Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АКТИВАЦИИ ПОРОШКА АЛЮМИНИЯ

Изобретение к области порошковой металлургии, в частности к способам активации горения дисперсных порошков алюминия, которые могут быть использованы в различных областях промышленности.

Известен способ активации порошка алюминия путем механохимического активирования, при котором смесь алюминия и политетрафторэтилена механически обрабатывают в вибрационной мельнице (Стрелецкий А.Н., Долгобородов А.Ю., Колбанев И.В., Махов М.Н., Ломаева С.Ф., Борунова А.Б., Фортов В.Е. "Структура механически активированных высокоэнергетических нанокомпозитов Al+ политетрафторэтилен", Коллоидный журнал, 2009, т.71, №6, с.835-843).

Недостатком известного способа являются, во-первых, высокая энергоемкость нанопорошков алюминия, вследствие чего они могут самопроизвольно воспламеняться при контакте с компонентами воздушной среды, что затрудняет их применение и хранение; во-вторых, токсичность политетрафторэтилена, применяемого при механической обработке порошков алюминия.

Известен способ активации порошков алюминия, включающий покрытие частиц алюминия частицами d-металла, например, никелем, кобальтом, медью или гидрофторидом калия KHF₂ (Hahma A., Gany A., Polovuori К." Combustion of activated aluminium", Combustion and Flame, 2006, V.145, p.464-480).

Недостатком известного способа являются, во-первых, сложность и длительность электрохимического процесса нанесения металлов, требующего затрат энергии и применения специального оборудования; во-вторых, необходимость удаления электролита после электрохимической обработки порошка.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ активации порошков алюминия, включающий смешивание порошка алюминия с активатором, в качестве которого используют поливанадат натрия Na_0,7V₁₂O₃₁·7,4H₂O или Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O или калия K₂V₁₂O₃₁·6H₂O, K₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O или оксидную ванадиевую бронзу Na₆V₁₂O₃₁, при этом концентрация добавки активатора составляет 3 масс.%. Перед смешиванием с порошком алюминия активатор просеивают через сито с размером ячеек 0,63 мкм, что обеспечивает отбор частиц со средним размером 20-30 мкм (Шевченко В.Г., Волков В.Л., Кононенко В.И., Захарова Г.С., Чупова И.А., "Влияние поливанадатов натрия и калия на процесс окисления порошка алюминия", Физика горения и взрыва, 1996, т.32, №4, с.91-94) (прототип).

К недостатком известного способа относятся, во-первых, сложность и длительность получения активатора: либо получение поливанадатов натрия или калия путем гидролиза метаванадиевой кислоты с последующим упариванием полученного раствора и высушиванием осадка до получения твердого продукта, либо многочасовой твердофазный синтез оксидной ванадиевой бронзы с последующим измельчением продукта реакции; во-вторых, низкая степень полноты сгорания вследствие сложности смешения алюминиевого порошка с активатором.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ активации порошка алюминия, обеспечивающий высокую степень полноты сгорания.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе активации порошка алюминия путем добавления к исходному порошку активатора на основе оксидного соединения ванадия, в котором в качестве активатора используют гель, содержащий 4,0-8,2 г/л ванадия и полученный путем плавления оксида ванадия (V) или оксида ванадия (V) и карбоната лития или натрия или оксида ванадия (V) и борной кислоты или их смеси с последующим добавлением расплава к дистиллированной воде при интенсивном перемешивании и выдержкой, которым пропитывают исходный порошок алюминия при соотношении гель (мл):алюминий (г)=1÷2:1, а затем полученную массу фильтруют на вакуумном фильтре и просушивают при температуре 50-60°C в течение 0,5-1 ч..

В настоящее время из научно-технической и патентной литературы не известен способ активации порошка алюминия путем пропитки порошка гелем определенного качественного и количественного состава.

Исследования, проведенные авторами, позволили выявить условия активации порошка алюминия, обеспечивающие смещение процесса в низкотемпературную область и полноту сгорания порошка, по степени превосходящую степень сгорания при активации порошка известным способом, указанным в качестве прототипа. Экспериментальным путем было установлено, что пропитка порошка гелем, полученным путем плавления оксида ванадия (V) или оксида ванадия (V) и карбоната лития или натрия или оксида ванадия (V) и борной кислоты или их смеси с последующим добавлением расплава к дистиллированной воде при интенсивном перемешивании и выдержкой, обеспечивает максимальный контакт между частицами смеси и исключает возможность изменения морфологии частиц смеси, которая ведет к ухудшению реологических свойств порошка. Эти два фактора и обусловливают значительное повышение полноты сгорания на всех этапах взаимодействия, особенно в интервале низких температур нагрева (до двух раз), а при более высоких температурах на 10-12%. При этом существенным является соблюдение количественных соотношений в процессе пропитки. Так, при содержании ванадия в геле более 8,2 г/мл наблюдается образование густой массы, вязкость которой повышается с увеличением концентрации ванадия, что ухудшает условия смешения. При содержании ванадия в геле менее 4,0 г/мл степень полноты сгорания порошка уменьшается. Соблюдение при пропитке предлагаемого соотношения количества геля и порошка алюминия также является необходимым условием: увеличение соотношения более, чем 2:1, ведет к образование густой массы, что ухудшает условия смешения. Уменьшение соотношения менее, чем 1:1 ведет к ухудшению контакта между частицами смеси и, как следствие, к снижению степени сгорания. Использование вакуума при сушке конечного продукта позволяет максимально увеличить степень контакта между частицами смеси и сокращает время удаления остатков воды. Кроме того, становится возможной многократная пропитка порошка одним и тем же коллоидным раствором.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Берут пентаоксид ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." или пентаоксид ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и карбонат лития Li₂C₃O или натрия Na₂CO₃ квалификации "ос.ч." или пентаоксид ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и борную кислоту квалификации "ч.д.а.". Исходные компоненты нагревают в платиновом тигле до температуры 650-750°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который добавляют к дистиллированной воде при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 4,0-8,2 г/мл выдерживают в течение 2-х часов и затем полученным гелем пропитывают порошок алюминия, например, марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц в соотношении гель (мл):алюминий (г)=1÷2:1 и перемешивают в течение 5-10 мин, а затем полученную массу вакуумируют на вакуумном фильтре и просушивают при температуре 50-60°С в течение 0,5-1 ч. На фиг.1 представлены снимки, сделанные на сканирующем электронном микроскопе, порошка АСД-4 до (а) и после пропитки гелем на основе V₂O₅·nH₂O (6).

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 9,09 г пентаоксида ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч.",нагревают в платиновом тигле до температуры 700°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который выливают в стакан емкостью 1000 мл с дистиллированной водой (600 мл) при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 5,85 г/л выдерживают в течение 2-х часов и затем пропитывают 5 мл полученного геля 5 г порошка алюминия марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц и содержанием активного металла 94,6%, что соответствует соотношению гель (мл):алюминий (г)=1:1, и перемешивают в течение 5 мин, затем полученную массу помещают в вакуумный фильтр, после чего сушат на воздухе при температуре 50°C в течение 1 часа. По данным ТГА (температура горения алюминия) степень сгорания предлагаемого активированного порошка алюминия при 1000°C на 11% выше, чем у известного порошка по способу-прототипу. На фиг.2 представлена кривая ТГ (температуры горения) порошка АСД-4, активированного гелем на основе V₂O₅·nH₂O, и пунктиром показана кривая ТГ алюминиевого порошка, активированного порошком состава Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O (прототип).

Пример 2. Берут 10,91 г пентаоксида ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и 0,369 г карбоната лития Li₂CO₃ нагревают в платиновом тигле до температуры 650°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который выливают в стакан емкостью 1000 мл с дистиллированной водой (600 мл) при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 5,39 г/л выдерживают в течение 2-х часов и затем 5 мл полученного геля пропитывают 5 г порошка алюминия марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц и содержанием активного металла 94,6%, что соответствует соотношению гель (мл):алюминий (г)=1:1 и перемешивают в течение 5 мин, затем полученную массу помещают в вакуумный фильтр, после чего сушат на воздухе при температуре 50°C в течение 1 часа. По данным ТГА степень сгорания предлагаемого активированного порошка алюминия при 1000°C на 11% выше, чем у известного порошка по способу-прототипу. На фиг.3 представлена кривая ТГ (температуры горения) порошка АСД-4, активированного гелем на основе Li₂V₁₂O₃₁·nH₂O, и пунктиром показана кривая ТГ алюминиевого порошка, активированного порошком состава Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O (прототип).

Пример 3. Берут 10,91 г пентаоксида ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и 0,369 г карбоната натрия Na₂C₃O, нагревают в платиновом тигле до температуры 650°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который выливают в стакан емкостью 1000 мл с дистиллированной водой (600 мл) при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 7,2 г/л выдерживают в течение 2-х часов и затем 10 мл полученного геля пропитывают 5 г порошка алюминия марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц и содержанием активного металла 94,6%, что соответствует соотношению гель (мл): алюминий (г)=2:1 и перемешивают в течение 10 мин, затем полученную массу помещают в вакуумный фильтр, после чего сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 0,5 часа. По данным ТГА степень сгорания предлагаемого активированного порошка алюминия при 1000°C на 10% выше, чем у известного порошка по способу-прототипу. На фиг.4 представлена кривая ТГ (температуры горения) порошка АСД-4, активированного гелем на основе Na₂V₁₂O₃₁·nH₂O, и пунктиром показана кривая ТГ алюминиевого порошка, активированного порошком состава Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O (прототип).

Пример 4. Берут 10,91 г пентаоксида ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и 1,24 г борной кислоты H₃BO₃,нагревают в платиновом тигле до температуры 750°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который выливают в стакан емкостью 1000 мл с дистиллированной водой (600 мл) при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 8,2 г/л выдерживают в течение 2-х часов и затем пропитывают 5 мл полученного геля 5 г порошка алюминия марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц и содержанием активного металла 94,6%, что соответствует соотношению гель (мл):алюминий (г)=1:1 и перемешивают в течение 10 мин, затем полученную массу помещают в вакуумный фильтр, после чего сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 0,5 часа. По данным ТГА степень сгорания предлагаемого активированного порошка алюминия при 1000°C на 11% выше, чем у известного порошка по способу-прототипу. На фиг.5 представлена кривая ТГ (температуры горения) порошка АСД-4, активированного гелем на основе B₂O₃V₂O₅·nH₂O, и пунктиром показана кривая ТГ алюминиевого порошка, активированного порошком состава Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O (прототип).

Пример 5. Берут 9,09 г пентаоксида ванадия V₂O₅ квалификации "ос.ч." и 1,24 г борной кислоты H₃BO₃, 0,369 г карбоната натрия Na₂CO₃, нагревают в платиновом тигле до температуры 700°C и выдерживают до образования гомогенного расплава, который выливают в стакан емкостью 1000 мл с дистиллированной водой (600 мл) при интенсивном перемешивании и выдерживают в течение 0,5 часа также при интенсивном перемешивании. Полученный продукт с содержанием ванадия 4,0 г/л выдерживают в течение 2-х часов и затем пропитывают 10 мл полученного геля 5 г порошка алюминия марки АСД-4 (S=0,8075 м²/г) со сферической формой частиц содержанием активного металла 94,6%, что соответствует соотношению гель (мл):алюминий (г)=2:1 и перемешивают в течение 5 мин, затем полученную массу помещают в вакуумный фильтр, после чего сушат на воздухе при температуре 60°C в течение 0,5 часа. По данным ТГА степень сгорания предлагаемого активированного порошка алюминия при 1000°C на 12% выше, чем у известного порошка по способу-прототипу. На фиг.6 представлена кривая ТГ (температуры горения) порошка АСД-4, активированного гелем на основе Na₂B₂O₃V₁₀O₂₉·nH₂O, и пунктиром показана кривая ТГ алюминиевого порошка, активированного порошком состава Na₂V₁₂O₃₁·7,4H₂O (прототип).

Таким образом, авторами предлагается простой способ активации порошка алюминия с возможным его применением в промышленном масштабе, обеспечивающий высокую степень полноты сгорания за счет достижения смешения компонентов на молекулярном уровне.