НИЦ «Абада»
Оценка возможности получения наносистем

Гараев М.М., Коробков А.М., Белов Е.Г., Михайлов С.В.

В настоящее время происходит интенсивное формирование и развитие новой междисциплинарной области знаний — нанонауки. На многих объектах в физике, хи­мии и биологии показано, что переход от макрообъектов к частицам размером 1-10 нм приводит к качественным изменениям физико-химических свойств отдельных соединений и получаемых на их основе систем.

В то же время изучение химических превращений с участием наночастиц находится в начальной стадии, и даже сам термин «нанохимия» как ключевое слово в реферативных журналах появился сравнительно недавно. В частности, это касается объектов, в которых процесс термического превращения может поддерживаться самостоятельно. Малое количество данных по влиянию наноматериалов на свойства и характеристики превращения конденсированных систем и они не систематизированы. В тоже время исследования, проводимые ранее, показали, что применение компонентов, имеющих на поверхности распределение другого компонента в виде пленок, островков, вкраплений с размером менее 1 мкм, позволяет существенно изменять характеристики превращения смесей на их основе. В частности, было показано, что механохимическая модификация смесей металлических порошков с полимерами позволяет существенно расширить их концентрационные пределы горючести, а также разработать системы с улучшенными специальными характеристиками. Необходимо отметить, что на ранних этапах исследований пиротехнических составов различного назначения металлическое горючее рассматривалось как добавка, обеспечивающая повышение энергомассовых характеристик. С разработкой технологий, позволяющих снижать размер получаемых металлических частиц, появилась возможность в незначительных пределах регулировать баллистические характеристики ПС и увеличивать степень окисления металлических горючих. Принципиально новые возможности в реализации потенциала металлических горючих как модификаторов процессов горения ПС и компонентов, повышающих их энерго-массовых характеристики, появились с получением ультра- (менее 1 мкм) и нанодисперсных (менее 0,1 мкм) порошков, а предложенный подход к решению проблемы их применения в виде коллоидных паст позволил расширить исследования закономерностей превращения ПС, которые отличаются высоким (до 95%) содержанием металлов.

Наличие специфических свойств (повышенная реакционная активность) у ультра- и нанодисперсных металлических горючих расширяет области их применения и открывает более широкие возможности по изменению известных рецептур ПС, например, в сторону изменения природы и соотношения основных компонентов, что позволит оптимизировать приоритетные характеристики. Наряду с этим, появляется возможность формирования принципиально новых рецептур составов.

Известно, что свойства металла и его оксида накладывают отпечаток не только на процесс воспламенения, но и на процесс устойчивого горения. При превращении металлических частиц в составе конденсированной системы температура их воспламенения и период индукции зависят, прежде всего, от размера частиц, а также от состава и концентрации окисляющих агентов. Повышение концентрации окислителя у поверхности металла снижает время задержки воспламенения его частиц.

Ранее проведенными расчетами было показано, что глубина превращения металлической частицы возрастает при уменьшении ее размера. Предельный размер частиц, при котором происходит резкое увеличение массовой доли прореагировавшего металла в пределах конденсированной фазы, составляет 4... 8 мкм. Наибольших значений глубина превращения достигает при использовании частиц металла с диаметром менее 1 мкм. Уменьшая число атомов на частицу, можно более эффективно использовать природные свойства этих элементов в химических реакциях.

Целью данной работы является исследование влияния механохимической обработки на свойства полимеров и составов на их основе. В работе проведено исследование с использованием металлических горючих различной дисперсности и порошков фторполимеров. Модификация проводилась на двух различных аппаратах, обеспечивающих различные виды воздействия (удар и истирание) - на вибрационной и барабанной (шаровой) мельницах.

В работе показано, что зависимость удельной поверхности от времени модификации имеет различный характер ее изменения в зависимости от марки металлического порошка, как для исходной смеси, так и для модифицированной. Установлено, что удельная поверхность смесей при обработке на шаровой мельнице незначительно изменяется с увеличением содержания фторполимера, что связано с измельчением частиц металлического порошка. После обработки на вибромельнице наблюдается иной характер поведения удельной поверхности смесей - для всех марок металлического порошка с увеличением содержания фторполимера удельная поверхность увеличивается, но до определенного соотношения. Это связано с тем, что для вибрационной мельницы характерны два процесса: измельчение и агломерация.

Исследования также показали, что после обработки происходит изменение скорости горения уплотненных образцов, расширяются концентрационные пределы горючести смесей металлического порошка и фторполимера. Показано, что интервалы значения содержания фторполимера в смеси с металлическим порошком, соответствующие устойчивому горению уплотненных образцов, после модификации на шаровой мельнице в среднем возрастают в 2,5 – 12,5 раз, при модификации на вибрационной мельнице – в 2,5 – 13,8 раза. Полученные данные хорошо согласуются с ранее проведенными исследованиями и косвенно показывают, что на поверхности частиц металлического порошка образуется так называемая «пленка» из фторполимера.

Расчетами показано, что при условии равномерного распределения полимера по поверхности частиц металла толщина «пленки» составляет не более 11·10-7 / 0,031·10-7 м в зависимости от начальной удельной поверхности порошка, т.е. достигает наноразмеров.

Показано, что существует корреляция между поверхностными свойствами, в частности, между скоростью горения образцов и толщиной «пленки». В тоже время было установлено, что подобная взаимосвязь наблюдается у металлических порошков с удельной поверхностью не менее 1260 см2/г.

Полученные данные показывают, что твердофазная механохимическая модификация смеси металлического горючего с фторполимером будет способствовать снижению активационного барьера в процессе горения.

 
 






Тренинговая программа
«Шаг вперед»