高能混合炸药用铝粉的硅烷偶联剂表面改性研究

鲁彦玲，赵　然，高欣宝，杜仕国

(军械工程学院 弹药工程系,石家庄　050030)



高能混合炸药用铝粉的硅烷偶联剂表面改性研究

鲁彦玲，赵然，高欣宝，杜仕国

(军械工程学院 弹药工程系,石家庄050030)

摘要:为提高铝粉在混合炸药中的作用效能，用硅烷偶联剂对6 μm铝粉分别与300 nm、50 nm两种纳米级粒径的铝粉级配混合试样进行了表面处理，对获得的粉体做了SEM、IR分析，结果表明：硅烷偶联剂在铝粉表面形成了一层硅烷偶联剂膜层，这层膜对单质铝氧化起保护作用，有利于保持活性铝含量，对提高铝粉在混合炸药中的作用具有积极的意义; 微米级和纳米级铝粉混合并得到适当的表面处理，微米级颗粒可以作为纳米级颗粒良好分散的“载体”，有效发挥纳米尺度颗粒的优势作用。

关键词：铝粉；偶联剂；微米；纳米

本文引用格式：鲁彦玲，赵然，高欣宝，等.高能混合炸药用铝粉的硅烷偶联剂表面改性研究[J].兵器装备工程学报，2016(6):57-60.

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

在炸药中加入高热值的金属粉末是提高炸药作功能力的途径之一。含铝炸药作为一类高密度、高爆热的高威力炸药,已被广泛应用在水中兵器和对空武器弹药[1-3]。含铝炸药的爆轰过程中,铝粉参加爆轰反应,对爆轰效应有着重要影响，因此，改善铝粉状态，提高其在混合炸药中的作用，具有重要的实际意义[4-6]。

随着纳米技术的发展，人们对纳米铝粉部分或全部代替传统铝粉充满期待。而纳米铝粉的应用，会面临纳米的活性保持[7-8]、纳米颗粒团聚和分散等问题。而微米、纳米铝粉的级配混合、铝粉的表面改性，是解决纳米铝粉团聚和分散问题的一种途径[9-10]。

偶联剂也称表面处理剂,是上世纪40年代发展起来的一类新型助剂，它们能对许多有机填料和无机填料起偶联作用,增强材料表面亲合力,甚至起到键合作用。硅烷偶联剂是一类在分子中同时具有两种不同性质的反应性基团的有机硅化合物,通过硅烷偶联剂能使两种不同性质的物质很好地“偶联”起来,形成无机相-硅烷偶联剂-有机相的结合层,使各类复合体系的粘接强度得到显著改善[11-12]。

作者采用一种偶联剂KH-845-4/Si-69，为双-(γ- 三乙氧基硅基丙基)四硫化物，对不同粒径铝粉颗粒进行表面改性处理，利用SEM、IR等分析手段，对改性处理后的粉体进行了研究。结果表明：硅烷偶联剂确实在铝粉表面形成一层保护膜，这层膜的存在，预计会有效改善铝粉在混合炸药有机体系中的存在状态，有助于铝粉作用的有效发挥。

1　实验部分

1.1试剂及仪器

试剂：硅烷偶联剂KH-845-4/Si-69，为双-(γ- 三乙氧基硅基丙基)四硫化物，为南京道宁化工有限公司生产的分析纯试剂,丙酮、无水乙醇为上海化学试剂有限公司生产的分析纯试剂。

铝粉颜料分别A(平均粒径为6μm)、C(平均粒径为300nm)、D(平均粒径为50nm)的粉体，由南京纳晨科技有限公司提供。

检测用仪器有:扫描电子显微镜(OXFORDInstrumentJEM-2000CX型)；傅里叶变换红外光谱分析仪(BRUKETENSORⅡ)。

1.2实验过程

取定量铝粉颜料加入乙醇洗涤， 脱除表面残留有机溶剂， 过滤。偶联剂试剂和乙醇按10∶90质量比配制成溶液，静置5min，加入2g铝粉颜料，20℃下搅拌反应30min，并用超声波振荡处理20min,然后用乙醇洗涤， 过滤， 60℃烘干即得改性处理的铝粉颜料。

2　结果与讨论

2.1硅烷偶联剂对不同铝粉粉体的处理

用硅烷偶联剂KH-845-4/Si-69对A、B、C粉体进行了处理，偶联剂试剂和乙醇质量比为10∶90，试验情况见表1。对表1获得的5种粉体进行了电镜分析，有关照片见图1。

从图1中，可以看出，未经偶联剂处理的6μm的铝粉颗粒，表面有一层薄膜且比较致密，颗粒之间能够独立存在，几乎没有团聚现象。300nm和50nm的两种纳米级颗粒，表面也有一层薄膜，但是，300nm的颗粒表面的薄膜似乎也不完整，有可见缺陷，而50nm颗粒表面薄膜则比较致密，但是，50nm颗粒的团聚现象更严重。

当6μm的铝粉颗粒和300nm、50nm的颗粒分别复合并经硅烷偶联剂处理后，对比发现，6μm和300nm复合，并经偶联剂剂处理的A-B-Si，在6μm大颗粒表面几乎没有粘附团聚的300nm铝粉团聚体，两种粉体几乎很好的独立存在，相互之间没有粘附现象。而在6μm和50nm复合，并经偶联剂处理的A-C-Si图中，在6μm大颗粒的表面粘附了一部分团聚的50nm的铝粉团聚体，团聚体覆盖了6μm颗粒的一大部分面积。由图1中可见，50nm颗粒能够嵌入覆盖6μm颗粒表面的缺陷。

图1　5种粉体的SEM照片

从整个图1的SEM照片可以看出，粉体尺寸越小时，团聚越严重。6μm的铝粉和300nm、50nm的铝粉级配并用偶联剂处理时，6μm铝粉和300nm铝粉之间近乎彼此独立，但是该级配体系中的300nm粉体部分与单纯300nm铝粉相比，团聚程度有所下降，而6μm铝粉与50nm铝粉的级配体系中的纳米粉体团聚程度较单独的50nm粉体团聚程度有所下降，但纳米级团聚体几乎覆盖了整个微米级颗粒表面，微米级颗粒可以作为纳米级颗粒有限粘附的“载体”，形成的复合体可以规避纳米颗粒不易分散的缺点，发挥纳米尺度颗粒比表面积大、活性强的优势作用。

2.2偶联剂处理后粉体的红外分析

从图1 的电镜照片中可以看出，经偶联剂处理的级配体系中，纳米颗粒的团聚程度有所下降，纳米级铝粉颗粒团聚在微米级颗粒的表面，应该和硅烷偶联剂的作用有一定关系，因此对表1获得的5种粉体，进行了红外分析，分析结果见图2。

图2　5种粉体的红外谱图

对获得5种粉体进行了红外谱图分析，从图2中可以看出，A、B、C3种不同粒径的铝粉基本没有明显的有机基团的吸收峰，说明这3种粉体表面几乎没有有机物的吸附。而经过硅烷偶联剂处理的混合铝粉，在红外谱图中，则表现出有丰富的有机官能团。因此，对经过偶联剂处理的四种混合铝粉的红外谱峰进行了梳理，见表2。

在硅烷偶联剂形成的硅氧膜中，Si-O-Si键一般在1 100～1 000cm-1有表现峰，Si-O-C在1 100～900cm-1处有表现峰，Si-C在890～690cm-1处有表现峰；结合硅烷偶联剂的分子结构，从表2中的吸收峰可以看出，经过硅烷偶联剂处理的混合铝粉，表面确实包覆了一层硅烷偶联剂交联膜。而这层膜的存在，能对单质铝氧化起到一定的保护作用，这种保护作用有利于保持活性铝含量，对提高铝粉在混合炸药中的作用具有积极的意义;另外，这层膜的存在，对微米、纳米铝粉在混合炸药等有机系中的分散、改善铝粉无机颗粒与有机体系的界面起到有效的改善作用。

表2　两种铝粉的红外吸收峰

3　结论

通过对6μm、300nm、50nm等3种粒径的铝粉、微米级和纳米级铝粉混合并经硅烷偶联剂处理试样的研究，发现：硅烷偶联剂在铝粉表面形成了一层硅烷偶联剂缩聚膜层，这层膜能对单质铝氧化起到保护作用，对微米、纳米铝粉在混合炸药等有机系中的分散、改善铝粉无机颗粒与有机体系的界面起到有效的改善作用。微米级和纳米级铝粉混合并能得到适当的表面处理时，微米级颗粒可以作为纳米级颗粒良好分散的“载体”，有效发挥纳米尺度颗粒的优势作用。

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(责任编辑周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.013

收稿日期：2016-02-23；修回日期：2016-03-15

基金项目：军械工程学院原始创新基金(YSCX1401)

作者简介：鲁彦玲(1974—)，女，讲师，主要从事军事化学与烟火技术研究；赵然(1982—)，男，讲师，主要从事军事化学与烟火技术研究。

中图分类号：TJ55;V512

文献标识码：A

文章编号：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