楊 玥,董子文,孔 松,黃 輝,李小東,王晶禹
(1.寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院/安全工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,山西 太原 030051;3.山西省超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030051)
1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)是一種性能優(yōu)異的鈍感炸藥,爆速與RDX相當(dāng),具有密度大、感度低、熱穩(wěn)定性和相容性好等特點(diǎn),綜合性能均衡[1-10]。近年來(lái),隨著低易損性炸藥研發(fā)需求的日益增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)外關(guān)于FOX-7的應(yīng)用研究逐漸增多[11-15]。制備FOX-7基高聚物黏結(jié)炸藥(PBXs)可改善含能材料力學(xué)性能并實(shí)現(xiàn)安全和能量的平衡,對(duì)其應(yīng)用具有重要意義。
噴霧干燥是制備含能材料的常用手段[16-26],具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、包覆時(shí)間短、易于放大、可以滿足不同的質(zhì)量性能指標(biāo)(粒度分布、顆粒形狀以及性質(zhì)等)的特點(diǎn)。噴霧干燥前驅(qū)體懸浮液屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定性體系,微米和亞微米固體顆粒在介質(zhì)形成分散體系的過(guò)程中,由于顆粒之間存在不可避免的相互作用和重力影響,懸浮顆粒在分散介質(zhì)中易形成團(tuán)聚體沉降,進(jìn)而影響后續(xù)噴霧干燥制備PBXs微粒的包覆均一性[27-28]。如何打破微米及亞微米顆粒間團(tuán)聚,獲得穩(wěn)定分散的前驅(qū)體是保證噴霧干燥PBXs樣品包覆質(zhì)量穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。
為實(shí)現(xiàn)FOX-7基噴霧干燥前驅(qū)體懸浮液中微米FOX-7晶粒的穩(wěn)定分散,本研究參考文獻(xiàn)[29],采用機(jī)械攪拌和超聲兩種方法制備了微米FOX-7懸浮液,通過(guò)沉降試驗(yàn)和吸光度法測(cè)定懸浮液樣品的分散穩(wěn)定性,以單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了固含量、攪拌速度、攪拌時(shí)間、超聲功率、超聲時(shí)間和制備溫度對(duì)懸浮液分散體系穩(wěn)定性的影響,為噴霧干燥法制備包覆均勻、性能穩(wěn)定的FOX-7基PBXs微粒提供理論及技術(shù)參考。
細(xì)化FOX-7,自制,平均粒徑為1.28μm,制備過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[30];偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物(F2602),惠州浩源塑料有限公司;乙酸乙酯,分析純,上海泰坦科技股份有限公司。
HZK-FA型電子天秤,福州華志科學(xué)儀器有限公司;CK-4007GD型智能高低溫程控恒溫槽,JY92-IIDN型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;JB90-S型機(jī)械數(shù)顯攪拌器,上海梅穎浦儀器制造有限公司;UV-2100型雙束紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì),北京瑞利分析儀器有限公司;SU8010掃描電子顯微鏡,日本日立高新技術(shù)集團(tuán);Escalab 250XI型X射線光電子能譜儀(XPS),美國(guó)賽默飛世爾科技公司公司;Buchi-290噴霧干燥儀,瑞士步琦有限公司。
以乙酸乙酯作為分散介質(zhì),采用分步法制備微米FOX-7懸浮液。稱取微米FOX-7置于燒杯中,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%加入F2602,按所需固含量加入乙酸乙酯作為分散介質(zhì),經(jīng)機(jī)械攪拌、超聲分散作用和溫度控制,使微米FOX-7晶體分散在介質(zhì)中,獲得所需懸浮液分散體系。
采用吸光度測(cè)試[29-31]和懸浮液靜置沉降試驗(yàn)[32-33]共同表征懸浮液中分散相的相對(duì)穩(wěn)定性。
吸光度測(cè)試[33]:用吸管取少量最佳分散狀態(tài)下的懸浮液,使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在最大吸收波長(zhǎng)處,測(cè)定吸光度A0。
經(jīng)攪拌和超聲處理后,靜置懸浮30min后檢測(cè)分散液的吸光度值A(chǔ)′;以比吸光度r(%)定義懸浮液的分散穩(wěn)定性,比吸光度越接近于1,則懸浮液的分散穩(wěn)定性越高,比吸光度r可由式(1)表示:
(1)
沉降試驗(yàn):將不同分散條件下制備的FOX-7基懸浮液各取5mL置于樣品瓶中靜置,觀察記錄靜置30min后其分散效果,根據(jù)靜置過(guò)程中微粒形成懸浮液的上層情況可宏觀判斷懸浮液穩(wěn)定性的優(yōu)劣。
為研究固含量對(duì)微米FOX-7在懸浮液中分散穩(wěn)定性的影響,在攪拌速度為600r/min、攪拌時(shí)間為10min、超聲功率和時(shí)間為270W和10min的條件下,分別在懸浮液中微米FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為1%、2%、3%、4%和5%時(shí),使用機(jī)械攪拌和超聲分散對(duì)微米FOX-7進(jìn)行分散處理,圖1為處理前后不同固含量條件下,懸浮液靜置30min過(guò)程中懸浮液的吸光度曲線,圖2為靜置后的微米FOX-7在介質(zhì)中的分散情況。
圖1 固含量對(duì)FOX-7懸浮液的吸光度影響Fig.1 Effect of solid contents on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖2 不同固含量下FOX-7懸浮液的分散效果Fig.2 Dispersion effect of FOX-7 suspensions under different solid contents
如圖1所示,在5種固含量下,未經(jīng)過(guò)靜置沉降的懸浮液比吸光度隨FOX-7固含量的增加呈逐漸增加趨勢(shì)。在固含量為1%時(shí),懸浮液的比吸光度最低,說(shuō)明分散介質(zhì)中懸浮微粒的濃度最低。當(dāng)固含量提高至2%時(shí),懸浮液的比吸光度顯著增加,且隨靜置時(shí)間的增加,介質(zhì)中懸浮微粒沉降的趨勢(shì)較弱。固含量增至4%后,隨沉降時(shí)間的增加,懸浮液比吸光度的降低幅度最小。當(dāng)懸浮液固含量增至5%后,隨著靜置時(shí)間的增加,其比吸光度下降趨勢(shì)逐漸顯著,說(shuō)明懸浮液中顆粒沉降較快,分散穩(wěn)定性低。由圖2亦可看出,在固含量為1%時(shí),懸浮液可觀察到分層現(xiàn)象,上層懸浮液的澄清度較高,而隨著固含量的增加,F(xiàn)OX-7基懸浮液呈彌散的渾濁狀態(tài)。
懸浮顆粒的濃度對(duì)粒間作用以及對(duì)顆粒分散/聚團(tuán)狀態(tài)有重要影響[34]:一方面,增加懸浮液的固含量會(huì)使?jié)B透吸力位能增大,有利于懸浮液的聚沉;另一方面,隨著顆粒濃度的增加,由顆粒取代的回流介質(zhì)體積增加,使懸浮顆粒沉降阻力增加,然而圍繞每個(gè)顆粒的介質(zhì)流動(dòng)規(guī)律由于相鄰顆粒的存在而受到干擾,這種干擾容易導(dǎo)致不同尺寸顆粒的共同沉降,即相干沉降,呈現(xiàn)失穩(wěn)的懸浮狀態(tài)。
2.2.1 攪拌速率的影響
在固含量為2%、攪拌時(shí)間為10min的條件下、當(dāng)機(jī)械攪拌速率分別為0、200、450、600、750和900r/min時(shí),懸浮液的比吸光度隨靜置時(shí)間變化曲線如圖3所示,靜置后懸浮液的分散效果見(jiàn)圖4。
由圖3可知,在機(jī)械攪拌速率分別為200、450、600、750和900r/min時(shí),靜置30min后懸浮液的比吸光度曲線有一定差別,其中攪拌速度為600r/min時(shí)獲得的FOX-7懸浮液比吸光度隨沉降時(shí)間減小趨勢(shì)弱,懸浮液分散穩(wěn)定性較好。當(dāng)分散速度達(dá)到900r/min時(shí),懸浮液的比吸光度隨沉降時(shí)間增加呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì),說(shuō)明在900r/min的攪拌速度下,懸浮液沉降趨勢(shì)明顯。攪拌速度越快,懸浮微粒受到的沖擊剪切作用越強(qiáng),粒子間相互碰撞與摩擦越激烈,F(xiàn)OX-7微粒在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)越劇烈。在機(jī)械攪拌速度為900r/min時(shí),由于轉(zhuǎn)速過(guò)高,粒子之間碰撞形成新團(tuán)聚的概率增加,導(dǎo)致懸浮穩(wěn)定性變差。
圖3 攪拌速率對(duì)FOX-7懸浮液的吸光度影響Fig.3 Effect of stirring velocity on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖4 不同攪拌速率下FOX-7懸浮液的分散效果Fig.4 Dispersion effect of FOX-7 suspensions with different stirring velocity
2.2.2 攪拌時(shí)間的影響
在攪拌速率為600r/min時(shí),分別改變攪拌時(shí)間為10、30min和50min,觀察攪拌時(shí)間對(duì)懸浮液中微米FOX-7懸浮穩(wěn)定性的影響,如圖5所示,靜置后懸浮液的分散效果見(jiàn)圖6。
圖5 攪拌時(shí)間對(duì)FOX-7懸浮液的吸光度影響Fig.5 Effect of stirring time on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖6 不同攪拌時(shí)間下FOX-7懸浮液的分散效果Fig.6 Dispersion effect of FOX-7 suspensions with different stirring times
由圖5可知,隨著攪拌時(shí)間的增加,懸浮液的比吸光度值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)攪拌時(shí)間為10和30min時(shí),隨著靜置時(shí)間增至30min,懸浮液的比吸光度值穩(wěn)定,分散效果較好。而隨著攪拌時(shí)間進(jìn)一步增至50min,懸浮液比吸光度有一定下降,F(xiàn)OX-7顆粒在介質(zhì)中的分散程度減弱。
分析認(rèn)為,隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng),F(xiàn)OX-7微粒與攪拌槳接觸的幾率增加,團(tuán)聚體被打碎的可能性增大。然而當(dāng)FOX-7懸浮液的攪拌時(shí)間增加到一定程度后,微粒相互碰撞的幾率進(jìn)一步增加,攪拌作用與團(tuán)聚作用達(dá)到平衡,再延長(zhǎng)攪拌時(shí)間,微粒接觸后吸附團(tuán)聚概率增加,反而降低攪拌效率,易引起新的團(tuán)聚[35]。經(jīng)上述分析,選擇攪拌速率為600r/min、攪拌時(shí)間為10min進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。
2.3.1 超聲功率的影響
考察懸浮液制備過(guò)程中超聲功率及時(shí)間對(duì)懸浮液分散穩(wěn)定性的影響。設(shè)定超聲功率分別為0、90、180、270和360W,超聲時(shí)間為20min進(jìn)行懸浮液的制備,測(cè)試結(jié)果如圖7和圖8所示。
圖7 超聲功率對(duì)FOX-7懸浮液比吸光度的影響Fig.7 Effect of ultrasonic power on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖8 不同超聲功率下FOX-7懸浮液的分散效果Fig.8 Dispersion effect of FOX-7 suspensions with different ultrasonic powers
如圖7所示,在未施加超聲時(shí),懸浮液比吸光度值隨分散時(shí)間的增加迅速下降,說(shuō)明其分散穩(wěn)定性較差。圖8中未施加超聲的懸浮液的上下層分界明顯,懸浮液分為上部澄清的液體層和下部被介質(zhì)滲透的固體帶,大部分顆粒沉降,呈失穩(wěn)狀態(tài)。在不同的超聲功率下,懸浮液在靜置過(guò)程中比吸光度下降幅度較小,說(shuō)明不同強(qiáng)度的超聲作用對(duì)懸浮液的分散穩(wěn)定性均有較好的促進(jìn)作用,圖8中不同超聲功率下懸浮液呈渾濁的分散狀態(tài)也說(shuō)明了這一現(xiàn)象。懸浮液在超聲功率為270W附近分散穩(wěn)定性最佳。
2.3.2 超聲時(shí)間的影響
在超聲功率為270W下,以10、20、30和40min分別作為超聲時(shí)間,進(jìn)行懸浮液分散穩(wěn)定試驗(yàn),結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知,隨著超聲時(shí)間的增加,懸浮液比吸光度值先增加后略微降低,在超聲時(shí)間為10min時(shí)比吸光度值最大,說(shuō)明其分散穩(wěn)定性最佳。圖10中可觀察到超聲時(shí)間為0min時(shí),懸浮液出現(xiàn)分層現(xiàn)象,F(xiàn)OX-7微?;境两?。隨著超聲時(shí)間增加,懸浮液均無(wú)明顯團(tuán)聚沉降現(xiàn)象出現(xiàn)。
圖9 超聲時(shí)間對(duì)FOX-7懸浮液的吸光度影響Fig.9 Effect of ultrasonic time on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖10 不同超聲時(shí)間下FOX-7懸浮液分散效果Fig.10 Dispersion effect of FOX-7 suspensions with different ultrasonic times
超聲對(duì)懸浮穩(wěn)定性的調(diào)控是利用超聲的空化作用和共振效應(yīng),將能量作用于顆粒,改變其狀態(tài),大幅弱化顆粒之間的吸附能,進(jìn)而有效減少顆粒之間團(tuán)聚使之充分分散[36],當(dāng)超聲功率過(guò)高或超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng),介質(zhì)溫度升高會(huì)導(dǎo)致顆粒碰撞概率提高,顆粒聚團(tuán)作用增強(qiáng),因此,適度超聲可有效抑制粉體在分散介質(zhì)中的團(tuán)聚。本試驗(yàn)中,超聲功率為270W、超聲時(shí)間為10min可較好地實(shí)現(xiàn)微米FOX-7顆粒分散。
為研究體系溫度對(duì)懸浮液中FOX-7顆粒分散穩(wěn)定性的影響,分別在25、40和60℃下制備了3種懸浮液。分別靜置10、20和30min后測(cè)量懸浮液的比吸光度值,以表征其分散穩(wěn)定性。靜置30min后,觀察懸浮液的沉降情況,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11和12所示。
圖11 溫度對(duì)FOX-7懸浮液的吸光度影響Fig.11 Effect of temperature on the absorbance of FOX-7 suspensions
圖12 30min后不同溫度下FOX-7懸浮液分散穩(wěn)定性Fig.12 Dispersion effect of FOX-7 suspensions under different temperatures
如圖11所示,在試驗(yàn)溫度為25℃時(shí),靜置30min后懸浮液比吸光度下降程度較低,懸浮液可在30min內(nèi)保持較好的分散穩(wěn)定性。而當(dāng)溫度升高至40℃后,在靜置過(guò)程中懸浮液的比吸光度明顯降低,其分散穩(wěn)定性明顯下降。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至60℃后,懸浮液的比吸光度迅速降低,分散穩(wěn)定性下降趨勢(shì)更加顯著。圖12表明,隨溫度的升高,上層懸浮液的澄清度增加,F(xiàn)OX-7在懸浮液中的分散穩(wěn)定性迅速減弱。
在溫度相對(duì)較低的條件下,F(xiàn)OX-7主要發(fā)生自然沉降,懸浮液中微粒的團(tuán)聚趨勢(shì)較弱,而隨著溫度的升高,F(xiàn)OX-7微粒和溶劑分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,懸浮微粒相互碰撞和團(tuán)聚的幾率提高,導(dǎo)致聚團(tuán)趨勢(shì)增加,分散性下降[36]。溫度對(duì)懸浮液的分散穩(wěn)定性具有顯著影響,試驗(yàn)優(yōu)選的分散溫度為25℃。
超聲和攪拌均為提高FOX-7懸浮液分散穩(wěn)定性的有效方法,為進(jìn)一步優(yōu)化前驅(qū)體懸浮液分散穩(wěn)定性的制備條件,在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)對(duì)其工藝條件進(jìn)行深入研究。選取攪拌速度、攪拌時(shí)間、超聲功率、超聲時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)因素設(shè)置3水平,選用L9(34)正交表設(shè)置試驗(yàn)參數(shù),具體因素水平設(shè)計(jì)如表1所示,試驗(yàn)方案表和懸浮液沉降30min后測(cè)得的比吸光度如表2所示。
為分析因素的影響程度,根據(jù)比吸光度數(shù)值,采用極差分析方法對(duì)正交表中各個(gè)因素進(jìn)行分析,計(jì)算經(jīng)過(guò)水平重復(fù)數(shù)平均后的極差Range(R),計(jì)算公式如式(2)所示:
(2)
式中:Max(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)為在此因素下水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所對(duì)應(yīng)的分值最高的值;Min(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)為在此因素下水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所對(duì)應(yīng)的分值最低的值;n、m表示此試驗(yàn)中水平重復(fù)數(shù)量。
依據(jù)其計(jì)算公式,計(jì)算出的R值如表2所示。極差R為指標(biāo)隨因素水平改變而改變的最大限度,因素水平的改變對(duì)比吸光度影響越大,R值越大[37]。
表1 正交因素水平表Table 1 The orthogonal factor level table
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The result of orthogonal experiment
通過(guò)試驗(yàn),因素水平變化時(shí)懸浮液吸光度的變化趨勢(shì)如圖13所示。由極差數(shù)據(jù)可知,在所選擇的因素水平范圍內(nèi),4種因素對(duì)懸浮液分散穩(wěn)定性影響程度分別為:攪拌速度>超聲時(shí)間>攪拌時(shí)間>超聲功率,其中攪拌速度的影響最為顯著。由表2中各個(gè)因素水平極差對(duì)應(yīng)數(shù)值和因素水平和圖13中不同因素水平極差對(duì)應(yīng)數(shù)值的因素水平變化趨勢(shì)可知,最佳分散條件下各個(gè)因素的水平為A2B2C3D2,即攪拌速度為600r/min,攪拌時(shí)間為20min,超聲功率為300W,超聲時(shí)間為15min。
圖13 吸光度因素水平變化趨勢(shì)圖Fig.13 The trend of the absorbance with changed factor levels
在優(yōu)化條件下,即固含量為2%、攪拌速度為600r/min、攪拌時(shí)間為20min、溫度為25℃、超聲的功率和時(shí)間分別為300W和15min時(shí),制備FOX-7懸浮液。以相同固含量下未經(jīng)分散處理的FOX-7懸浮液作為對(duì)照組,采用噴霧干燥技術(shù)分別制備FOX-7基PBXs復(fù)合微粒,噴霧干燥條件為:入口溫度80℃,進(jìn)料速率3.0mL/min和干燥介質(zhì)速度473L/h。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和X射線光電子能譜分別觀察不同分散條件下前驅(qū)體制備的FOX-7基PBXs微粒并考察樣品包覆情況和表面元素分布,測(cè)試結(jié)果如圖14和表3所示。
表3 不同分散狀態(tài)下前驅(qū)體懸浮液噴霧干燥制備的FOX-7基PBXs的表面元素含量Table 3 Surface element contents of FOX-7 based PBXs prepared by spray drying of precursor suspensions in different dispersion states
由圖14(a)可知,采用優(yōu)化分散處理?xiàng)l件制備的FOX-7基PBXs樣品表面光滑、密實(shí),可以看到細(xì)化FOX-7微粒表面有完整連續(xù)的黏結(jié)劑包覆層。未經(jīng)分散處理的懸浮液經(jīng)噴霧干燥后得到的FOX-7基PBXs樣品如圖14(b)所示,黏結(jié)劑無(wú)法均勻析出并粘附在FOX-7晶粒表面,導(dǎo)致黏結(jié)劑的包覆效果較差。由表3可知,與原料FOX-7相比,兩種分散狀態(tài)下懸浮液所制備的FOX-7基PBXs表面氮元素和氧元素含量有所降低,而氟元素含量增加,這是由于黏結(jié)劑中不含氮、氧元素所致。采用優(yōu)化分散處理?xiàng)l件制備的FOX-7基PBXs樣品表面氟元素含量較高,這是由于經(jīng)分散處理后,F(xiàn)OX-7微粒聚沉概率相對(duì)較低,微粒在懸浮液中可保持穩(wěn)定分散狀態(tài),這使得懸浮液中溶解的黏結(jié)劑分子可在噴霧干燥過(guò)程中均勻析出在FOX-7微粒表面。而未經(jīng)分散處理的懸浮液經(jīng)噴霧干燥后,黏結(jié)劑析出在FOX-7團(tuán)聚體表面,F(xiàn)OX-7晶體表面黏結(jié)劑含量降低,這導(dǎo)致FOX-7基PBXs表面黏結(jié)劑的包覆穩(wěn)定性較差。
圖14 不同分散狀態(tài)下前驅(qū)體懸浮液噴霧干燥制備的FOX-7基PBXsFig.14 FOX-7 based PBXs prepared by spray drying of precursor suspensions in different dispersion states
(1)固含量對(duì)微米FOX-7懸浮液中微粒的分散穩(wěn)定性有較大影響,固含量為1%時(shí),懸浮液分散濃度較低,導(dǎo)致后續(xù)噴霧干燥效率過(guò)低,而懸浮液固含量上升至5%后易導(dǎo)致相干沉降。
(2)隨著攪拌速度的提高,懸浮液穩(wěn)定性呈先增加后降低的趨勢(shì),而攪拌時(shí)間對(duì)懸浮液的穩(wěn)定性影響略低于攪拌速度;適度的超聲功率及時(shí)間有助于懸浮穩(wěn)定性的提高,而過(guò)高的超聲功率和/或超聲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致體系溫度的升高,進(jìn)而加速顆粒沉降,4種因素對(duì)懸浮液分散穩(wěn)定性影響程度分別為:攪拌速度>超聲時(shí)間>攪拌時(shí)間>超聲功率;隨著懸浮液溫度的升高,分散穩(wěn)定性迅速下降。
(3)經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化后,F(xiàn)OX-7基PBXs噴霧干燥前驅(qū)體懸浮液的優(yōu)化工藝參數(shù)條件如下:固含量為2%~4%,攪拌速度為600r/min,攪拌時(shí)間為20min,溫度為25℃,超聲的功率和時(shí)間分別為300W和15min。