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固体推进剂中的含氟聚合物

已有 1665 次阅读 2020-5-7 07:46 |个人分类:含能材料与安全|系统分类:科普集锦| 含能材料, 固体推进剂, 含氟聚合物

之前的博文后来发现图片不能正常显示,而且不能在原博文上进行修改,现在重新上传了图片,重新进行发布,谢谢


们都知道燃烧需要三要素

燃料、助燃剂和点火能量。

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        一般的助燃剂就是氧气,比如2两左右的铝(108g,4mol)在氧气中充分燃烧可以释放的热量3300kJ。相比而言,同等质量的(108g)的梯恩梯炸药(TNT)只能产生454kJ的热量(不借助外界氧的情况下)。然而,有一种比氧气还要强很多的氧化剂,那就是氟气(服气!)。我们现在知道,氟是自然界电负性最强的元素,而氟气也是氧化性最强的单质。比如上面说的同样质量铝(108g,4mol)在氟气中充分燃烧的话可以释放6000kJ,大约是与氧气反应时的两倍。

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        尽管1810年已经认为存在氟这种元素,但由于它的强大氧化性,其单质在相当长的一段时间很难被制备出来,被称作“死亡元素”!而前赴后继的先行者很多都被氟深深伤害甚至因而去世。

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拓展阅读:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/24992780

科学家为了周期表里的这个元素,付出了最惨烈的代价,SME情报员

        直到1886年,法国化学家亨利·莫瓦桑总结前人(包括自己的老师)的宝贵经验与教训,才采用低温电解的方法分离出氟单质。

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图:2006年,莫瓦桑获得诺贝尔化学奖100周年之际,法国发行的纪念邮票



铯(还原性最强)和氟气(氧化性最强)


         在含能材料领域,像富氧的化合物(如高氯酸铵,NH4ClO4)一样,富含氟的化合物也可以作为氧化剂与燃料(比如铝)混合在一起,构成蕴含大量化学能的物质。富含氟的化合物(本文主要介绍的是聚合物)很多,最为著名的之一就是聚四氟乙烯(英语:Polytetrafluoroethylene,缩写为 PTFE),俗称特氟龙(商标名Teflon),其含氟量高达76%(质量分数),就是我们经常见到的不粘锅的涂层材料。然而,就像不粘锅厂家宣传的那样,这种材料几乎不溶于任何有机溶剂里(不过受高温会分解,分解产物有害),要想和铝均匀地混在一起,一般会采用球磨粉粹的方法,有一定的危险性(Combustion and Flame 161(1): 311–321)。

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PTFE/Al的固体推进剂药柱表面燃烧


         此外,含氟的聚合物还有聚偏二氟乙烯(PolyvinylideneFluoride,PVDF,含氟量59%)、氟橡胶(比如Viton a,含氟量66%)、氟塑料(比如THV,四氟乙烯,六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物,含氟量73%)等。这些含氟聚合物均可溶于特定一些有机溶剂,使得与铝粉等燃料的混合变得更加容易。而且,利用这些含氟聚合物“胶水”,将铝粉等燃料混合成“含能墨水”,利用含加热平台(挥发里面的有机溶剂)的打印机就能制作出“固体推进剂”药条。

doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.12.031


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墨水直接打印到加热平台上,得到的各种复合材料,及其微观结构、力学性能


        三种氟化物制备的复合含能材料,它们的力学性能、点火与燃烧特性不大相同,这取决于氟化物本身的力学性能、含氟量、以及含氢量(可产生氟化氢,也伤了很多人)。其中氟化氢(HF)的产生可能有利于铝的点火(可能是削弱了铝粉氧化层);但是化氢与铝的反应释热相较于CFx较低,使得含氢较多的氟化物(比如PVDF)与铝的燃烧温度较低。

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PVDF/Al、Viton a/Al,THV/Al的燃烧图

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PVDF/Al、Viton/Al,THV/Al的燃烧温度


         除打印之外,制好的氟聚物墨水还可以通过静电喷雾或者纺丝等方法制备成不同形貌的含能复合物,其燃烧速率会大幅变化。

doi.org/10.1021/acsapm.9b00016;doi.org/10.1002/adem.201400151


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不同形貌PVDF/Al的燃烧


         然而,与常见的氧化剂高氯酸铵一样,氟聚物的相变、分解也会吸收大量的热,如采取手段促进氟聚物的分解也能够促进其与铝粉的反应。doi.org/10.1002/adem.201700547

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二氧化硅可以促进PVDF/Al的燃烧


        此外,这些氟化物的粘结性很不错,其中PVDF的低温性能优越,也可作为功能性材料比如上面的高氯酸铵、下面的灭活剂-碘等的粘合剂。

10.1016/j.combustflame.2018.05.016

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PVDF/Al的燃烧


这里介绍的工作只是笔者从事的相关研究,还有很多相关优秀国内外同行文章可以通过学术搜索PTFE/Al,PVDF/Al,combustion等关键词获取。


更详细阅读请点击链接免费获取论文:

https://www.researchgate.net/profile/Haiyang_Wang2




https://wap.sciencenet.cn/blog-444458-1231944.html

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