纳米硼粉的改性及其对硼／硝化棉纳米纤维的影响

纳米含能材料因具有不同于传统含能材料的新物理化学性能、高的能量释放速率和燃烧效率等 特点，受到国内外广泛关注。纳米复合材料特别是 纳米复合纤 维，不仅具有高比表面积、高燃速的特点，还能有效避免单一纳米颗粒因高表面能而出现易团聚和难以分散均匀的缺点，同时纳米复合纤维 还兼顾多组分的性能，具有较好的应用前景。纳米含能材料的制备方法有多种，其中静电纺丝法具有简单、高效、便捷的特点。硝化棉是静电纺丝法制备纳米含能复合纤维的常用材料。

实验

纳米硼粉是一种高能量的燃烧组分，元素硼的 体积热值（140kg/cm3）和质量热值（59kg/g）远大于 镁、铝等其他单分子含能材料，且硼粉是很好的燃料，特别是纳米硼粉有较高的燃烧效率,因此将纳米硼粉添加到火炸药或推进剂中能显著提高含 能材料体系的能量，但因其高表面能使纳米硼粉颗 粒易团聚，且在贮存过程中表面易氧化，形成的硼氧化物易与空气中的水反应生成硼酸，使纳米硼粉 团聚更严重，造成硼粉在使用过程中出现点火困难、能量释放不彻底等问题. 改性对硼粉及 Ｂ／ＮＣ纳米纤维热性能的影响 ＮＣ、硼粉、Ｂ／ＮＣ 纳米纤维和改性Ｂ／ＮＣ纳米纤维在空气气氛中的ＴＧ 曲线和ＤＳＣ 曲线 如 图６ 所示。

图６ ＮＣ、硼粉、Ｂ／ＮＣ纳米纤维和改性 Ｂ／ＮＣ纳米纤维的ＴＧ和ＤＣ曲线

从图（ａ）中可以看出，在 ＮＣ、Ｂ／ＮＣ纳米纤维和改性 Ｂ／ＮＣ纳米纤维中的 ＮＣ 成分从１６０℃开始 急剧反应失重，到２５０℃失重基本结束，可见 ＮＣ 不 参与后面硼粉与空气的反应。升温至４９２℃，硼粉、 Ｂ／ＮＣ纳米纤维和改性 Ｂ／ＮＣ纳米纤维因硼粉与空 气氧化生成硼氧化物而明显增重，至７２５℃增重过程结束，曲线变平缓。该过程中原硼粉增重８５.１８％，Ｂ／ＮＣ纳米纤维增重１８．８２％，除以纤维中硼 质量分数１６．７％，得硼在Ｂ／ＮＣ纳米纤维中增重１１２．９２％，比硼粉增加２７．７４％；改性 Ｂ／ＮＣ纳米纤维增重２６．５８％，除以硼质量分数１６．７％，得硼在改性Ｂ／ＮＣ纳米纤维中增重１５９．４８％，比硼在原硼粉和 Ｂ／ＮＣ 纳米纤维中的 增重分别多７４．３％ 和４６．５３％。由于硼粉在 Ｂ／ＮＣ 纳米纤维中 的 分 散 性 比原硼粉好，反 应 时 硼 粉 与 空 气 的 接 触 面 积 变 大， 因此纺丝后硼粉与空气的反应程度加深；改性后的 硼粉在Ｂ／ＮＣ纳米纤维中的分散性比改性前的硼粉 更好，反应时硼粉与空气的接触面积更大，因此改性后硼粉的反应程度继续加深，能量释放更彻底。
由图６（ｂ）可见，因ＮＣ分解放热，ＮＣ、Ｂ／ＮＣ纳 米纤 维 和 改 性 Ｂ／ＮＣ 纳米纤维在２０２℃左右出现ＮＣ的放热峰，且该峰与硼粉放热峰完全分离，无干 扰。随着温度的升高，硼粉与空气氧化放热，但硼粉、Ｂ／ＮＣ纳米纤维和改性Ｂ／ＮＣ纳米纤维中硼粉的峰温位置不同。 硼粉中硼放热峰温位于 ６０１．２℃，Ｂ／ＮＣ纳米纤维中硼的峰温位于５６６．７℃， 比硼粉的硼峰温降低３４．５℃。改性Ｂ／ＮＣ 纳米纤维中的硼峰 温 位 于５２９．３℃，比硼 粉 和 Ｂ／ＮＣ 纳米 纤维的峰温分别降低７１．９℃ 和３７．４℃。纺丝后， ＮＣ分解放热提高了硼周围的温度，且硼在Ｂ／ＮＣ纳米纤维中的分散性比原硼粉好，反应时硼粉与空 气的接触面积变大，因此纺丝后硼的峰温降低；改性后的硼粉在纤维中的分散性比改性前的硼粉更好，反应时硼粉与空气的接触面积更大，因此改性后硼的峰温继续降低。

结 论

（１）将 ＫＨ－５５０改性的纳米硼粉和ＮＣ静电纺丝，制备了Ｂ／ＮＣ纳米纤维，纤维直径１２０～ ６００ｎｍ，平均直径３６０ｎｍ，纤维粗细相对均匀，硼粉的分散性得到大大改善，解决了硼粉易团聚的缺点。
（２）硼在改性 Ｂ／ＮＣ纳米纤维中增重量比在 Ｂ／ ＮＣ纳米 纤 维 和 硼 粉 中 分 别 多４６．５３％和７４．３％， 硼的放热峰温分别降低了３７．４℃和７１．９℃。这种 改性Ｂ／ＮＣ纳米纤维有望使纳米硼粉更好地应用于 推进剂和火药领域。