铝原子的个数之比小于1.5，则说明含有未氧化单质Al，比值越小，单质Al含量越高。由表2可知，纳米铝粉中原子个数之比为0.41，而包覆的纳米铝粉为0.19，包覆的纳米铝粉单质铝的质量分数为90.05%，比未包覆的纳米铝粉铝质量分数高出9.62%，这说明硬脂酸的包覆阻断了外界环境与纳米铝粉的接触，保持了纳米铝粉的高活性，保护了纳米铝粉不被氧化。

图2　各样品的燃烧火焰形貌Fig.2 Combustion phenomena of different samples

图3　各样品的SEM图Fig.3 SEM photographs of different samples

由图3（c），（d）可得：纯铝粉和包覆铝粉燃烧后产物的表面形貌有很大不同，纯铝粉燃烧产物呈块状，表面有很多絮状物；与样品s-1燃烧产物不同的是，样品s-4燃烧产物表面有很多孔洞，大小不一，这些孔洞由包覆材料硬脂酸的分解形成，可以增大样品与水蒸气的接触面积，使铝粉反应更加充分。

表3为样品s-1，s-4燃烧产物的能谱分析结果。由表3可知：样品s-1燃烧产物中氧原子与铝原子的原子个数之比为0.95，小于1.5，说明样品燃烧并不充分，有部分铝残留；样品s-4燃烧产物中氧原子与铝原子的原子个数之比是1.49，接近1.5，产物大部分为Al2O3，包覆的纳米铝粉燃烧产物的氧含量比纯铝粉燃烧产物高，表明纳米铝粉经过硬脂酸包覆处理，不仅保持了纳米铝粉的活性，而且铝粉燃烧更充分。

表2　样品s--1和s--4能谱分析结果Tab.2 EDS of s--1 and s--4 samples

表3　样品s--1和s--4燃烧产物的能谱分析结果Tab.3 EDSofcombustionproductsofs--1ands--4samples

3　结　论

1）经硬脂酸包覆的纳米铝粉比未包覆的纳米铝粉燃烧充分，其中以硬脂酸与Al的质量比为1∶3包覆的样品燃烧最为剧烈。

2）硬脂酸对纳米铝粉的包覆提高了纳米铝粉的活性，铝质量分数从80.43%提高到90.05%。

3）包覆纳米铝粉样品的燃烧产物含更多的氧化铝，燃烧更充分。包覆的纳米铝粉表面有明显的孔洞，这些孔洞增大了燃料与氧化剂的接触面积，有利于燃烧。

［1］孟天财.含铝燃料空气混合物爆轰性能研究［J］.南京理工大学学报，1994（1）:64-69.

［2］王雪松，兴超，潘峰，等.硅铝溶胶结合剂对钢包耐火浇注料性能的影响［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2013，30（4）: 365-367.

［3］赵凤起，覃光明，蔡炳源.纳米材料在火炸药中的应用研究现状及发展方向［J］.火箭炸药学报，2001，24（4）:61-65.

［4］卢勇.高含铝炸药能量释放规律及表征［D］.南京：南京理工大学，2014:38-44.

［5］安亭，赵凤起，肖立柏.高反应活性纳米含能材料的研究进展［J］.含能材料，2010，33（3）:55-67.

［6］李淑芬，金乐骥.铝粉粒度对含铝推进剂燃烧特性的影响［J］.含能材料，1996，4（2）:68-74.

［7］JAYARAMAN K，ANAND K V，DAVID S，et al.Bhatt production，characterization，and combustion of nanoaluminum in composite solid propellants［J］.Journal of Propulsion and Power，2009，25（2）:471-481.

［8］王建军，宋武林，郭连贵，等.表面钝化纳米铝粉的制备及氧化机理分析［J］.表面技术，2008，37:42-44.

［9］王辉.烟火药剂用铝粉钝化实验及性能研究［J］.舰船科学技术，2012，34（4）:128-131.

［10］张小塔，宋武林，郭连贵，等.激光-感应复合加热法制备碳包覆纳米铝粉［J］.中国粉体工业，2008（2）:35-39.

［11］程志鹏，杨毅，王毅，等.纳米镍包覆超细铝复合粉末的氧化性能［J］.物理化学学报，2008，23（1）:152-156.

［12］KIEHLA，GREIWE K.Encapsulated aluminum pigments［J］.Progress in Organic Coatings，1999，37（3）:179-183.

责任编辑：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

国家自然科学基金项目（51206001；51376007）

堵同宽（1991-），男，安徽蚌埠人，硕士生，主要研究方向为高能燃料燃烧。

朱宝忠（1979-），男，山东临沂人，副教授，主要研究方向为金属燃料燃烧。