增材用铝粉表面的包覆改性研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2020. 01. 003 增材用铝粉表面的包覆改性研究 * 王树涛 庄怡文 霸书红 陈永进 沈阳理工大学(辽宁沈阳,110159 ) [摘 要] 为减少铝粉在光固化树脂中的沉降,使其适用于光固化增材制造,使用不同表面活性剂对铝粉进行预 处理,增强铝粉表面对有机物的亲和性;利用乳液聚合法使单体聚合在铝粉表面形成一层有机物薄膜,研究几种单 体对铝粉包覆性能的影响,利用可见光分光光度计、傅里叶红外光谱仪表征其包覆性能。 结果表明使用十二烷基 硫酸钠(K12)预处理的铝粉在光固化树脂中分散性最好,透光率为 11%,分散 1 h 后透光率变化不大;使用苯乙烯 (St) + 丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA) + 丙烯酸丁酯(BA)二元聚合包覆的铝粉在树脂中静置 1 h,未发现明显沉 降;红外光谱图显示,两组配方中的铝粉表面存在单体聚合产物。 [关键词] 聚合物包覆;单体聚合;分散性;光敏树脂 [分类号] TJ55 Study on Surface Modification of Aluminum Powder for Additive WANG Shutao, ZHUANG Yiwen, BA Shuhong, CHEN Yongjin Shenyang Ligong University (Liaoning Shenyang, 110159) [ABSTRACT] In order to reduce the deposition of aluminum in the light- cured resin to make it applicable in manufac- turing the light- cured additives, different surfactants were used to pretreat the aluminum powder to enhance its surface af- finity to the organic substances. Emulsion polymerization method was used to polymerize monomers on the surface of alumi- num to create an organic thin film.Influence of several monomers on the coating performance of aluminum was studied. Coating properties were characterized by visible spectrophotometer, Fourier infrared spectrometer and SEM.The results show that aluminum with sodium dodecyl sulfate (K12) has the best dispersion in the light- cured resin, and the transmit- tance is 11% which does not change much after dispersing for 1 h.Aluminum coated with styrene (St) and butyl acrylate (BA), acrylic acid (AA) and butyl acrylate (BA) have no obvious sedimentation in the resin after standing for 1 h. Infra- red spectra shows the existence of monomer polymerization products on the surface of aluminum powder in the two formula- tions. [KEYWORDS] coating; monomer polymerization; dispersion; photocurable resin 引言 近年来,含能材料增材制造技术研究活跃,且取 得了一定成果。 在国外,澳大利亚国防科学技术 (DST)集团与高校及科研院所合作研发了含能材料 增材制造技术 [1] ;美国普渡大学立项研究了纳米铝 热剂和固体火箭推进剂的增材制造技术 [2] ;印度科 学研究院研究制备出 Al- NH4ClO4- HTPB 固体推进 剂 [3] 。 国内也于2018 年设立科研项目,推进增材制 造技术用于打印固体推进剂。 铝粉是固体推进剂中的主要成分,铝粉密度较 高,与光固化树脂混合后容易发生沉降。 因此,光固 化增材制造技术用于打印推进剂需要解决铝粉在药 浆中的沉降和积聚问题。 铝粉表面包覆高分子物质 能够有效地降低铝粉的沉降和积聚 [4- 11] 。 郝洁 等 [12] 采用复合型喷雾造粒工艺对制备的高活性纳 米铝粉进行了 HTPB- TDI 包覆造粒,包覆剂能够覆 盖且均匀铺展在纳米铝粉表面;张凯等 [13] 以苯乙烯 为单体,利用超声波的活化和引发作用,引发苯乙烯 在铝粉表面形成包覆层;王敏等 [14] 以丙烯酸(AA)、 苯乙烯(St)、三羟甲基丙烷、三甲基丙烯酸酯为单 第49 卷 第 1 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 1 2020 年 2 月 Explosive Materials Feb. 2020 * 收稿日期2019- 08- 03 第一作者王树涛(1988 - ),男,实验师,主要从事 3D 打印及含能材料制备技术研究。 E- mail930644625@qq. com 万方数据 体,三元共聚法包覆片状铝粉,使铝粉表面包覆一层 致密的带有苯环和羧基的共聚物膜;肖春等 [15] 通过 原位聚合多巴胺法在铝粉表面包覆聚合多巴胺,在 HTPB 中沉降24 h,体系依然均一。 目前,国内关于改性铝粉用于光固化增材制造 推进剂的研究不多。 通过对微米片状铝粉进行包 覆,比较包覆铝粉在光敏树脂中的分散性,降低铝粉 在光固化树脂的沉降,从而为后期光固化增材制造 固体推进剂等含铝含能材料提供一定的研究基础, 并使用配置的含能油墨打印了固体质量分数为 40%以上的含能材料。 1 实验部分 1. 1 药品及仪器 铝粉(微米级),天津市大茂化学试剂厂;十二 烷基硫酸钠(K12)、十二烷基磺酸钠(SLS)、十六烷 基三甲基溴化铵(CTAB)、偶氮二异丁腈,天津市河 东区红岩试剂厂;丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA), 国药集团化学试剂有限公司;甲基丙烯酸甲酯 (MMA),上海展云化工有限公司;丙酮、甲基丙烯酸 丁酯(BMA),天津市大茂化学试剂厂;苯乙烯(St)、 聚乙二醇(PEG)20 000,天津市致远化学试剂有限 公司。 超声波清洗机,广州邦洁电子产品有限公司;机 械搅拌器,IKA;磁力搅拌加热锅,郑州宇祥仪器设 备有限公司;高温恒温试验箱,无锡博奥试验设备有 限公司;电子分析天平,上海精密科学仪器有限公 司;傅里叶红外光谱仪,日本岛津;场发射扫描电镜 (SEM),Gemini300,德国蔡司。 1. 2 实验过程 1. 2. 1 原料铝粉预处理 称取 0. 5 g 铝粉倒入 4 个烧杯中,依次称取 0. 01 g K12、SLS、CTAB 和 PEG20 000,用 20 mL 无 水乙醇溶解后,倒入含铝粉烧杯中,放入超声波清洗 机超声分散 30 min,然后放入 60 ℃水浴锅,恒温机 械搅拌2 h(转速为300 r/ min)后抽滤,乙醇、水依次 洗涤、烘干备用。 1. 2. 2 不同单体包覆铝粉的制备 将0. 5 g 采用不同表面活性剂预处理后的铝粉 置于250 mL 的三口烧瓶中,称取 BA 0. 145 g、AA 0. 105 g 倒入三口烧瓶中,将三口烧瓶放入磁力搅 拌锅中,转速为300 r/ min,冷凝回流,待水浴温度升 至65 ℃时,由恒压滴液漏斗向瓶内滴加偶氮二异丁 腈的丙酮溶液,约20 min 滴完,加热搅拌3 h。 将包 覆后的铝粉用真空泵抽滤,丙酮、水依次洗涤后放入 恒温烘箱中烘干,得到由不同表面活性剂预处理且 二元聚合包覆的复合粒子。 将0. 5 g 由 K12 预处理后的铝粉置于 250 mL 的三口烧瓶中,另称取 BA 0. 145 g +AA 0. 105 g、 MMA 0. 110 g +BA 0. 140 g、BMA 0. 120 g +BA 0. 130 g、St 0. 110 g + BA 0. 140 g。 其余步骤同上, 得到不同单体聚合包覆的复合粒子。 2 结果与讨论 2. 1 分散性能测试 取4 g 光敏树脂、0. 04 g 预处理铝粉或包覆铝 粉加入烧杯中,搅拌后倒入比色皿,超声分散至无气 泡后放入分光光度计中,将波长调至 420 nm,测定 不同表面活性剂预处理、不同单体聚合包覆后铝粉 的透光率。 表面活性剂对铝粉分散性能的影响如图1、图 2 所示。 图 1 不同表面活性剂对铝粉分散性能的影响 Fig. 1 Effect of surfactant on dispersion of aluminum powder 图 2 预处理铝粉比色皿颜色对比 Fig. 2 Color contrast of pretreated aluminum powder in cuvette 由图1 和图 2 可看出,未改性铝粉加入光敏树 脂中静置1 h 后,底部有明显沉降,透光率为 22%, 512020 年2 月 增材用铝粉表面的包覆改性研究 王树涛,等 万方数据 说明大部分铝粉沉降到底部,减少了铝粉对光的遮 挡,光透性好;使用 K12、SLS 表面预处理的铝粉,由 于铝粉均匀分散,遮挡可见光线,透光率分别在 11%和13%左右,且经过1 h 后透光率变化不大,说 明铝粉在树脂中分散良好,沉积不明显;使用 CTAB 预处理的铝粉透光率在 16%左右,1 h 后铝粉有明 显沉降;使用 PEG20 000 预处理的铝粉透光率在 22%左右,与未改性铝粉相近,处理效果最差。 原因 在于 K12、SLS 为阴离子表面活性剂,亲水基分别为 硫酸基和磺酸基,铝粉表面性质为亲水性,因此阴离 子表面活性剂的硫酸基和磺酸基吸附在铝粉表面, 十二烷基分散在光敏树脂中,根据相似相溶原理,十 二烷基与光敏树脂之间作用力较大,所以使用这两 种阴离子表面活性剂预处理的铝粉不易沉降;CTAB 为阳离子表面活性剂,亲水基为季铵基,与铝粉表面 吸附作用较差,用 CTAB 预处理铝粉时,CTAB 大部 分沉降到光敏树脂底部,预处理效果较差;PEG 20 000为非离子表面活性剂,与铝粉表面几乎不产 生吸附作用,因此使用 PEG 20 000预处理铝粉没有 效果。 因此,使用 K12 预处理铝粉的效果更好。 本 文中,选用 K12 作为包覆铝粉的预处理剂。 单体对铝粉分散性能的影响如图3、图4 所示。 图3 不同单体对铝粉分散性能的影响 Fig. 3 Effect of monomers on dispersion of aluminum powder 图4 包覆铝粉比色皿颜色对比 Fig. 4 Color contrast of coated aluminum powder in cuvette 由图3 和图4 可以看出,用St + BA、AA + BA 包 覆后的铝粉在树脂中透光率为 11%左右,静置 1 h 后均未发生明显沉降,且透光率变化不大,说明包覆 后的铝粉在光敏树脂中分散性好,明显降低铝粉沉 降;而用 MMA + BA 包覆后的铝粉在树脂中的透光 率由开始的 17%增大到 21%,BMA + BA 包覆后的 铝粉由开始的18%增大到 20%,1 h 后透光率与未 包覆铝粉接近,说明 BMA + BA 包覆的铝粉在光敏 树脂中分散性很差。 原因在于配制的光固化树脂中 含有聚氨酯丙烯酸酯低聚物和丙烯酸酯类、含苯环 类单体,因此由 St + BA、AA +BA 包覆后的铝粉与 树脂材料之间有相似的结构,分子间作用力较强,包 覆后的铝粉能有效降低铝粉沉积。 因此选用单体包 覆铝粉时,应选用与光敏树脂成分相近的物质。 2. 2 红外测试分析 选取使用 St + BA、AA + BA 二元聚合包覆的铝 粉与 KBr 一起研磨压片,用红外光谱仪扫描样品, 得出的红外光谱数据结果见图5。 (a) St + BA 包覆铝粉 (b) AA + BA 包覆铝粉 图 5 包覆铝粉的红外光谱 Fig. 5 Infrared spectrum of coated aluminum powder 由图5(a)可知,2 994、3 032、3 062 cm - 1为苯环 CH伸缩振动,在 1 610、1 561、1 501 cm - 1 和 1 455 cm - 1 处 出 现 的 吸 收 峰 为 苯 环 骨 架 的 CC弯曲振动吸收峰,说明在铝粉表面存在 St 聚合物包覆层;1 768 cm - 1处特征峰为C O的伸 61 爆 破 器 材 第 49 卷第 1 期 万方数据 缩振动吸收峰,1 440 cm - 1 为CH2弯曲振动, 1 372 cm - 1 为CH3对称变形振动,1 166、1 204 cm - 1 为COC不对称伸缩振动,表明铝粉表 面包覆了 BA 的聚合物。 由图 5(b)可知,在2 956 cm - 1为OH 的特征吸收峰,1 739 cm- 1处特征峰为 CO的 伸 缩 振 动 吸 收 峰, 1 447 cm - 1 处 为 CH2弯曲振动,1 375 cm - 1为CH 3对称变形振 动,1 267、1 172 cm - 1为COC不对称伸缩振 动,1 025 cm - 1 为COC对称伸缩振动,824 cm - 1为CH 2CH2CH2CH3面内摇摆。 另外,包覆的 铝粉经过洗涤,表面无单体成分,表明使用 AA + BA 包覆后,铝粉表面存在 AA 和 BA 的共聚物。 2. 3 打印成型含能材料药柱及燃烧效果 使用包覆后铝粉配制浆料进行打印,成功打印 出固体质量分数为40%的含能材料药柱,如图 6 所 示。 利用电阻丝将药柱点燃,燃烧效果见图 7。 图6 3D 打印推进剂药柱 Fig. 6 3D- printed propellant grain 图 7 推进剂燃烧效果 Fig. 7 Combustion of the propellant 由图6可以看到,打印的药柱表面光滑,层次分 明,内部异型面少有瑕疵,无明显缺陷。由图7可以看 到,推进剂药柱能够顺利点燃,燃烧火焰高度较大, 且能够稳定燃烧,但由于树脂浆料为非含能物质,其 燃烧速率和产气量还达不到理想效果,若将浆料成 分中引入胺基或硝基集团,燃烧及产气效果会得到 明显的改善。 3 结 论 1)阴离子表面活性剂 K12 预处理的铝粉在树 脂中透光率为11%,且1 h 后透光率变化不大,其预 处理的铝粉在树脂中分散性能良好,不易沉降。 2)使用 St +BA 或 AA +BA 二元聚合得到铝 粉,透光率为 11%左右,1 h 后透光率变化不大,未 出现明显沉降;红外光谱结果表明,铝粉表面包覆有 St + BA 和 AA + BA 的聚合产物。 3)利用表面包覆铝粉配制浆料,打印出的药柱 表面光滑,内表面无明显缺陷,能顺利点燃,且能够 稳定燃烧,为后期 3D 打印含铝含能材料提供一定 研究基础。 参 考 文 献 [1] 梓文. 澳大利亚国防科学技术(DST)集团的增材制造 含能材料[J]. 兵器材料科学与工程,2018(2)15. 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