魯彥玲，趙　然，高欣寶，杜仕國(guó)

(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(guó)

(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(duì)6 μm鋁粉分別與300 nm、50 nm兩種納米級(jí)粒徑的鋁粉級(jí)配混合試樣進(jìn)行了表面處理，對(duì)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(duì)單質(zhì)鋁氧化起保護(hù)作用，有利于保持活性鋁含量，對(duì)提高鋁粉在混合炸藥中的作用具有積極的意義; 微米級(jí)和納米級(jí)鋁粉混合并得到適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，微米?jí)顆?？梢宰鳛榧{米級(jí)顆粒良好分散的“載體”，有效發(fā)揮納米尺度顆粒的優(yōu)勢(shì)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(bào)，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(lèi)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(duì)空武器彈藥[1-3]。含鋁炸藥的爆轟過(guò)程中,鋁粉參加爆轟反應(yīng),對(duì)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(shí)際意義[4-6]。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)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(huì)面臨納米的活性保持[7-8]、納米顆粒團(tuán)聚和分散等問(wèn)題。而微米、納米鋁粉的級(jí)配混合、鋁粉的表面改性，是解決納米鋁粉團(tuán)聚和分散問(wèn)題的一種途徑[9-10]。

偶聯(lián)劑也稱(chēng)表面處理劑,是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型助劑，它們能對(duì)許多有機(jī)填料和無(wú)機(jī)填料起偶聯(lián)作用,增強(qiáng)材料表面親合力,甚至起到鍵合作用。硅烷偶聯(lián)劑是一類(lèi)在分子中同時(shí)具有兩種不同性質(zhì)的反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)硅化合物,通過(guò)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(lái),形成無(wú)機(jī)相-硅烷偶聯(lián)劑-有機(jī)相的結(jié)合層,使各類(lèi)復(fù)合體系的粘接強(qiáng)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(duì)不同粒徑鋁粉顆粒進(jìn)行表面改性處理，利用SEM、IR等分析手段，對(duì)改性處理后的粉體進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：硅烷偶聯(lián)劑確實(shí)在鋁粉表面形成一層保護(hù)膜，這層膜的存在，預(yù)計(jì)會(huì)有效改善鋁粉在混合炸藥有機(jī)體系中的存在狀態(tài)，有助于鋁粉作用的有效發(fā)揮。

1　實(shí)驗(yàn)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?cè)噭?丙酮、無(wú)水乙醇為上?；瘜W(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭?/p>

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(cè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

取定量鋁粉顏料加入乙醇洗滌， 脫除表面殘留有機(jī)溶劑， 過(guò)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(guò)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(duì)不同鋁粉粉體的處理

用硅烷偶聯(lián)劑KH-845-4/Si-69對(duì)A、B、C粉體進(jìn)行了處理，偶聯(lián)劑試劑和乙醇質(zhì)量比為10∶90，試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。對(duì)表1獲得的5種粉體進(jìn)行了電鏡分析，有關(guān)照片見(jiàn)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(dú)立存在，幾乎沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象。300nm和50nm的兩種納米級(jí)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(jiàn)缺陷，而50nm顆粒表面薄膜則比較致密，但是，50nm顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象更嚴(yán)重。

當(dāng)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(duì)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(méi)有粘附團(tuán)聚的300nm鋁粉團(tuán)聚體，兩種粉體幾乎很好的獨(dú)立存在，相互之間沒(méi)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(tuán)聚的50nm的鋁粉團(tuán)聚體，團(tuán)聚體覆蓋了6μm顆粒的一大部分面積。由圖1中可見(jiàn)，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(gè)圖1的SEM照片可以看出，粉體尺寸越小時(shí)，團(tuán)聚越嚴(yán)重。6μm的鋁粉和300nm、50nm的鋁粉級(jí)配并用偶聯(lián)劑處理時(shí)，6μm鋁粉和300nm鋁粉之間近乎彼此獨(dú)立，但是該級(jí)配體系中的300nm粉體部分與單純300nm鋁粉相比，團(tuán)聚程度有所下降，而6μm鋁粉與50nm鋁粉的級(jí)配體系中的納米粉體團(tuán)聚程度較單獨(dú)的50nm粉體團(tuán)聚程度有所下降，但納米級(jí)團(tuán)聚體幾乎覆蓋了整個(gè)微米級(jí)顆粒表面，微米級(jí)顆?？梢宰鳛榧{米級(jí)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(diǎn)，發(fā)揮納米尺度顆粒比表面積大、活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)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(jí)配體系中，納米顆粒的團(tuán)聚程度有所下降，納米級(jí)鋁粉顆粒團(tuán)聚在微米級(jí)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(duì)表1獲得的5種粉體，進(jìn)行了紅外分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　5種粉體的紅外譜圖

對(duì)獲得5種粉體進(jìn)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(méi)有明顯的有機(jī)基團(tuán)的吸收峰，說(shuō)明這3種粉體表面幾乎沒(méi)有有機(jī)物的吸附。而經(jīng)過(guò)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(jī)官能團(tuán)。因此，對(duì)經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理的四種混合鋁粉的紅外譜峰進(jìn)行了梳理，見(jiàn)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(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理的混合鋁粉，表面確實(shí)包覆了一層硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)膜。而這層膜的存在，能對(duì)單質(zhì)鋁氧化起到一定的保護(hù)作用，這種保護(hù)作用有利于保持活性鋁含量，對(duì)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(duì)微米、納米鋁粉在混合炸藥等有機(jī)系中的分散、改善鋁粉無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)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(guò)對(duì)6μm、300nm、50nm等3種粒徑的鋁粉、微米級(jí)和納米級(jí)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(duì)單質(zhì)鋁氧化起到保護(hù)作用，對(duì)微米、納米鋁粉在混合炸藥等有機(jī)系中的分散、改善鋁粉無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)體系的界面起到有效的改善作用。微米級(jí)和納米級(jí)鋁粉混合并能得到適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚頃r(shí)，微米級(jí)顆?？梢宰鳛榧{米級(jí)顆粒良好分散的“載體”，有效發(fā)揮納米尺度顆粒的優(yōu)勢(shì)作用。

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(責(zé)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(xiàng)目：軍械工程學(xué)院原始創(chuàng)新基金(YSCX1401)

作者簡(jiǎn)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(lèi)號(hào)：TJ55;V512

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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