用于制备核壳结构含能材料的同轴静电喷雾装置及方法与流程

本发明属于含能材料领域，具体为一种用于制备核壳结构含能材料的同轴静电喷雾装置及方法。

背景技术：

含能材料是高能量密度材料，能够为武器系统提供高效的点火、起爆、传爆、驱动等动力。含能材料的结构是影响含能材料性质的关键因素，使含能材料药剂组分间实现更为高效的接触是提高含能材料作功性质的良好途径。其中核壳结构能在粒子层面实现含能材料药剂间的充分接触，是药剂改性的研究热点。

实现核壳结构含能药剂的制备方法主要包括气相沉积、自组装以及原位聚合等。其中气相沉积法和原位聚合法实现手段繁琐，单次产率低；自主装法在一定程度上能够实现核壳包覆结构，但结构不够良好，存在核壳结构实现率低的问题。综上所述，现有的实现复合含能材料核壳结构的手段和方法，存在效率低下或产物核壳结构不够理想等诸多缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于制备核壳结构含能材料的同轴静电喷雾装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于制备核壳结构含能材料的同轴静电喷雾装置，包括内层管，外层管，导电基底；

所述内层管位于外层管内部且同轴设置，所述内层管和外层管的前端均为圆锥状，且内层管前端圆锥的锥角小于外层管前端圆锥的锥角，所述内层管的圆锥顶端位于外层管圆锥顶端上部；

所述外层管圆锥部连接直流高压电源，所述外层管下部放置有导电基底；

所述内层管和外层管分别连接驱动机构。

进一步的，所述内层管前端圆锥的锥角为20-45°，所述外层管前端圆锥的锥角为90-120°，所述内层管的圆锥顶端位于外层管圆锥顶端上部0.5-1mm。

进一步的，所述外层挂下部距离导电基底8-9cm。

进一步的，所述直流高压电源的电压为18-18.5kv。

进一步的，所述驱动机构为注射器和微注射泵。

进一步的，所述驱动机构具体为：所述内层管连接第一注射器，所述外层管连接第二注射器，所述第一注射器和第二注射器连接微注射泵。

进一步的，所述内层管内为分散相分散液，所述外层管内为流动相溶液。

一种上述的装置制备核壳结构含能材料的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：配制含能材料溶液：将含能材料加入到溶剂中，放置于磁力搅拌机上搅拌1h至含能材料完全溶解；

步骤(2)：制备分散相前驱液：将核壳结构目标内核试剂加入步骤(1)所得含能材料溶液中，在500w、40khz下超声0.5-2h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上搅拌1h，得到目标分散相前驱液；

步骤(3)：制备流动相前驱液：将核壳结构的目标外壳试剂加入无水乙醇中，放置于磁力搅拌器上搅拌0.5-1h，得到流动相前驱液；

步骤(4)：搭建同轴静电喷雾装置；

步骤(5)：静电喷雾沉积目标药剂：开启高压电源，注射器中的分散液和流动相溶液在微注射泵作用下推出，在同轴针头处实现交汇和包覆，开始静电喷雾，最终静电喷雾产物沉积到处于接地状态的导电基底上。

进一步的，所述步骤(1)中的含能材料为硝化棉、聚偏氟乙烯中的一种；所述的溶剂为乙醇和乙醚或dmf和丙酮，所述乙醇和乙醚的体积比为3:1，所述dmf和丙酮的体积比为7:3。

进一步的，所述步骤(1)中硝化棉的含氮量大于12％，聚偏氟乙烯纯度为99.9％；所述步骤(5)中注射器中的分散液和流动相溶液的推进速度为2.5-3ml/h。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的目的在于提供一种制备核壳结构含能材料的同轴静电喷雾装置及方法，本方法基于静电喷雾技术，利用含能粒子在溶液环境中具有良好的分散性和流动性的特点，可以将核壳结构目标核层药剂引入核心层，而壳层药剂均匀包覆在核层上，实现药剂组分间的充分接触，位于壳层的药剂一定程度上还能起到保护核层药剂的作用。

(2)本方法能精确控制粒径核分散系数、重现性高。

(3)本方法可以有效制备核壳结构含能材料，且通过控制实验材料和实验参数，可以改变壳层和核层的厚度。

附图说明

图1为本发明的静电喷雾装置示意图。

附图标记说明：

1-微注射泵，2-第一注射器，3-分散相分散液，4-内层管，5-第二注射器，6-流动相溶液，7-外层管，8-直流高压电源，9-静电喷雾产物，10-导电基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，用第一注射器2、第二注射器5分别吸取静电喷雾分散相分散液3和流动相溶液6，放置于微注射泵1上，将第一注射器2连接至同轴内层管4，第二注射器5连接至同轴外层管7，将导电基底10接地，为使溶剂能挥发完全，同轴针头处到导电基底间的距离设置为8～9cm。利用直流高压电源8给同轴针头处施加18～18.5kv的高压，开启微注射泵，第一注射器2、第二注射器5内的前驱液分别被推出送入内层管4和外层管7，内层管分散液和外层管溶液在同轴针头处汇合，外层管7中溶液在针头处实现对内层管4中分散液的包覆。同时在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，溶剂不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到导电基底上。

具体制备方法如下：

步骤a，配制含能材料溶液：将含能材料加入一定体积比的溶剂中，放置于磁力搅拌机上搅拌1h至含能材料完全溶解；所述的含能材料是硝化棉、聚偏氟乙烯中的一种，所述的溶剂和对应的体积比分别为乙醇：乙醚(3:1)或dmf：丙酮(7：3)；

步骤b，制备分散相前驱液：将核壳结构目标内核药剂微粒加入步骤a所得硝化棉(聚偏氟乙烯)溶液中，在500w、40khz下超声1h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上搅拌1h，得到目标分散相前驱液；

步骤c，制备流动相前驱液：将核壳结构目标外壳药剂加入无水乙醇中，放置于磁力搅拌器上搅拌30min得到流动相前驱液；

步骤d，搭建同轴静电喷雾装置：用注射器分别吸取分散相和连续相前驱液，分别放置于微注射泵上，然后分别连接到同轴内层管道和外层管道上，将恒流高压电源通过金属导线与针头部分相连，铝箔基底接地，调整针头到基底到合适距离；

步骤e，静电喷雾沉积目标药剂：开启高压电源，注射器中的分散液和溶液在微注射泵作用下推出，在同轴针头处实现交汇和包覆，开始静电喷雾过程，最终静电喷雾产物沉积到处于接地状态的导电基底上。

所述的硝化棉和聚偏氟乙烯，其硝化棉的含氮量大于12％，聚偏氟乙烯纯度为99.9％。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，所述分散相前驱液是由核壳结构目标核内含能材料和有机溶剂组成的悬浮液。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，所述流动相是由核壳结构目标壳层含能材料核有机溶剂组成的溶液。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，所述的同轴静电喷雾装置的外层管道和内层管道于圆锥形针头的连接处预留了一定空间，其中内层管道针头顶端角度为20～45°，外层管道针头顶端角度为90～120°，两者顶端间距离为0.5～1mm。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，目标药剂前驱液在微注射泵中的推进速度为2.5-3ml/h。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，施加在针头部分压力为18-18.5kv。

所述的一种制备核壳结构含能材料的的装置及方法，针头到铝箔基底之间的距离为8-9cm。

实施例1：

结合图1，用第一注射器2、第二注射器5分别吸取静电喷雾分散相分散液3和流动相溶液6，放置于微注射泵1上，将第一注射器2连接至内层管4，第二注射器5连接至外层管7，将导电基底10接地，为使溶剂能挥发完全，同轴针头处到导电基底间的距离设置为8～9cm。利用直流高压电源8给同轴针头处施加18～18.5kv的高压，开启微注射泵，注射器2、5内的前驱液分别被推出送入内层管4和外层管7，内层管分散液和外层管溶液在同轴针头处汇合，外层管中溶液在针头处实现对内层管中分散液的包覆。同时在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，溶剂不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到导电基底上。

具体可由以下步骤完成：

取15mg硝化棉加入4ml乙醇：乙醚＝3：1(体积比)溶剂中，放置于磁力搅拌机器以600rpm速度搅拌1h至硝化棉完全溶解，得到硝化棉溶液。

称取300mg粒径50nm的硼粉，加入配置好的硝化棉溶液中，在500w、40khz下超声1h打破颗粒间团聚，然后放置于磁力搅拌器上以300～700rpm的搅拌速度搅拌1h，得到纳米硼粉分散相前驱液

称取300mg的硝酸钾，加入5ml去离子水：乙醇＝1：1(体积比)的溶剂中，放置于磁力搅拌器上以600rpm速度搅拌30min，直至硝酸钾溶液完全溶解，得到硝酸钾溶液分散液。

用注射器分别吸取纳米硼粉分散液和硝酸钾溶液，放置于微注射泵上，将吸有纳米硼粉分散液的注射器连接至同轴内层管，吸有硝酸钾溶液的注射器连接至同轴外层管。将导电基底接地，为使溶剂能挥发完全，同轴针头处到导电基底间的距离设置为8～9cm。利用直流高压电源给同轴针头处施加18～18.5kv的高压，开启微注射泵，同轴内层管分散液和外层管溶液在同轴交汇处实现包覆后从同轴针头处推出，在高压电源的作用下形成带电液滴，带电液滴在电场力的作用下向处于接地状态的导电基底运动，运动过程中，溶剂不断挥发，溶剂挥发完全后，静电喷雾产物沉积到导电基底上。