1、:./.基于流变特性的含铝凝胶燃料制备工艺研究杨泽宇 李 建 何桂标 张雪松 马 含 王伯良南京理工大学化学与化工学院(江苏南京)山西江阳化工有限公司(山西太原)摘 要 为提升液固燃料的结构稳定性以无机纳米颗粒为凝胶剂制备了环氧丙烷基凝胶基质在基质中引入微米铝粉得到含铝凝胶燃料 通过测定凝胶基质的弹性模量 和线性区范围 分析了超声和热处理对纳米颗粒成胶的影响 针对不同含铝量的凝胶燃料在不同剪切速率(.)下进行了旋转剪切测试并研究了剪切历史对燃料流动曲线的影响 结果表明超声和加热对纳米颗粒的成胶效果皆有促进作用 低剪切速率()下剪切历史会使得凝胶体系黏度增高超过 后黏度较无剪切历史的样品低 流动
2、曲线显示含铝凝胶燃料在 附近出现增稠现象而更高的剪切速率直接导致凝胶结构在短时间内出现不可逆破坏致使黏度迅速降低关键词 凝胶燃料制备工艺应变扫描剪切历史分类号.().().(.).(呈现出黏性特征体系仍然具有较强的流动性因此不具备成胶的特性 当 质量分数提高至.时 并且随着凝胶含量的增加二者差值逐渐扩大说明体系的弹性特征逐渐明 图 频率扫描测试结果.显 综上所述 与 体系最小成胶量时的().采用应变扫描的方法对最小成胶量的基质(.)进行表征 通过应变扫描可以得到物质的线性黏弹区()以表征在固定频率下不破坏样品结构可承受的最大应变即临界应变 同时获取模量信息凝胶的结构强度主要由线性黏弹区的 决定
3、记为.的应变扫描测试结果如图 所示.的 为.为.表明:此时的体系结构强度较弱无法承受较大的外界扰动但.具有较长的线性黏弹区即当外力小于.时可以抵抗住 左右的形变 此外图 中区域表示体系内部出现小部分氢键断裂但此时黏弹行为的弹性部分仍然占据主导地位因此结构瓦解的过程具有一定的延迟 随着应变增大宏观裂缝最终使整个基质破裂此时黏性占据主导地位即图 中的区域 图 样品.的应变扫描测试结果.超声功率和温度对凝胶基质的影响作为两个重要的制备工艺条件超声功率和热处理如何影响凝胶基质的结构性能是首先需要研究的问题 通过应变扫描测试对不同凝胶剂含量的基质在不同分散条件下的结构性能进行表征结果如图 所示 图 中
4、表示机械混合即未进行后处理的样品、表示热处理温度、表示超声功率 图()是 质量分数为.时基质的应变扫描结果 可以看到机械混合的 约为 对比机械混合的基质经过超声后的基质拥有更高的 不同的超声功率对 的大小有显著的影响功率越高基质的也越高 类似地热处理后基质的 也有较大的提升 等在研究温度对十二烷基凝胶的影响时也得到了相同的结论指出热处理在一定程度 爆 破 器 材 第 卷第 期 ().().().().().图 凝胶燃料的应变扫描测试结果.上导致了絮凝体结构的收缩和重组使凝胶体系更加紧密 此外临界应变 的改变较小随着功率的提升以及在热处理后出现小幅度的下降如图()图()所示其余 种 质量分数的基
5、质在经过后处理后均大于机械混合的基质但随着 的增大变化幅度较小 超声方面整体上也基本呈现出 随功率升高而增大的趋势 热处理方面 质量分数为.时不同温度对 的影响最大经过 热处理的 达到 而 时的 只有 但两者较机械混合()都有大幅度的提升 结果表明超声可以使絮凝体在溶剂中分散得更加充分从而使絮凝体表面可以暴露出更多的基团用以彼此之间相互搭接进而形成更加完整和有序的三维网络结构热处理则是通过絮凝体收缩形成紧密的堆积结构从而使三维网络结构更加紧密 因此超声和热处理均可提升基质的结构强度 为将问题量化引入分形维数的概念来描述、与凝胶剂浓度之间存在的关系 等优化了前人的分形维数模型提出 和 遵循以下两
6、个值的幂律依赖性:()()式中:为填充量指数 和 分别定义为 ()年 月 基于流变特性的含铝凝胶燃料制备工艺研究 杨泽宇等 ()式中:()()表示絮凝体骨架分形维数数值范围在.之间取值为.为絮凝体分形维数 表示凝胶内部连接强度即弱连接()、过渡态连接()、强连接()将实验数据进行归整分别对曲线进行最小二乘法拟合确定了指数 和 结果汇总在表 并对、及 取对数坐标作图(图)从图 中可以看到随着填充量的增加呈幂律增大趋势而随着填充量的增加而减少表 分形维数拟合.后处理方式.参数 反映了 与 之间的关系 随着超声功率的增加 逐渐减小 说明在 和 组成的体系中后处理时超声功率越大填充量对 的影响越小 热
7、处理后参数 也同样小于机械混合时 结果表明超声和热处理后凝胶强度对填充量的依赖性都有一定幅度的减弱且填充量在不同温度下对 的影响很小 参数 反映了 与 之间的关系(的绝对值越小表示填充量对 的影响越小)随着超声功率的增加 的绝对值呈现先减小、后增大的趋势 时填充量对 的影响最小 从图()中可以看到当功率达到 和 时拟合曲线的斜率显著增大表明 在此功率下受填充量的影响较大因此在制备高填充量的凝胶燃料时应尽量避免超声功率过高 在热处理后 时 的绝对值小于 的表明 时填充量对 影响更小 此外从图 ()可以看出:填充量小于.时 下的 均大于 的而填充量超过.以后 下的 大于 的且有进一步增大的趋势结果
8、表明及以下的超声功率有助于临界应变的提升即提升了基质抵抗外界扰动(变形)的能力在选择热处理温度时应参照 ()功率对 和 之间关系的影响 ()功率对 和 之间关系的影响 ()温度对 和 之间关系的影响 ()温度对 和 之间关系的影响图 凝胶剂含量及后处理对 和 的影响.爆 破 器 材 第 卷第 期类似图 ()的拟合曲线选择给定填充量下对应更高的温度 此外表 中所有后处理方式的 均在.左右表明分形维数的大小只跟连续相和凝胶剂的种类有关与工艺条件无关 的均值在.左右表明不同后处理下凝胶的连接状态均处在过渡态.剪切历史对流变参数的影响为得到剪切历史对燃料流动性的影响首先对包括.在内的 种样品进行三阶段
9、触变性测试再对剪切后的样品进行剪切测试实验结果如图 所示 在对样品正式剪切前进行.的旋转时间扫描一方面消除内部应力或剪切历史另一方面使得转子和样品之间贴合得更紧密 从图 中可以看到 幅图中第 阶段的黏度随铝粉填充量的增加而升高即铝粉的加入增强了体系在初始时刻抗外界扰动的能力在第 阶段(模拟剪切历史阶段)横向对比 幅图可以发现剪切速率越高体系的黏度越低表明凝胶燃料具有剪切变稀的特性 同时还发现所有体系在剪切速率达到 后黏度趋于稳定黏度下降程度减弱 实际上由于铝粉和凝胶粒子网络之间形成了很多絮凝结构两者之间通过弱作用力进行连接极易在剪切诱导下发生断裂、解离 第 阶段(模拟静置结构恢复阶段)可以看到
10、含铝凝胶燃料在经历不同的剪切历史后黏度都很快恢复到了初始水平而不含铝的基质在经过高速剪切()后较含铝体系恢复到原有水平所需时间变长 结果表明含铝凝胶比基质凝胶具有更好的可塑性且在受到破坏后具有更强的恢复能力 为表征剪切历史对含铝凝胶燃料内部结构的影响在结束旋转时间扫描后继续进行旋转步阶扫描如图 所示样品呈现出典型的剪切变稀特性随着剪切速率的增加黏度呈指数式下降趋势 从 个样品的流动曲线上可以很直观地观察到在低剪切速率()下一定的预剪切可以使得黏度增高表明基体强度增加这可能与剪切作用下产生剪切带有关 即无定形的絮凝体结构在弱剪切作用下产生了剪切带定向的排列结构使得基体强度增加而在经历较强的剪切后
11、絮凝体间出现断裂再次组合后体系强度减弱黏度降低 随着预剪切速率的增加再次进行流动曲线测试时黏度明显降低尤其是含铝样品在 附近的增稠效果十分明显并且在高剪切作用下产生了大量离散的絮凝体碎片在更高的剪切作用下出现了重排和堵塞造成黏度上升的现象().().().().图 样品在不同剪切历史中的黏度.年 月 基于流变特性的含铝凝胶燃料制备工艺研究 杨泽宇等 为了表征凝胶燃料在不同阶段所表现出的非牛顿流体偏离程度对增稠前()和增稠后()的流动曲线进行拟合 根据黏度曲线特征选择 模型对曲线进行拟合拟合结果见图 及表 本构方程为 ()等式两边取对数可得线性拟合方程:()()式中:为黏度 为剪切速率 为稠度系
12、数 为幂律指数用以表征流体特性从整体上看凝胶燃料的随铝粉含量的增加而增大 当铝粉质量分数为 时出现突跃式 ().().().().图 在剪切速率为.下样品的黏度曲线和 模型拟合结果.表 模型的拟合结果.样品 .样品 .爆 破 器 材 第 卷第 期增长即此时体系的黏稠度出现明显提升同时随着剪切速率的增加 总是呈现先增大、后减小的趋势并且增稠后样品的 明显高于增稠前 这一结果印证了前文所观察到的现象此外从表 中可以看到含铝凝胶在增稠前 均为负数表明含铝凝胶燃料比典型假塑性流体的稀化能力更强拥有更好的剪切变稀特性这与曹锦文等在研究含铝颗粒 凝胶燃料的剪切变稀性时得到的结果类似 在增稠前同一体系的 未
13、出现明显的变化规律而增稠后则呈现出先减小、后增大的趋势表明:在增稠后随着剪切速率的提升体系逐渐恢复成假塑性流体 总体而言不论是基质还是含铝凝胶均大幅度偏离牛顿流体呈现出非常明显的剪切变稀特性即受到外界强烈的冲击后凝胶燃料的抛撒和雾化效果将十分可观 结论以 纳米无机凝胶剂、以及微米铝粉作为原料通过流变学测试研究了基质的最小成胶量、分散方式对凝胶基质结构的影响以及不同的剪切历史对流动曲线的影响为后续凝胶燃料以及类似软物质的制备提供了一定的参考 研究结论如下:)通过频率扫描确定了/体系的最小成胶量时的().该凝胶剂含量下的 为.为.)将凝胶基质进行超声分散和热处理后内部的絮凝体发生重组形成更加牢固的
14、三维网络结构因此具备了比机械分散更高的 此外通过分形维数的研究发现对凝胶剂填充量的依赖性会随着超声功率的增大而减弱而 对填充量的依赖性则呈现先减少、后增大的趋势 由此可见燃料的制备需要结合实际需求进行定制化的设计)三阶段触变性测试证实了含铝凝胶比基质凝胶具有更好的可塑性在受到破坏后具有更强的恢复能力 通过黏度曲线可知一定的预剪切可以提高体系黏度并且对黏度曲线进行拟合后发现含铝凝胶燃料具有极强的剪切变稀特性这对于燃料的输送和应用是十分有利的参 考 文 献 .():.():.():.():.叶纬东 乔治军 李嘉颢 等.含铝凝胶燃料的流变特性研究.爆破器材 ():.():.():.:.:.:.:.:
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