氧化錳納米管及其超級(jí)鋁熱劑：制備及對(duì)環(huán)三亞甲基三硝胺熱分解的影響

安 亭 趙鳳起＊， 馬海霞 任曉寧 趙寧寧 王 瓊 楊 勇

(1西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065)

(2西北大學(xué)化工學(xué)院，西安710069)

(3清華大學(xué)化學(xué)系，北京100084)

氧化錳納米管及其超級(jí)鋁熱劑：制備及對(duì)環(huán)三亞甲基三硝胺熱分解的影響

安 亭1趙鳳起＊，1馬海霞2任曉寧1趙寧寧2王 瓊1楊 勇3

(1西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065)

(2西北大學(xué)化工學(xué)院，西安710069)

(3清華大學(xué)化學(xué)系，北京100084)

采用水熱法制備了MnO2納米管，以其與納米鋁粉為原料，采用超聲分散復(fù)合的方法，制備了超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2。利用粉末X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)及能量散射光譜儀(EDS)對(duì)產(chǎn)物的物相、組成、形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析表征，并運(yùn)用差示掃描量熱法(DSC)研究了MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑對(duì)環(huán)三亞甲基三硝胺熱分解特性的影響。結(jié)果表明，水熱法制備的納米MnO2呈管狀均勻分布，球形納米Al與管狀納米MnO2相互依附，分散較均勻；MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑的加入均改變了環(huán)三亞甲基三硝胺的熱分解行為及分解歷程，使原有占主導(dǎo)的液相分解變?yōu)槎蔚臍庀喾磻?yīng)加劇，使環(huán)三亞甲基三硝胺主分解峰形發(fā)生了明顯的改變。

材料科學(xué)；納米MnO2；超級(jí)鋁熱劑；環(huán)三亞甲基三硝胺；水熱法；超聲分散法；熱分解

超級(jí)鋁熱劑(Super Thermite)是一種典型的高反應(yīng)活性納米含能材料，通常為納米級(jí)鋁粉和氧化性較強(qiáng)的金屬/非金屬氧化物所組成的復(fù)合物。由于其諸多潛在的性能優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)防科技武器彈藥系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1-6]。從目前諸多研究成果來(lái)看，超級(jí)鋁熱劑的研究還處于初級(jí)階段、大量的科研工作還只是制備技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能表征研究[7-21]，這一領(lǐng)域非常年輕，其發(fā)展正處于從概念認(rèn)識(shí)的形成與完善到探索實(shí)踐與應(yīng)用的逐步深入過(guò)程中。

超級(jí)鋁熱劑受到熱或機(jī)械力的引發(fā)作用時(shí)，能夠發(fā)生劇烈的氧化還原性的鋁熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，燃燒波傳播速度快，最終得到氧化鋁和單質(zhì)金屬粉或合金并且放出大量的熱[21-22]。若選取在推進(jìn)劑中具有較好催化效果的納米金屬氧化物制備超級(jí)鋁熱劑，可以發(fā)揮其應(yīng)用于推進(jìn)劑所帶來(lái)的優(yōu)異性能，不僅能夠提高推進(jìn)劑燃速，還可以降低壓力指數(shù)。

材料的性能受其微觀結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸的影響，近年來(lái)納米材料的尺寸和形貌控制研究引起了人們的廣泛關(guān)注，并在晶相、晶面及形貌調(diào)控方面的研究取得了一些進(jìn)展[23-30]，但大多集中于光電催化以及一些常規(guī)條件下的催化氧化反應(yīng)中，而對(duì)于在推進(jìn)劑中應(yīng)用、對(duì)含能材料熱分解反應(yīng)產(chǎn)生催化作用的相關(guān)研究報(bào)道則較少。

Al/MnO2發(fā)生鋁熱反應(yīng)的燃燒熱高達(dá)6 165 kJ· kg-1，將其應(yīng)用于推進(jìn)劑中預(yù)計(jì)會(huì)帶來(lái)極大的性能優(yōu)越性。環(huán)三亞甲基三硝胺(黑索今,RDX)是硝胺推進(jìn)劑的主要氧化劑，其熱分解特性與推進(jìn)劑的燃燒性能密切相關(guān)，通過(guò)考察催化劑對(duì)RDX分解的催化作用，可用來(lái)預(yù)估催化劑對(duì)推進(jìn)劑的催化效果[31-32]。

目前，納米Al/MnO2復(fù)合物對(duì)RDX熱分解的影響國(guó)內(nèi)外還未見報(bào)道，為了研究其催化性能，探索其在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用前景，本工作制備了MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑，在對(duì)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征后，運(yùn)用差示掃描量熱法(DSC)研究了MnO2納米管及Al/MnO2對(duì)環(huán)三亞甲基三硝胺熱分解特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

水熱法制備MnO2納米管：將高錳酸鉀溶于去離子水中，緩慢加入鹽酸溶液并攪拌均勻，移至水熱反應(yīng)釜中，140℃下于烘箱中反應(yīng)12 h；反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，經(jīng)分離、水洗、醇洗、干燥處理后，最終得到黑色粉末狀樣品。

超聲分散復(fù)合法制備Al/MnO2復(fù)合物：稱取一定量的納米Al粉和水熱法制備的MnO2，在超聲條件下，分別分散于裝有分散劑正己烷的反應(yīng)容器中，隨后置于同一反應(yīng)容器中，繼續(xù)超聲振動(dòng)分散，并保持一定溫度，直至分散劑蒸發(fā)消失，室溫下經(jīng)沉淀老化、干燥處理，最后經(jīng)瑪瑙研缽研磨得產(chǎn)品。

1.2 結(jié)構(gòu)表征

X射線粉末衍射(XRD)測(cè)試在日本理學(xué)Rigaku D/max-2400型X射線衍射儀上進(jìn)行，X射線源采用Cu Kα(λ=0.154 18 nm)，2θ掃描速率4°·min-1，步長(zhǎng)0.02°。采用日本JEOX公司的JEM-2010型透射電子顯微鏡和荷蘭FEI公司Quanta 600型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)原料和產(chǎn)物的形貌特征進(jìn)行觀測(cè)，30萬(wàn)倍下分辨率1.2 nm；EDS分析則在英國(guó)OXFORD公司的INCA Penta FET×3型能譜分析儀上進(jìn)行，分辨率138 eV。比表面積(BET)由Quantachrome-1比表面測(cè)試儀測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)儀器及條件

將RDX分別與MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑以質(zhì)量比為19∶1、9∶1、5∶1和2∶1的比例混合，采用德國(guó)耐馳DSC 204型差示掃描量熱儀(DSC)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓力為0.1 MPa下采用動(dòng)態(tài)純氮?dú)夥眨瑴y(cè)試MnO2納米管和Al/MnO2與RDX混合物的熱分解特性，動(dòng)態(tài)流速為100 mL·min-1；溫度范圍：室溫～350℃，升溫速率：10℃·min-1；參比物為α-Al2O3，試樣量：0.80～1.0 mg；盛放試樣的樣品池為鋁質(zhì)坩堝。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

將制備的MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1所示，定量估算結(jié)果見表1。圖1A中，在2θ角為17.96°、28.66°、37.48°、41.86°、49.78°和60.14°附近出現(xiàn)了特征衍射峰，這與標(biāo)準(zhǔn)PDF 44-0141相一致，其分別對(duì)應(yīng)四方晶系結(jié)構(gòu)α-MnO2的(200)、(310)、(211)、(301)、(411)和(521)晶面，其晶胞參數(shù)a=0.978 5 nm，c=0.286 3 nm。

XRD圖中未出現(xiàn)其他雜峰，表明其為純的MnO2；圖中衍射峰均較尖銳，由此可知本研究中采用水熱法制備的MnO2具有較好的結(jié)晶性；衍射峰出現(xiàn)寬化現(xiàn)象，說(shuō)明制備產(chǎn)物晶粒較小。

圖1 MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2的XRD圖Fig.1 XRD patterns of MnO2nanotube and its super thermite Al/MnO2

表1 XRD測(cè)試結(jié)果的定量估算及納米鋁粉(nano-Al)粒徑計(jì)算Table1 Quantitative estimation of XRD testing results and size estimation of nano-Al powder

圖1B中不僅出現(xiàn)了MnO2四方晶系結(jié)構(gòu)的特征衍射峰，其在2θ角為38.47°、44.90°、65.09°、 78.22°附近還出現(xiàn)了Al的特征衍射峰，分別對(duì)應(yīng)鋁面心立方結(jié)構(gòu)的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。綜上，由定量估算分析結(jié)合XRD圖可知，超級(jí)鋁熱劑與PDF 04-0787和14-0687一致，即與Al和MnO2的標(biāo)準(zhǔn)圖卡片完全吻合，存在兩種物質(zhì)的特征衍射峰，且峰形良好無(wú)任何雜峰，這說(shuō)明復(fù)合產(chǎn)物中為純相的Al和MnO2共存，且二者未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，呈現(xiàn)出復(fù)合物的特征。

2.2 SEM和EDS表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)制備產(chǎn)物的微觀形貌進(jìn)行分析，MnO2納米管的SEM照片和EDS微區(qū)分析見圖2。

由圖2可以看出，本研究中采用水熱法制備的納米MnO2表面光滑，長(zhǎng)短不一呈管狀均勻分布，其管徑分布在60～100 nm之間；EDS譜圖中僅出現(xiàn)O和Mn兩種元素，沒有其他雜質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物純度較高。

納米顆粒尺寸小，比表面積大和比表面能高，自身團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，本工作在制備超級(jí)鋁熱劑過(guò)程中，采用超聲振蕩分散的方法，利用其超聲的空化作用，以及在溶液中形成的沖擊波和微射流，更大尺度地提高顆粒的分散性。

圖3為超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2的SEM照片和EDS微區(qū)分析，從圖中的SEM照片可以看出，球形納米Al與管狀納米MnO2相互依附在一起形成了復(fù)合物，EDS分析表明其中僅含元素O、Mn和Al，未出現(xiàn)其他雜質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物純度較高。

圖2 MnO2納米管的SEM照片和EDS圖譜Fig.2 SEM image and EDS spectrum of MnO2nanotube

圖3 超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2的SEM照片和EDS圖譜Fig.3 SEM image and EDS spectrum of super thermite Al/MnO2

此外，由比表面測(cè)定結(jié)果可知，與純的納米Al (33 m2·g-1)相比，Al/MnO2超級(jí)鋁熱劑的比表面積(55 m2·g-1)明顯增大，這是由于在超聲分散作用下，納米Al與MnO2相互依附，納米MnO2管狀結(jié)構(gòu)的支撐作用減少了球形Al粒子的團(tuán)聚，使其比表面積增加。此外，納米MnO2自身大的比表面積(68 m2·g-1)也對(duì)復(fù)合物較大的比表面積做出了重要貢獻(xiàn)。

2.3 對(duì)RDX熱分解特性的影響

為研究MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2對(duì)RDX熱分解的影響，分別將其與RDX進(jìn)行不同含量配比的DSC實(shí)驗(yàn)，將獲得的DSC曲線示于圖4。其中圖A為水熱法制備的MnO2納米管含量不同對(duì)RDX熱分解的影響曲線，圖B為超級(jí)鋁熱劑Al/ MnO2含量不同對(duì)RDX熱分解的影響曲線。

從圖4中的DSC曲線可看出，隨著混合體系中RDX含量的減少、納米MnO2及Al/MnO2復(fù)合材料的逐漸增多，一次分解(主峰)峰溫推后，二次分解(肩峰)峰溫提前，主分解峰形發(fā)生了明顯的改變，由RDX單質(zhì)的242.0℃處主峰及253.0℃處肩峰的特征逐漸演化為主峰變肩峰及肩峰變主峰的峰形；而當(dāng)混合體系中MnO2或Al/MnO2加入到一定比例時(shí)(如RDX與MnO2或Al/MnO2的比例變化為2∶1)，體系二次分解峰形變得尖銳，幾乎遮蓋了一次分解峰溫，二次分解峰溫幾乎不再變化，即原來(lái)歸屬于RDX的主分解峰消失、肩峰變?yōu)橹鞣澹f(shuō)明MnO2及Al/MnO2的加入改變了RDX的熱分解過(guò)程，使原有占主導(dǎo)的液相分解變?yōu)槎蔚臍庀喾磻?yīng)加劇。

水熱法制備的MnO2納米管及其超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2含量不同時(shí)，對(duì)RDX熱分解行為的影響不同，表2和表3分別為獲得的熱分解特征量值數(shù)據(jù)。

表2 水熱法制備MnO2納米管的含量對(duì)RDX熱分解的影響Table2 Effect of the content of MnO2nanotube prepared by hydrothermal method on the thermal decomposition of RDX

表3 超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2的含量對(duì)RDX熱分解的影響Table3 Effect of the content of super thermite Al/MnO2on the thermal decomposition of RDX

由圖4的DSC曲線特征變化及表2、表3的數(shù)據(jù)可以看出，體系中隨著RDX含量的下降、MnO2或 Al/MnO2含量的增多，除發(fā)生氣相反應(yīng)占主導(dǎo)之外，RDX的熔點(diǎn)、熔融吸熱峰溫也均呈現(xiàn)提前的趨勢(shì)。體系的分解放熱量變化規(guī)律也出現(xiàn)改變，主要表現(xiàn)為從先前體系中隨MnO2或Al/MnO2的增加放熱量逐漸降低，出現(xiàn)最小值，再增加MnO2或Al/MnO2則分解熱開始增加，但與純RDX相比，體系的放熱量仍是下降的。這主要是因?yàn)镸nO2或Al/MnO2具有一定導(dǎo)熱性，在DSC這種非絕熱量熱裝置中，它們的加入使得整個(gè)體系導(dǎo)熱系數(shù)增加，散熱、傳熱變好，量熱時(shí)損失的熱量增加，熱量較純RDX相比出現(xiàn)下降，且隨體系中MnO2或Al/MnO2的逐漸增多分解放熱量逐漸下降。但當(dāng)MnO2或Al/MnO2加入到一定量時(shí)(RDX與MnO2或Al/MnO2的質(zhì)量比為2∶1)整個(gè)體系導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)減小，分解放熱量開始增加。另外，RDX分解氣體產(chǎn)物與MnO2或Al/MnO2在較低溫下可能部分發(fā)生氣固相間的反應(yīng)，一方面使得RDX分解峰溫有所提前，二次分解峰形尖銳。另一方面，該反應(yīng)會(huì)受到二者間比例的影響。

綜上分析表明，納米MnO2及Al/MnO2復(fù)合材料的加入均改變了RDX的熱分解行為及分解歷程，而且隨著MnO2及Al/MnO2含量的逐漸增加，RDX熱分解的一次分解峰溫推后、二次分解峰溫提前，體系的分解放熱量逐漸降低，而當(dāng)混合體系中MnO2及Al/MnO2的比例超過(guò)某一臨界值時(shí)，RDX熱分解的主分解峰消失，肩峰變?yōu)橹鞣迩曳逍巫兊眉怃J，體系放熱量又開始增加。

3 結(jié)論

(1)采用水熱法和超聲分散復(fù)合法，分別制備了納米MnO2及其超級(jí)鋁熱劑Al/MnO2。形貌和結(jié)構(gòu)分析表明，納米MnO2呈管狀均勻分布，球形納米Al與管狀納米MnO2相互依附形成了純相的Al/MnO2復(fù)合粉體，體系中的兩種材料呈現(xiàn)分子間復(fù)合物的特征。

(2)納米MnO2及Al/MnO2復(fù)合材料的加入改變了RDX的主分解峰形，對(duì)RDX的高溫液相分解產(chǎn)生了明顯的影響，隨著體系中MnO2或Al/MnO2的相對(duì)含量逐漸增多，RDX熱分解發(fā)生了主峰和肩峰互相轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。

(3)隨著RDX含量下降、納米MnO2及Al/MnO2復(fù)合材料含量的增加，體系總的分解放熱量逐漸減小，并出現(xiàn)最小值，隨后分解熱又開始增加，但體系的總放熱量仍小于純RDX的放熱量。

(4)MnO2納米管及Al/MnO2復(fù)合材料對(duì)RDX熱分解的影響主要表現(xiàn)為改變其熱分解行為及放熱量，且其分解歷程會(huì)受到二者間比例的影響。

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MnO2Nanotube and Its Super Thermite:Preparation and Their Effect on Thermal Decomposition of Cyclotrimethylene Trinitramine

AN Ting1ZHAO Feng-Qi＊,1MA Hai-Xia2REN Xiao-Ning1ZHAO Ning-Ning1WANG Qiong1YANG Yong3
(1Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory,Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)
(2Department of Chemical Engineering,Northwest University,Xi′an 710069,China)
(3Department of Chemistry,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

The nano-MnO2was prepared by hydrothermal method,and then super thermite Al/MnO2was prepared by ultrasonic dispersion method using nano-MnO2and Al nanoparticles as raw materials.The physical phase, composition,morphology and structure of products were characterized by X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer(SEM-EDS).The catalytic effect of MnO2nanotube and the super thermite on the thermal decomposition of cyclotrimethylene trinitramine were investigated by differential scanning colorimetry(DSC).The results indicate that nano-MnO2is in tubular structure,and the globose nano-Al particles are homodispersed on the surface of MnO2nanotube.MnO2nanotube and its super thermite influence the thermal decomposition behavior and decomposition process of cyclotrimethylene trinitramine.They can change the primary decomposition of liquid phase to the reaction of secondary gas phase and can change the shape of main decomposition peak obviously.

material science;nano-MnO2;super thermite;cyclotrimethylene trinitramine;hydrothermal method;ultrasonic dispersion method;thermal decomposition

O611.62；O612.7；O643

A

1001-4861(2015)01-0097-06

10.11862/CJIC.2015.010

2014-07-20。收修改稿日期：2014-09-25。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.21173163);燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(No.9140C350302120C3501)資助項(xiàng)目。＊

。E-mail：npecc@163.com;Tel:86-29-88291263.；會(huì)員登記號(hào)：S06N3692M1408。