Nanostrukturalne materiały wybuchowe otrzymywane metodą zol-żel : synteza i właściwości

• Autorzy: Kiciński W.

Warianty tytułu

EN

Nanostructured energetic materials with sol-gel chemistry : preparation and properties

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Nową formą materiałów wysokoenergetycznych, która w ostatnich latach wzbudza duże zainteresowanie, są nanostrukturalne materiały wybuchowe (NanoMW). Materiały takie łączą zalety jednoskładnikowych MW (duża moc) i mieszanin pirotechnicznych (duża gęstość energii). W artykule opisano syntezę i wstępną charakterystykę nanokompozytów wybuchowych złożonych z żeli organicznych, pełniących rolę paliwa, i soli nieorganicznych pełniących rolę utleniacza. Wykorzystując znaną od wielu lat technikę zol-żel, otrzymano dwa typy wodnych zoli organicznych: zol rezorcynowo-formaldehydowy (RF) i rezorcynowo-furfuralowy (RFur), które mieszano następnie z roztworem soli nieorganicznych NH₄ClO₄, LiClO₄, Mg(ClO₄)₂ i NH₄NO₃. Mieszaniny takie poddawano procesowi żelatynizacji i powolnego suszenia, w wyniku którego otrzymywano hybrydowy, organiczno-nieorganiczny kompozyt zwany kserożelem, posiadający cechy materiału wybuchowego. Stężenie soli oraz dodatek drugiego, obok wody rozpuszczalnika (np. metanolu) do wodnego zolu ma zasadnicze znaczenie w procesie transformacji zolu w żel. Wybrane kompozyty badano przy wykorzystaniu wielu technik; SEM, HR, TEM, AFM, XRD i TG/DTA. Głównym celem tych badań było oszacowanie wielkości kryształów utleniacza nieorganicznego i jednorodności jego rozproszenia w matrycy polimerowej. Obserwacje SEM potwierdziły nanostrukturalny charakter kompozytów żel organiczny/sól nieorganiczna, w których kryształy soli (w zależności od rodzaju badanego materiału) mają wielkość 100-1000 nm i są równomiernie rozproszone w polimerze. Badania XRD wskazały, że poprzez zmianę składu żelu i sposobu jego suszenia możliwe jest otrzymanie znacznie mniejszych kryształów utleniacza. W przypadku kompozytu RFur/Mg(ClO₄)₂ utleniacz krystalizuje w polimerze rezorcynowo-furfuralowym w postaci nanokryształów o wielkości ok. 20 nm. Dodatkowo analiza HR TEM tego kompozytu wykazała obecność porów o wielkości 10 nm. Analizy TG/DTA potwierdziły wysokoenergetyczny charakter kompozytów kserożel/utleniacz nieorganiczny. Po ogrzaniu w płomieniu materały RF/LiClO₄ = 63/37, RFur/Mg(ClO₄)₂ = 60/40, spalają się wybuchowo, czemu towarzyszy efekt dźwiękowy i błysk.

EN

Sol-gel synthesis and characterization of organic gel-based energetic materials are presented. Two types of polymetric sols: resorcinol-formaldehyde (RF), and resorcinol-furfural (RFur) sols were mixed in water-containg medium with water solution of inorganic salts NH₄ClO₄, LiClO₄, Mg(ClO₄)₂ and NH₄NO₃. After gelation and drying, the hybrid nanocomposities with the properties of energetic materials were obtained. It was stated that salt concentration and addition of second solvent (e.g. methanol) to the mixture of reagents has crucial meaning for gel formation. In the case when only water was used, a mixture of organic sol/inorganic salt-did not transfer from sol to gel and precipitates were formed. Conventional drying of wet gelled composites leads to rigid material called xerogels. The microstructure, morphology, and some other properties of chosen composities were studied by means of HR SEM, HR TEM, AFM, XRD, DTA/TG, and elemental analysis. SEM observation revelated that sizes of the oxidizer particles vary from less than 100 nm to c.a. 1000 nm.XRD patterns suggest that in some-cases, the crystal particles are of 20-30 nm in size. HR TEM images revelated that xerogels are porous materials with cavities, c.a. 10 nm. TG/DTA analyses showed that the tested composites decompose as typical energetic materials. If pre-heated and exposed to flame, some of them (especially RF/LiClO₄ = 63/37, RFur/Mg(ClO₄)₂ = 60/40 composites) undergo violent deflagration with loud sound and flash effect.

Słowa kluczowe

EN

energetic nanocomosities; sol-gel synthesis; oxygen balance

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 56, nr 3
• Strony: 131--143
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kiciński W.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

• [1] U. Teipel ed., Energetic Materials – Particle Processing and characterization, Wile-VCH, Weinheim, Germany, 2005.
• [2] B. W. Asay, S. F. Son, J. R. Busse and D. M. Oschwald, Ignition Characteristic of Metastable Intermolecular Composites, Propellants, Explos. Pyrotech., 29(4), 2004, 216.
• [3] T. M. Tillotson, L. W. Hrubesh, R. L. Simpson, R. S. Lee, R. W. Swansiger, L. R. Simpson, Sol-gel processing of energetic materials, J. Non-Cryst. Solids, 225, 1998, 358.
• [4] K. J. Blobaum, M. E. Reiss, J. M. Plitzko Lawrance, T. P. Weihs, Deposition and characterization of self-propagating CuOx /Al thermite reaction in multilayer foil geometry, J. Appl. Phys., vol. 94, no. 5, 2003, 2915.
• [5] W. J. Dalton, N. Sommerdijk, Sol-Gel Materials: Chemistry and Application, Gordon and Breach Science Publisher, Amsterdam, 2001.
• [6] T. M. Tillotson, A. E. Gash, R. L. Simpson, L. W. Hrubesh, J. H. Satcher, Jr., J F. Poco, Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies, J. Non-Cryst. Solids, 285, 2001, 338.
• [7] K. B. Plantier, M. L. Pantoya, A. E. Gash, Combustion wave speed of nanocomposite Al/Fe2O3 the effects of Fe2O3 particle synthesis technique, Combust. Flame, 140, 2005, 299.
• [8] R. L. Simpson, T. M. Tillotson, L. W. Hrubesh, A. E. Gash, Nanostructured energetic materials derived from sol-gel chemistry, Proceedings of the 31st International Annual conference of ICT, Karlsruhe, Germany, 2000.
• [9] R. Fu, B. Zheng, J. Liu, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, J. H. Satcher, Jr., and T. F. Baumann, The Fabrication and characterization of Carbon Aerogels by Gelation and Supercritical Drying in Isopropanol, Adv. Funct. Mater. 13, no. 7, 2003.
• [10] S. Cudziło, W. Kiciński, Preparation and characterization of the organic gel nanocomposties with inorganic oxidizer, New Trends in Research of Energetic Materials, Pardubice, Czech Republic, 2007