超細亞鐵氰化鉛/高氯酸銨復合粒子的制備及熱分解、防團聚性能研究

張正金， 郭效德， 劉杰， 梁力， 李寬寬， 夏亮， 常志鵬， 田淑寶， 黃東彥， 楊雪芹

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心， 江蘇 南京 210094；2.山西北方興安化學工業有限公司， 山西 太原 030008)

0 引言

復合固體推進劑廣泛應用于商業衛星的發射、大型空間飛行器的推動、戰術導彈的推進等領域，因而受到了廣泛關注。高氯酸銨(AP)作為目前常用的復合固體推進劑——端羥基聚丁二烯(HTPB)推進劑的主要組分，其含量約占總質量的60%～80%，AP的熱解性能決定了HTPB推進劑的燃燒性能[1]。AP的分解性能與其自身的粒徑、比表面積等密切相關。研究表明[2]，隨著AP的粒徑減小、比表面積的增大、活化能的降低，AP分解釋放的熱量增多、分解峰溫下降，進而使固體推進劑的點火延遲時間縮短，燃燒速率加快。然而，AP超細化后，顆粒變小、比表面積增大、表面能升高、表面活性增大，容易發生團聚或吸附其他物質，進而喪失了超細粒子的優異特性，導致使用性能降低[2-6]。如果將納米催化劑粒子包覆于微米粒子的表面或者制成復合粒子，可以有效地避免單一粒子的團聚問題，而且還可以充分發揮納米粒子的優異特性。

目前，以過渡金屬氧化物、稀土金屬復合物以及碳基材料作為AP分解的優良催化劑已經得到了廣泛研究，如金屬氧化物CuO[2, 7-11]、Fe2O3[12-16]、雙金屬復合氧化物CuCr2O4[17-19]、金屬有機骨架(MOF)材料[20-21]、β-AgVO3/ZnFe2O4[22]等。本文考慮引入一種新的固體推進劑燃燒催化劑。

鐵氰化物是一類具有有機聚合物三維網狀結構的無機電活性材料，因其具有對陽離子和能量存儲性、電催化性和分子磁性等優異的性質而受到人們的普遍關注[23]，同時鐵氰化物具有抗結性能，可用于防止細粉、結晶性物質的板結。例如，食鹽長久堆放易發生板結，加入亞鐵氰化鉀(K4Fe(CN)6)后食鹽的正六面體結晶轉變為星狀結晶，從而不易發生結塊。但用金屬鐵氰化物作為推進劑燃燒的催化劑至今鮮有人報道。因此，本文選用亞鐵氰化鉛(Pb2Fe(CN)6)作為AP的催化劑，一方面鐵化合物對AP有著良好的催化活性，另一方面鉛化合物可明顯地改變固體推進劑燃燒模式，提高推進劑燃速并產生平臺效應，同時降低體系的壓強指數，能降至很低甚至是0，對以AP為基的固體推進劑燃燒速度和穩定性都有明顯提高。同時，該催化劑富含6個-CN，在催化AP的同時自身能夠分解，分解的產物能進一步催化AP；金屬鐵氰化物具有抗結性能，可用于防止AP團聚，使AP能均勻分散并能長期儲存[24]。

本文用配位沉淀法結合立式球磨法制備納米Pb2Fe(CN)6催化劑，同時用不同種方法(直接研磨法、超聲輔助法、溶劑非溶劑法)合成超細Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子，并對各自的形貌、粒度，熱分解性能，活化能，防結塊性能，堆積密度進行分析表征，制備出分散均勻、熱分解性能優異的超細AP復合粒子。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器設備

實驗材料：K4Fe(CN)6，分析純，西亞化工股份有限公司產；Pb(NO3)2·3H2O，分析純，上海新寶精細化工廠產；NH4ClO4，工業級，大連AP廠產；二氯甲烷(DCM)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司產；N-甲基吡咯烷酮(NMP)，分析純，阿拉丁試劑有限公司產。

儀器設備：粉末D8型X射線衍射(XRD)儀，德國Bruker公司產；S-4800 Ⅱ掃描電鏡(SEM)，日本Hitachi公司產；VERTEX70型紅外光譜儀(FTIR)，德國Bruker公司產；SDTQ600型熱分析儀(TG-DSC)，美國TA儀器公司產；Alpha 2-4 LD plus冷凍干燥機，德國Christ儀器公司產；Master Sizer 2000型激光干法粒度儀，英國馬爾文公司產；立式攪拌球磨機，南京理工大學國家特種超細粉體工程技術研究中心產。

1.2 納米Pb2Fe(CN)6的制備

一定化學計量比K4Fe(CN)6和Pb(NO3)2分別溶于去離子水中，攪拌條件下逐滴混合，滴加速度2 mL/min，轉速800 r/min，得到乳白色漿料，將制得的產物離心，去離子水洗滌，冷凍干燥，制得粗的Pb2Fe(CN)6.

上述所制得的粗Pb2Fe(CN)6加入一定量的去離子水混合成漿料，注入立式攪拌球磨機中，腔體夾層通入循環水以冷卻腔體，轉速設置為1 250 r/min，研磨時長5 h. 將所制得的Pb2Fe(CN)6懸浮液離心，冷凍干燥，制得納米Pb2Fe(CN)6.

1.3 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的制備

1.3.1 直接研磨法

準確稱取質量比為4∶96的納米Pb2Fe(CN)6和AP，放在瑪瑙研缽中研磨20 min,制得超細Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子。

1.3.2 超聲輔助法

準確稱取質量比為4∶96的納米Pb2Fe(CN)6和AP，在超聲波輔助的情況下分別分散于DCM中，之后將含有Pb2Fe(CN)6的DCM懸浮液緩慢逐滴滴加至含有AP的DCM懸浮液中，邊滴加邊攪拌，速度控制在2 mL/min，所得的漿料經過濾、50 ℃水浴烘箱干燥制得超細Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子。

1.3.3 溶劑- 非溶劑法

準確稱取不同質量比的Pb2Fe(CN)6和AP，隨后將AP溶解于NMP中，同時將納米Pb2Fe(CN)6超聲分散于DCM. 將溶有AP的NMP溶液逐滴滴加至含有納米Pb2Fe(CN)6的DCM懸浮液中，邊加邊攪拌，轉速控制在800 r/min，時長1.5 h，靜置，過濾，干燥，制得超細Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子。

1.4 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子熱分解性能測試

上述3種方法所制備的3種Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子及純AP進行差示掃描量熱儀(DSC)測試。N2流速20 mL/min，溫度范圍在50～520 ℃，升溫速率5～20 ℃/min，用氧化鋁樣品池，試樣量約2.0 mg. 根據AP的低溫分解峰溫度，高溫分解峰溫度的變化與各峰面積大小所反映出的活化能和表觀分解熱來衡量Pb2Fe(CN)6對AP的催化活性。

2 結果與討論

2.1 XRD光譜分析

圖1分別是配位沉淀法制備的超細Pb2Fe(CN)6和球磨后的納米Pb2Fe(CN)6的XRD圖譜。由圖1可以看出：Pb2Fe(CN)6的衍射角2θ主要特征峰分別為14.36°、16.20°、21.72°、24.94°、29.90°、33.30°、35.92°，與Pb2Fe(CN)6的標準PDF卡片(JCPDS：48-0225)相吻合；樣品XRD譜圖與標準Pb2Fe(CN)6圖譜基本一致，證明Pb2Fe(CN)6已成功制備。而且，通過比較球磨前后Pb2Fe(CN)6的XRD圖譜，發現2θ特征峰的位置并未發生位移，證明物質球磨前后物質未發生變化。

圖1 配位沉淀法制備的粗Pb2Fe(CN)6和球磨后的納米Pb2Fe(CN)6的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of crude Pb2Fe(CN)6 prepared by coordination precipitation method and nano-Pb2Fe(CN)6 prepared by ball milling

配位沉淀法制備的粗Pb2Fe(CN)6經球磨后特征衍射峰變得矮且寬。這一方面由于粒徑在球磨后粒徑變小造成的，根據Scherrer公式：

(1)

式中：D為顆粒粒徑；λ為入射X射線波長；B為衍射峰半高峰寬(FWHM)；θ為衍射角。由(1)式可知顆粒粒徑與衍射峰半高峰寬呈反比。正是由于納米Pb2Fe(CN)6粒徑變小，導致其衍射峰寬化。另一方面是由于球磨使納米材料的晶粒內部發生晶格畸變(微觀應變)所致。

2.2 形貌分析

圖2分別是納米Pb2Fe(CN)6、純AP、直接研磨法、超聲輔助法、溶劑- 非溶劑法制備的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的SEM圖。由圖2(a)可知經過立式球磨機研磨的Pb2Fe(CN)6，粒徑約為50 nm，分散性良好，但有部分結塊現象，這是由于納米粒子比表面積大易于團聚的結果。圖2(b)是純AP，其粒徑約為7.6 μm，形狀不規則，表面較為光滑，無明顯棱角。用不同的方法對AP進行復合，由圖2(c)、圖2(d)、圖2(e)可知：直接研磨法制備的復合粒子表面模糊粗糙，棱角分明，這是由于研磨所致；超聲輔助法制備的復合粒子表面光滑，無明顯棱角，這是由于超聲波將AP表面的棱角磨平；溶劑- 非溶劑法所制備復合粒子表面光滑，呈準球形，這是由于重結晶的結果。由圖2(c)、圖2(d)、圖2(e)可知，Pb2Fe(CN)6均已不同程度的復合在AP表面。比較3種方法所得的復合粒子，直接研磨法與超聲輔助法雖然AP表面附著Pb2Fe(CN)6，但分布不均勻，有部分納米Pb2Fe(CN)6已經團聚，并且只有少量的納米Pb2Fe(CN)6粒子鑲嵌在AP的表面，大量的納米Pb2Fe(CN)6粒子僅僅分散于AP的顆粒之間，而用溶劑- 非溶劑法所得Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子呈準球形，且絕大部分的納米Pb2Fe(CN)6均勻鑲嵌在AP的表面。

圖2 納米Pb2Fe(CN)6、純AP和3種不同方法制備的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的SEM圖Fig.2 SEM images of nano-Pb2Fe(CN)6, pure AP and Pb2Fe(CN)6/AP composite particles prepared by three different methods

2.3 粒度分析

用Mastersizer 2000激光粒度儀對純AP及3種不同方法所制備的復合粒子進行粒度分析。粒度分布曲線如圖3所示，粒度跨度如表1所示。粒度跨度公式為

(2)

式中：S為粒度跨度；d10、d50、d90分別為由小到大體積分數累積到10%、50%、90%的顆粒度。

圖3 純AP以及Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的粒徑分布曲線圖Fig.3 Particle size distribution curves of pure AP and Pb2Fe(CN)6/AP composite particles

由圖3和表1可知：純AP以及3種方法制備的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的d50分別為7.642 μm、7.447 μm、7.748 μm和8.039 μm；粒度跨度S分別為1.341、1.455、1.366和1.348. 這表明，通過控制不同種復合粒子的制備條件成功制備了粒徑幾乎與純AP一致的復合粒子，為后面測試復合粒子的熱分解性能起到控制變量的作用。

表1 純AP以及Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的粒徑測試結果

2.4 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子傅里葉紅外光譜分析

圖4 純AP、納米Pb2Fe(CN)6以及Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的IR譜圖Fig.4 IR spectra of pure AP, nano-Pb2Fe(CN)6 and Pb2Fe(CN)6/AP composite particles

2.5 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的熱分解研究

2.5.1 不同種復合方法對AP的分解影響

在質量比Pb2Fe(CN)6∶AP為4∶96情況下，分別用直接研磨法，超聲輔助法，溶劑- 非溶劑法制備Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子，并對復合粒子進行熱分析，其復合方式對 AP熱分解影響的 DSC曲線如圖5所示。

圖5 純AP與不同種復合方式下所得Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的DSC曲線Fig.5 DSC curves of pure AP and Pb2Fe(CN)6/AP composite particles prepared by different methods

由圖5純AP的DSC曲線可知，AP的分解一共分為3個階段：第1個階段是AP的晶型轉變過程，吸熱峰在250 ℃附近，由斜方晶型轉變為立方晶型；第2個階段是低溫分解過程，放熱峰在326 ℃附近；第3個階段是高溫分解過程，放熱峰在446 ℃附近。

圖5結果表明：用3種不同復合技術所得的AP復合粒子，與純AP相比，晶型轉變吸熱峰的溫度并未發生明顯改變，說明Pb2Fe(CN)6對AP的晶型轉變沒有影響；在低溫分解階段，3種復合粒子的低溫分解峰均有提前，說明Pb2Fe(CN)6促進了AP的低溫分解；在高溫分解階段，直接研磨法和超聲輔助法所制得的的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子較之與純AP的分解溫度提前了約55 ℃，溶劑- 非溶劑法所得到的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子較之與純AP的分解溫度約提前了67 ℃，說明Pb2Fe(CN)6對AP的分解起到很好的催化效果，同時，溶劑- 非溶劑法所得Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子相比較于另外兩種方法更能促進AP的分解，這是由于納米Pb2Fe(CN)6均勻分散于AP表面，提供更多的催化活性位點，起到了更好的催化效果。

2.5.2 不同質量比的納米Pb2Fe(CN)6對AP的分解影響

為了研究不同質量比的Pb2Fe(CN)6對AP熱分解性能的影響，分別以質量比為1%、2%、3%、4%及 5%的Pb2Fe(CN)6與 AP用溶劑- 非溶劑法復合，并在20 ℃/min升溫速率下進行 DSC 測試，結果如圖6所示。

圖6 不同質量比的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子DSC圖譜Fig.6 DSC curves of Pb2Fe(CN)6/AP composite particles with different mass ratios

從圖6可以得出，在添加不同質量的Pb2Fe(CN)6催化劑后，AP的晶型轉變吸熱峰以及低溫分解峰均無明顯變化，但高溫分解峰有不同程度的提前。對比 5個DSC 曲線發現，隨著Pb2Fe(CN)6含量的增加，AP的高溫分解峰溫逐漸降低，但含量增加到4%以后，繼續增加Pb2Fe(CN)6添加量時，AP的高溫分解峰溫降低的趨勢漸漸平穩，反應放熱量沒有明顯的增長趨勢，這是因為Pb2Fe(CN)6比表面能較大，過量的加入會使催化劑發生團聚，活性位點減少，不能有效的與AP接觸，從而使催化劑的活性降低[25]。因此，當Pb2Fe(CN)6添加量為4%時，AP的分解峰溫提前最多，對 AP 熱分解的催化效果最好。

2.6 AP熱分解機理分析

相關文獻[26-28]認為AP的低溫分解階段主要發生了固相- 氣相多相反應：

另外，納米Pb2Fe(CN)6具有巨大的比表面積，表面原子所占比例較高，且表面具有大量不飽和鍵，具有很高的表面能及大量的活性點和晶格缺陷，這使得納米Pb2Fe(CN)6會大量吸附 AP的氣相分解產物，從而顯著促進了 AP的高溫分解。

2.7 AP熱分解的動力學分析

(3)

式中：R為理想氣體常數。再根據Arrenius方程如(4)式，計算出速率常數k，表2中的k是673.15 K下的值。

(4)

表2 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的動力學參數

從線性擬合的斜率計算出AP、Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的Ea值分別為168.3 kJ/mol、144.4 kJ/mol，進而根據Kissinger方程中的截距計算出指前因子A，其值分別為0.80×1012min-1、3.19×1011min-1，再根據Arrenius方程計算出速率常數k分別為1.16×10-3s-1、3.32×10-2s-1.

由表2可知，Pb2Fe(CN)6著降低了AP的分解活化能Ea，同時大大提高了AP的分解速率常數k. 選用Pb2Fe(CN)6作為催化劑催化AP，其高溫分解活化能降低了14.2%，速率常數k提高了約28.6倍。

2.8 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的防結塊性能

用激光粒度儀對放置一段時間后的純AP原料以及Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子進行粒徑分布測試。圖7表明純AP原料放在空氣中一段時間后d50由原來的6.2 μm(放置0 d)變成11.2 μm(放置5 d)，12.0 μm(放置15 d)；而Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的d50隨放置時間的推移，并無明顯變化，從圖7(a)～(c)也可以直觀的體現。圖7(d)中的純AP出現粒徑較大的峰，并且隨著時間推移，此峰面積逐漸增大，這是由于AP團聚所致，而AP的團聚主要是因為其自身具有較強的吸濕性，AP吸濕后在其表面發生部分溶解，隨后脫水析出，導致晶體顆粒變大。圖7(d)中 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的粒徑分布圖并未出現粒徑較大的峰，這是因為Pb2Fe(CN)6自身作為一種防結劑能有效地阻止AP的團聚，使得團聚現象得到改善。

圖7 放置不同時間的純AP與復合粒子直觀圖與粒徑分布圖Fig.7 Visual diagrams and particle size distribution curves of pure AP and composite particles storasged for different times

2.9 Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子堆積密度測試

用漏斗法對同種粒度未團聚的純AP以及Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子進行堆積密度測試，實驗結果為：純AP的松裝堆積密度為0.471 g/cm3，振實堆積密度為0.500 g/cm3；Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子的松裝堆積密度為0.500 g/cm3，振實堆積密度為0.552 g/cm3；Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子相比于純AP松裝堆積密度提高了6.16%，振實堆積密度提高了10.40%。這主要是因為原料AP形狀不規則，表面有明顯的棱角，顆粒之間形成較大的空隙，溶劑- 非溶劑法得到的Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子為準球形，顆粒之間的間隙較小，使得堆積密度提高。

3 結論

本文首先用配位沉淀法和立式球磨技術制備納米Pb2Fe(CN)6納米粒子，然后通過直接研磨法、超聲輔助法、溶劑- 非溶劑法制備出Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子，并研究了不同復合方法，不同質量比的催化劑對AP的分解影響，對復合粒子進行了一系列分析。得到結論如下：

1) 用溶劑- 非溶劑法所得到的復合粒子尺寸較小，分散較為均勻，復合效果較好；且高溫分解峰溫較純AP提前約67 ℃，與其他復合技術——直接研磨、超聲輔助相比，催化效果更為優異。

2) 當Pb2Fe(CN)6∶AP質量比為4∶96時，AP的高溫分解峰提前的最多(與純AP相比峰溫提前了67.2 ℃)，催化效果最好。

3) 用Pb2Fe(CN)6催化AP可使其表觀活化能降低至144.4 kJ/mol，速率常數k提高至3.32×10-2s-1；較純AP高溫分解活化能降低了14.2%，速率常數提高了約28.6倍。

4)Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子有效抑制了AP因自身的吸濕而團聚的現象。同時，溶劑- 非溶劑法制備的準球形Pb2Fe(CN)6/AP復合粒子相比于純AP松裝堆積密度提高了6.16%，振實堆積密度提高了10.40%。