硝酸铵氧化剂的表面改性及其吸湿性研究
粒状硝酸铵改性及其性能测试
引力 以及能 以氢键 形 式 和 水 分 子结 合 。 导 致 粒 状 硝 酸铵 吸湿性很 强 ， 吸 湿 结块 会 导 致 工业 炸 药 的爆 轰 性 能降 低甚 至失 去爆 炸作用 。因而提 高硝 酸铵 的抗 吸湿性 能 ， 延 长工 业 炸 药 的储 存 周 期 成 为该 领 域 的
研 究热 点之 一 ｌ １ 。
果， 是氧化剂高氯酸铵的替代物之一ｌ ４ 。铵油炸药
（ Ａ Ｎ Ｆ Ｏ） 自二 十世 纪 ５ ０年 代 生产 以来 ， 一 直是 国 内 外生产 与用量 占首位 的工业炸 药 品种 ， 硝酸铵 是 Ａ Ｎ Ｆ Ｏ 的主要 成分 ， 占其 质量 的 ９ ５ ％ ９ ６ ％［ ６ － ７ ］ 。粒 状 硝铵 因为 其流 动 性较 好 ， 能 以简 便 的冷混 而直 接 加 工成 工业 炸药 ， 可 在 爆破 现 场 实 现 机 械化 自动 混
首先 ， 称取 １ ０～２ ０目筛 （ ０ ． ９—２ ． ０ ｍ ｍ） 之 间的
粒状硝酸铵约 ２ ０ ０ ｇ ， 在其表面均匀喷洒一定量专用 复合 表 面活性 剂溶 液 ． 复 合 表 面 活性 剂 的用 量 占粒 状硝酸铵质量的 ０ ． １ ５ ％。然后 ， 将其放在滚筒 内混 匀后加热至 ８ Ｏ ℃， 关闭加热装置 ， 关闭滚筒 ， 打开真
般工业炸药抗水性差 的问题 ， 但 由于使用 习惯和成 本 的原 因 ， 粒 状 硝 铵 炸 药 仍 占有 一 定 的地 位 ［ １ ］ 。
米 收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ４ ） ７ ． ２ ８
作者简介 ： 贾凯 （ １ ９ ８ ７一） ， 男， 硕士研究生 ， 主要从 事工业 炸药改性研究 。Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ｊ ｋ ８ ７ ３ ６ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｎ ｒ 通信作者 ： 刘祖 亮（ １ ９ ５ １ 一） ， 男， 博导 ， 研究员 ， 主要从事含能材料制备 、 配方 与应用技术研究 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｉ ｕ ｚ ｌ ＠ｍ ａ ｉ ｌ ． ｎ ｊ ｕ ｓ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
硝酸铵的表面改性研究
* 收稿日期： 2011-09-02 作者简介： 郑俊杰（ 1973 ～ ） ，女，硕士，主要从事民用爆炸物品的工艺研究。 通讯作者： 蔡宝虎（ 1987 ～ ） 男，硕士，主要从事分子间炸药的工艺研究。E-mail： caibaohu@ 163． com
·22·
爆 破 器 材 Explosive Materials
第 40 卷第 6 期
时蒸馏速度越快，改性剂也越容易聚结跺叠在颗粒 表面。 4 理论分析
热稳定方面： 通过 X 射线衍射结构分析［11 ， － 12］ 硝酸铵包含许多氢键网络，即 NH4+ 的 H 和 NO3－ 的 O 形成不同维度上的氢键。在包覆剂分子中含有羰 基、酰胺基等极性基团，这些极性基团容易与 NH4+ 和 NO3－ 形成氢键，阻碍了 NH4+ 、NO3－ 的振动，这样 Ⅲ—Ⅱ的相转变温度升高或者该处的焓变减小，若 继续提高聚合物的量，甚至可以使Ⅲ—Ⅱ的峰消失。
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爆 破 器 材 Explosive Materials
第 40 卷第 6 期
样品 包覆剂
AN0
—
AN1 PVAC
AN2
PAM
AN3
PEG
表 1 包覆剂加入量为 2% 、5% 时硝酸铵包覆前后的 DSC 试验
峰1 T/ ℃ 50． 12 50． 47 55． 61 53． 14
加入量 2%
△H
引言 在工业炸药［1］领域，乳化炸药的出现解决了普
通工业炸药的抗水性差、安全性低的问题，但由于成 本和使用习惯的原因，粉状硝铵炸药仍占有一定的 地位［2］。由于硝酸铵晶粒吸湿性很强［3］，粉状硝铵 炸药的吸湿结块导致工业炸药降低甚至失去爆炸性 能，因而降低硝酸铵的吸湿性，提高炸药的储存期限 成为该领域亟待解决的问题之一。
对苯乙烯磺酸钠类聚合物改性硝酸铵的研究
１ 实验
１ １ 试 剂 及 仪 器 ．
试 剂 ： 苯 乙烯 磺 酸 钠 ， Ｐ 上 海 化 学 试 剂 厂 ；Ｎ —Ｎ 对 Ｃ ，
二 甲基 二烯 丙基氯化铵 ， Ｐ ６ ％ ， Ｃ ， ０ 山东铭兴化学试剂有 限 公 司； 丙烯酸十： 酯 ，Ｐ 天津天骄化工有 限公 司 ； 酸铵 ， 二 Ｃ， 硝
第３ 卷 ｌ
第 ８期
四 川 兵 工 学 报
２ １ ８月 ０ ０年
【 其他研究】
对 苯 乙烯 磺 酸 钠 类 聚 合 物 改 性 硝 酸 铵 的 研 究
赵 益巍 ， 英 男 ， 惜 汝 ， 姜 邓 王 晨 ， 遂 ， 周 张 丁
（ 南京理工大学 化工学院 ， 南京 ２ ０９ ） １０ ４
Ａ 广 东 省汕 头市 西 陇 化 工 厂 ； 氧 化 钾 ， Ｒ， 东 省 汕 头 Ｒ， 氢 Ａ 广 市西陇化工厂 ； 乙醇 ， Ｒ， 药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司 ； Ａ 国 对
苯 二 酚 ， Ｒ， Ａ 周药 集 团 化 学 试 剂 有 限 公 司 ； 硫 酸 铵 ， Ｒ， 过 Ａ
～
Ｉ相变 峰提 高到 １３２ Ｉ ０ ．４℃。 聚合物 对 Ａ Ｎ相转 变的影 响在 于其 可加强 氢键 网络并 阻碍 Ａ Ｎ分子 中 Ｎ ；的 Ｏ
转动。 关键 词： 硝酸铵 ； 晶变 ； 聚合物 ； 对苯 乙烯磺酸钠 ； Ｓ ＤＣ
中 图分 类 号 ：Ｑ ６ Ｔ ５ｏ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６— ７７ ２ １ ）８— １４— ３ １０ ０ ０ （０ ０ ０ ０４ ０
二 甲基二烯丙基氯化铵 聚合物可有效防止 Ａ Ｎ发生 Ⅲ 一
Ⅱ相转变 ， 但是经 过实验 论证 ， 地理 条件不 确定 的情况 在 下聚对 苯乙烯磺 酸钠 一丙烯 酸 十二酯 聚合物 确实 能起 到 改变相 变点 的作 用， 是不 能完 全消 除Ⅳ ～Ⅲ相 转变 ， 但 而 对 于本 聚合物 的钾盐 的作 用 尚未 有文 献报 道。对苯 乙烯
硝酸铵改性表征技术进展
广
东
化ห้องสมุดไป่ตู้
工
２９ｌ
ｗｗｗ．ｄ ｈ ｍ．ｏ ｇ ｃ ｅ ｃ ｍ
硝 酸铵 改 性 表 征 技 术 进 展
周 军 成 ，开 俊 俊
（ 东 宏大 增化 民爆有 限责 任公 司 ，广 东 增城 ５ ０ ） 广 １ ０ １ ３
【 要】 摘 文章介绍了 硝酸铵的物理化学性质， 说明了硝酸铵改性效果表征的重要性，综合 国内
硝酸铵是一种氧化剂 ，能够和 还原 剂发生氧化还原反应 。 硝酸铵能够和某些金属进行反应 ， 有水存在 时，反应加快 。反
应生成不稳定的亚硝酸盐 。 亚硝 酸盐继 续分解 ， 增大了硝酸铵 爆炸的可能性 。 酸铵不易与铝 、锡等金属作 用，所以在硝铵 硝 炸药的生产 中多 用铝制设备 。由于 硝酸铵具有氧化性 ，当其粘 附于 纸片、布 、麻袋等 纤维性物 质时 ， 不太高的温度下就可 在
能产生加速 的氧化还原反应而 引起 自燃 。 在一般情况 下，ＡＮ是 稳定和安全的 ，纯净 的 Ａ 就是 Ｎ 加热 到了 ３ ０℃也不会分解 ， ０ 但是 随着温 度的升 高以及杂质参 与的作用 ，ＡＮ就会分解 ，放出热量 ，影响其物理性质和化学 性质 ，从而导致燃烧或爆炸 。ＡＮ可能发生 的分解反应有 ：
１０Ｕ ｕｎｃｌｅ １ Ｊ ａ ｎＫ．Ｋ ａ Ｕｎｌ ｔＪ ｕｎ
（ ａ ｇ ｏ ｇＨｏ ｇ ａ ｅｇ ｕ ｌｓｎ ｉｉａ Ｏ．Ｌｄ， ｕ ｎ ｚ ｏ Ｉ ０ ， ｈｎ ） Ｇｕ ｎ ｄ ｎ ｎ ｄ ｚｎ ｈ ａＢ ａｔ ｇＣｖｌ ｎＣ ， ｔ．Ｇ ａ ｇ ｈ ｕ５ ０ Ｃ ｉａ ｉ ｉ ３
１ ９ ９℃ ６ ． １ ５ ２ ℃ ２ ． ８ ． ４ ２℃
硝酸铵发射药力学性能的研究
围的物质不再发生脱黏。所以， 当硝酸铵粒径降低 到一个临界值时 ， 硝酸铵发射药的拉伸强度会升高 到与 单基 药等 同 的程度 。
１ｏ ０
１ 一 （ 硝酸铵 ） ０ ；—伽（ ＝１ ％ ２ 硝酸铵 ） ５ ；— （ ＝１ ％ ３ 硝酸 铵）＝ ０ ； ２％ ４ （ 硝酸铵）＝ ５ ； ２％ ５ （ 硝酸铵）＝ ０ ３％ 图 ２ 硝酸铵粒径小于 １５ｔ 的发射药的应力一 ２ ｍ ｘ 应变 曲线
量 达到一 定程度 时 ， 酸铵 在 发 射药 药 片 中形 成 较 硝 完 善 的次 级结构 ， 定 程 度上 阻 止 了硝 化 棉纤 维 发 一
着硝酸铵含量增加 ， 发射药拉伸强度逐渐降低 ， 并在 质量分数为 ２ ％左右时 ， ５ 发射药药 片拉伸强度 出现 阶跃 。所 以 ， 随着硝 酸铵含 量逐渐 增加 ， 发射 药药 片 的伸长 率逐 渐 降低 ， 硝 酸铵 质 量 分 数 为 ２ ％ 时 ， 在 ５ 发射药药片伸长率出现阶跃 。
弹性模量基本不变 ， 回弹模量 、 韧性模量、 拉伸强度 逐渐降低 ； 当硝酸铵在发射药中形成次级结构时， 发
射 药拉 伸强 度 出现阶跃 。
度提高。根据 Ｐ ｋｎ ｋ 修正公式 Ｊ随着硝酸铵 ｕａｓ ｙ ｚ ，
粒 径 的减小 ， 硝酸 铵 粒 子 与周 围硝 化 棉应 力 集 中处 的脱黏应 力 提高 ， 使得 发射 药破坏 负 荷升高 ， 射药 发 整 体 拉 伸 强 度 提 高 。所 以 ， 硝 酸 铵 质 量 分 数 为 在 １％ 、５ ０ ｌ ％时 ， 硝酸 铵 粒径 降 低 ， 射 药 拉 伸 强 度 升 发 高 。根 据 Ｐ ｋｎｚｙ的研 究 结 果 Ｌ ， ｕａｓ ｋ ８ 当复 合 材 料 中 Ｊ 填料 粒子 粒径 降低 到 一 个 临界 值 时 ， 料 粒 子 与 周 填
二级凸轮粉碎及改性硝酸铵的可行性研究
硝 酸铵 改性 效果 的研 究 。
பைடு நூலகம்
３ 实验 概 述
首 先粉 碎机 良好 接 地 ， 以便 快速 的导 出静 电 ， 除静 电 排 对 粉碎安 全性 的影 响 。称 取一 定 量物料 放 置 于小 型粉碎 机
０１ ｍ ． 。其粒度大小主要和粉碎机转速有关 ， ｍ 物料温度 、改性剂含量对粉碎粒度的影响都不是太大 ，要 得到比实际生产中更细的硝酸铵粉体 ，可在安全范围内适 当的提高转速。
４ ２ 混入 了杂质 （ ． 如铁 ）的硝 酸铵粉 体在 凸轮粉 碎机作 用下 的安 全－ 究 胜研 在 物料 中加入 少量螺 丝 帽 、回形 针 、图钉 ，在 粉碎 机 中做 粉碎 实验 ，结果 发现 ，螺丝 帽严重 变形 ， 回形针 、图钉在 强力 作用 下成球状 ，硝 酸铵粉 体 中夹杂着 金属熔 渣 ， 色变 黑 ，但 没有发 生燃烧 冒烟或 颜
摘 要 模拟实际生产情况对凸轮粉碎工艺进行实 验，结果显示此工 艺可以安全的实现硝酸铵和改性硝酸铵的细化 ，
粒度 可达到 ０１ ｍ，表 明二级 凸轮粉碎工艺应用 于硝酸铵及改性 硝酸铵的粉碎是可行的 。 ． ｍ
关键 词 二级凸轮粉碎
Ｔ ５ ０６ Ｑ ６．
硝酸铵
改性硝酸铵
安全性
可行性
Ｂ
４ 结 果 与讨 论
图 １ 实验装置示意图
２ ２
煤
矿
爆
破
２１ ０ ０年第 ３ 总第 ９ 期 期 Ｏ
４ １纯硝 酸铵粉 体 和添加 了改性 剂 的硝 酸铵 粉体在 凸轮粉 碎机 作用下 的粉碎 效 果和安 全性研 究 ． 实验 影响 因素 主要有 ４个 ，即 Ａ Ｎ温 度 ，粉碎机 转速 ，改性剂 含量 ，粉碎 时 间 ，各 因素各取 ３个水
硝酸钾改性及其在烟火药中的应用
硝酸钾改性及其在烟火药中的应用王军;冯亚明【摘要】通过添加改性剂,在真空结晶的条件下对硝酸钾进行了改性处理,使硝酸钾的堆积密度由0.9g/cm3降低到0.7g/cm3,改善了硝酸钾的抗结块性.实验证明改性后的硝酸钾用于烟火药中,烟火药的吸湿率由0.10％降低到0.06％,鞭炮的烧成率由82％提高到88％,声级值由98.3dB提高到101.5dB.%In the vacuum crystallization condition the modification of potassium nitrate made its bulk density reduced from 0.9g/cm3 to 0.7g/cm3 through the addition of modifiers, which improved the ability of caking resistance. Results of experiments show that with the application of modified potassium nitrate in pyrotechnic composition, the hydroscopicity of pyrotechnic composition decreased from 0.10% to 0.06% , the burned ratio of firecrackers increased from 82% to 88% , and the sound level of the firecrackers increased from 98.3 dB to 101.5dB.【期刊名称】《爆破器材》【年(卷),期】2011(040)005【总页数】3页(P38-40)【关键词】烟火药;硝酸钾改性;堆积密度;氧化剂;重结晶【作者】王军;冯亚明【作者单位】湖南南岭民用爆破器材股份有限公司湖南永州,425202;湖南南岭民用爆破器材股份有限公司湖南永州,425202【正文语种】中文【中图分类】TJ53;TQ567;TQ131.1+3引言硝酸钾为无色透明斜方或菱形晶体，白色粉末，极易溶于水,该产品在烟火药中主要用作氧化剂。
硝酸铵表面包覆改性的实验研究
改 变 各组 分 的 比例 ， 别 复合 后 对 硝酸 铵 进行 包 覆 分 处 理 ， 过 取样 进行 熔 点测定 ， 而确 定 复合包 覆剂 通 从
的优劣 性 ， 优化 配 方 比例 。
２ ２ ２ 吸湿 性试 验 ．．
准 确称 取 ２ｇ 。的上 述 各 样 品 和 纯 硝 酸 铵 ， （ ）
素 。
近年 来 ， 工 业 炸 药 领域 ，以乳 化 炸 药 为 代 表 在 的含水 炸 药得 到 了推广 和应 用 ， 决 了普 通 工业 炸 解 药 抗水 性 差、 全性 低 的 问题 。但 是 出于 生产 成本 、 安 生 产 工艺 条件 以及 用 户 的使 用 习 惯方 面 的原 因 ， 粉 状 和粒状 硝铵 炸 药仍 然是 我 国工 业 炸药 生产 和使用 中的主要 品种 之 一［ 。 由于粉状 硝 铵 炸药 在某 些 方 １ ］ 面存 在 不足 ，如炸 药 吸湿 和结 块等 导 致工 业 炸药失
去 爆 炸性 能 或 爆 炸 能 力减 弱 ，既 影 响 了其 使用 ， 又
上 述学 者虽 然 都在 同程度 上取 得 了一定 的效 果， 但所 用包 覆 材料 大 多价格 不 菲 ， 覆工 艺较 为复 包 杂。 本文 提 出 了一种 新 的包覆 工艺 和 配方 比例 ， 经 并 过 实践 应用初 步 取 得 了成效 。
［ 摘 要］ 文章 主要 对包覆硝酸铵所选用材料 的复合工艺及技术要求等进行 研究 。 通过对 硝酸铵 颗粒 表面进行处
理 ， 过熔 点 测 定 试 验 、 湿 性试 验 和 扫 描 电镜 图像 等 来 表 征 包 覆 效 果 ， 而 得 出 较 佳 的硝 酸铵 表 面 改 性 的包 覆剂 经 吸 从 配 比 ， 酸 铵 的 吸 湿 性 也 得 到 了改 善 。 硝
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Ξ硝酸铵氧化剂的表面改性及其吸湿性研究殷永霞,杨荣杰,李建民(北京理工大学化工与材料学院,北京 100081)摘要:提出了用硅烷偶联剂Si2K和高分子材料Po lym2B对硝酸铵进行双层包覆的新思路;利用光电子能谱仪和扫描电子显微镜表征了包覆效果,结果表明Si2K和Po lym2B能对硝酸铵粒子进行很好包覆,在其表面形成均匀而完整的包覆层。
通过测量吸湿性和结块性的变化研究了改性效果,数据表明改性后的硝酸铵吸湿性降低了近50%,结块性显著降低。
关键词:硝酸铵;偶联剂;包覆;改性中图分类号:O647 文献标识码:A 文章编号:100727812(2001)0420024204Surface M od if ica tion of Amm on iu m N itra te Particles through Coa ti ng and Its Hygroscop ic ityY IN Y ong-x i a,YANG Rong-j ie,L I J i an-m i n(Beijing Institute of T echno logy,Beijing 100081,Ch ina)Abstract: Ammonium nitrate w as coated by a coup ling agent Si2K and po lym er m aterial Po lym2B,surfaces of the coated AN particles w ere characterized by SE M and XPS.T he hygro scop icity and cak ing tendency of the coated AN w ere m easured.T he experi m ental results show ed that hygro scop icity and cak ing tendency of AN particles could be effectively reduced th rough coating.Keywords: Ammonium nitrate;Coup ling agents;Coating;M odificati on引 言硝酸铵(简称AN),1659年由德国J.R格劳贝尔首次制得,以后随着合成氨工业的发展,使硝酸铵生产获得丰富原料,于20世纪中期得到迅速发展[1]。
硝酸铵用途非常广泛,在农业上是一种良好、高效的化肥;工业上除用于冷冻、医药方面外,主要用于工业炸药的氧化剂,由于其含氧丰富,安全性好,用它制成的炸药威力较大,感度适中,因此以它为氧化剂的硝铵炸药占据了工业炸药的主导地位[2];另外在国防上也有着广阔的应用前景,当前固体推进剂的发展趋势是高能、低特性信号、低易损性,复合固体推进剂中常用高氯酸铵(A P)氧化剂,虽然具有优良的燃烧性能,但燃烧时所产生的HC l 气体使火箭具有很强的特征信号,同时还形成酸雨使土壤酸化,对生态环境造成极大的危害。
因此在研究低特征信号、低污染推进剂时,硝酸铵是高氯酸铵氧化剂的理想代替物。
但是硝酸铵本身具有极强的吸湿性和结块性,吸湿后的硝酸铵爆炸能量明显降低,甚至出现拒爆,结块后的硝酸铵化肥不但给贮存、运输和使用造成极大的不便,而且在其使用破碎过程中,潜伏着爆炸的危险[3],这些问题严重制约着其应用和发展。
为了解决上述问题,国内外都做了大量研究工作,如在硝酸铵中加入无机盐通过改变其晶格结构来改善它的结块性能[4～6];加入惰性粉末或防水材料[7]使AN晶粒间形成隔离层,防止晶粒粘接,减少结块;添加表面活性剂[7],降低AN表面能;提高憎水性,防止AN吸湿和结块等,这些措施取得了一定的效果。
用高分子材料包覆硝酸铵以改善其不良性能一直是对硝酸铵改性的一个方向,但由于高极性的硝酸铵与低极性高聚物之间存在较大的界面张力和不相容性,使这一方法实施起来非常困难。
本文提出用硅烷偶联剂KH2550及KH2550与聚乙烯醇缩丁醛复合对AN进行表面处理方法,偶联剂能发挥其特殊的分子结构的优点[8],改善硝酸铵的表面性能。
另外如果有了偶联剂层的过渡,高分子材料易于在硝酸铵表面形成包覆层,这样就不但解决了上述困难,而且偶联剂与高聚物两层膜能相互补充与加强,使改性效果更加理想。
Ξ收稿日期:2000-11-281 实验1)样品制备。
将干燥后直径为0.154～0.18mm (80～100目)的硝酸铵(AN 0)加入不同KH 2550含量的甲苯溶液,在三口烧瓶中搅拌回流一定时间后,经蒸馏、过滤放入烘箱中干燥。
KH 2550加入量分别为硝酸铵的0.5%、0.8%、1%(质量百分比)时,得到产品AN 1、AN 2、AN 3。
在一定温度下向质量百分浓度为0.5%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB )的三氯甲烷溶液中加入上述样品AN 3(注:水解后的KH 2550不溶于三氯甲烷),搅拌一段时间后,滴加沉淀剂正己烷,PVB 从溶液中沉淀出来包覆在AN 粒子上,待PVB 完全沉淀后,过滤、干燥得到产品AN 4。
2)表征及性能测试。
本文采用英国剑桥仪器公司的S 250DM K 3型扫描电镜(SE M )研究了处理前后AN 粒子表面微观形貌的差异,利用美国Perk in 2E l m er 55300能谱仪(XPS )测试了不同样品表面的元素及其相对含量,并对包覆前后吸湿性变化进行了测量。
2 结果与讨论2.1 SE M 观察扫描电子显微镜可以观察到物体表面的微观形貌,在高放大倍数和高分辨率的情况下,对硝酸铵粒子进行观察,可以观察到处理前后硝酸铵粒子表面微观形貌的差异,进而了解包覆效果。
本文从AN 0、AN 3和AN 4三种样品中随机取样,进行观察,从照片上可以看出包覆前后硝酸铵粒子表面形成差异很大,未处理的样品(AN 0)表面有大量直径不等的孔洞和裂纹,这些是由硝酸铵自身的结晶习性造成的。
经硅烷偶联剂KH 2550处理后的AN 3表面明显光滑,孔洞率大大减小,这说明偶联剂与AN 粒子表面发生了作用,在其表面上形成了一层憎水膜,改善了其表面结构。
而经KH 2550和PVB 双层包覆后的样品AN 4表面的孔洞和缝隙几乎全部消失,这说明高分子材料PVB 对KH 550包覆后的硝酸铵表面有很好的附着性,在其表面形成一层连续而平滑的高分子薄膜,这样就使硝酸铵原来的高能、不规则、亲水性的表面变成了低能、平滑、憎水性的表面。
2.2 XPS 测试XPS 是研究物质表面结构的重要手段之一,通过对样品表面的全扫描,可以看出样品表面存在的元素及各元素的相对含量,比较各样品全扫描谱图中的元素种类及相对含量的变化,即可看出硝酸铵表面情况的变化。
我们对AN 0、AN 3和AN 4进行了测试,各元素相对含量见表1。
表1 表面元素含量 %样品C 1s O 1s N 1s Si 2p AN 035.0637.1527.78-AN 353.1928.9413.614.26AN 482.3914.152.540.92从XPS 谱图中(图略)可以看出,与AN 0相比,AN 3的O 1s 和N 1s 峰明显降低,而C 1s 峰则明显增高,并且出现了新的Si 2p 和Si 2s 峰,这是因为KH 2550中含有硝酸铵所没有的Si 元素,虽然二者都含有N 和O ,但KH 2550中N 和O 的相对含量小于其在硝酸铵中的相对含量,这证明了样品AN 3的表面有KH 2550存在。
样品AN 4是在AN 3的表面又包覆了一层PVB ,因PVB 中没有N 和Si 元素,所以AN 4的谱图中N 1s 、Si 2p 、Si 2s 峰应有明显降低,表1中的数据定量地给出了各样品表面元素的变化情况。
2.3 吸湿性测量对硝酸铵进行包覆的目的是希望其不良性能得到改善,因此在确定包覆效果之后,我们测量了其吸湿性和结块性的变化。
称取大约等量的各样品放入恒温恒湿的环境中,间隔一定时间称量样品的吸湿增重,计算出百分吸湿增量(即吸湿率),得到各样品的吸湿曲线。
包覆后各样品与AN 0的吸湿率的比值即为相对吸湿率。
测量结果见图1和图2。
从图中数据可以看出,随着偶联剂用量的增加,样品的吸湿性降低的越明显,双层包覆的样品的吸湿性与单纯偶联剂处理的样品相比,其吸湿性有较大幅度的下降。
这是由于普通AN 这所以有较大的吸湿性是因为其颗粒表面具有较高的表面能,有强烈吸附外界水分子的趋势,并通过静电吸引作用和氢键与水分子相结合,另外,AN的表面为多毛细孔状结构,含有较大空隙率和毛细孔(这从电镜照片中可以清楚的看出),这也造成了AN对水有很大的吸附作用。
而经偶联剂处理后的AN表面被偶联剂的有机基团所覆盖,表面能下降,并且表面的空隙率大大降低,这些都导致AN对水分的吸附能力下降,偶联剂用量越多越容易形成完善的包覆,吸湿性就越低,但大量实验证明过多的偶联剂反而无益,其用量不宜超过无机填料的1%。
双层膜对AN粒子的包覆更加完善,进一步阻止了水蒸气的进入,因此AN4的吸附性进一步降低。
图1 KH2550单层包覆前后的吸湿曲线图2 KH5502PVB双层包覆前后的吸湿曲线(温度29℃,相对湿度92%)(温度30.5℃,相对湿度96%,B为AN0的吸湿曲线,C为AN4的吸湿曲线)2.4 结块性表征在相同环境中,同时放置各样品,观察结块性的变化。
结果发现,未处理的样品在两天后就有轻微结块,轻轻震荡后结块松散开;1个月后,样品全部结块,用手指稍微用力能把结块捻碎;3个月后,结为密实的硬块,用手已不能把结块破坏。
而经偶联剂包覆或偶联剂与高聚物双层包覆的样品在3个月后仍保持百分之百的流散性。
硝酸铵的结块性主要是来自于它强烈的吸湿性,吸水后的硝酸铵颗粒表面形成一层饱和溶液膜,由于表面张力作用,不同颗粒的表面溶液相互连接,而当空气中温、湿度降低时,溶液中的硝酸铵结晶就将原来的颗粒连接起来,导致结块处理后的硝酸铵其吸湿性的降低必然会带来结块性的减小;另外包覆层阻断了颗粒表面饱和溶液的相互连接,因此,即使有一定程度的吸湿,结晶出的硝酸铵也会在颗粒间形成盐桥。
所以,包覆后硝酸铵的结块明显改善。
3 包覆机理分析硝酸铵为高表面能的亲水性无机物,而聚合物则为低表面能的憎水性物质,两者之间较大的界面张力和不相容性导致了直接用高聚物包覆硝酸铵有一定的困难。
而偶联剂是一种介于有机物和无机物之间的特殊物质,具有性质截然相反的两种基团,分子一端具有亲水性,能与无机物质发生反应,而另一端是具有憎水性的有机长链,与高聚物有较好的亲和性。
用偶联剂处理硝酸铵时,其亲水集团与硝酸铵表面水分子发生水解反应后,互相之间发生脱水反应,聚合为大分子,这样就形成一层聚合物薄膜,并且憎水基团背离硝酸铵颗粒覆盖在其表面。