ويرد بروتوكول لقياس سرعة اللهب من خليط التفاعل يتكون من nonoxide tetraiodine (أنا 4 O 9) والألومنيوم (آل). وتقدم أيضا طريقة لتسوية حركية التفاعل باستخدام الكالوري التفاضلية المسح الضوئي (DSC). تبين أنني 4 O 9 غير 150٪ أكثر من رد الفعل (V) أكاسيد اليود أخرى.
Tetraiodine nonoxide (أنا 4 O 9) تم تصنيعه باستخدام نهج الجاف الذي يجمع بين الأكسجين عنصر اليود ودون إدخال الأنواع المائية. نهج التوليف يمنع تأثير topochemical تعزيز الترطيب السريع عند تعرضها للرطوبة النسبية للهواء المحيط. تم تحليل هذه مستقرة، غير متبلور، مواد نانو الجسيمات باستخدام الكالوري التفاضلية المسح الضوئي (DSC) والتحليل الوزني الحراري (TGA) وأظهر إطلاق الطاقة الطاردة للحرارة عند درجة حرارة منخفضة (أي 180 درجة مئوية) لتحويل I 4 O 9 إلى أنا 2 O 5. هذا الإصدار إضافي الطاقة الطاردة للحرارة يساهم في زيادة التفاعل الشامل أنا 4 O 9 عندما تجف مختلطة مع نانو الألومنيوم (آل) مسحوق، مما أدى إلى الحد الأدنى من زيادة 150٪ في سرعة اللهب مقارنة لقناة + I 2 O 5. وتبين هذه الدراسة أنه مؤكسد، وأنا 4 O 9 ديها أكثرإمكانية رد الفعل من الأشكال الأخرى لل(V) أكسيد اليود عند دمجها مع القاعدة، وخاصة إذا كنت 4 O 9 يمكن تخمل لمنع امتصاص الماء من البيئة المحيطة بها.
هناك العديد من المركبات أكسيد اليود (على سبيل المثال، HIO 3، مرحبا 3 O 8، و2 O 5، وأنا 4 O 9) ولكن درس الأكثر شيوعا لرد فعل مع الألومنيوم (آل) هو خامس أكسيد ثنائي يوديد واحد، و2 O 5 1 – 16. هناك أسباب تفضيل أنا 2 O 5 للاحتراق مع قناة: (1) I 2 O 5 لديه حالة الأكسدة من خمسة مما يجعله مؤكسد قوي للتطبيقات الاحتراق. (2) لقد 2 O 5 هي شبه مستقرة، وهذا يتوقف على الظروف الجوية، والتعامل معها بسهولة في شكل مسحوق. و (3) I 2 O 5 من السهل نسبيا لإنتاج ومتاحة بسهولة.
أشكال أخرى من أكسيد اليود التي تم دراستها هي HIO 3، مرحبا 3 O 8، وأنا 4 O 9. عند تسخينها إلى درجات حرارة منخفضة (أي 180 درجة مئوية)، وأنا 4 O 9 لتتحلل rmally إلى I 2 O 5 6 كما هو مبين في المعادلة (1) ورد فعل التحلل هو طارد للحرارة.
(1) 5I 4 O 9 → 9I 2 O 5 + I 2
إذا كنت 4 O 9 يمكن استخدامها في مكان أنا 2 O 5، مجموع الطاقة المحررة من رد فعل قد تزيد بسبب تحلل طارد للحرارة من أنا 4 O 9 في درجة حرارة أقل من الاشتعال وردود الفعل درجات الحرارة آل (أي، <660 ° C ) وتحت درجة حرارة التفكك من أنا 2 O 5 (أي حوالي 350 درجة مئوية). أيضا، وأنا 4 O 9 يولد 8 وزن٪ أكثر أنا غاز 2 بالمقارنة مع أنا 2 O 5 التي يمكن أن تستخدم لتحييد العوامل البيولوجية. ومع ذلك، وأنا 4 O 9 لديه وزن جزيئي أعلى بالمقارنة مع أنا 2 O 5 وأنه من غير المعروف إذا كان أكثر الطاقةصدر في كتلة أو في حجم عند استخدام أنا 4 O 9 مقارنة I 2 O 5. باستخدام أنا 4 O 9 يمكن أن توفر وسيلة لنقل كميات كبيرة من اليود الصلب، وبناء على الاشتعال، وإطلاق سراح اليود الغازي. ولكن، وأنا 4 O 9 المسحوق هو عادة غير مستقر. في الواقع، Wikjord وآخرون. 6 أظهر أن أكثر أوقات قصيرة جدا و4 O 9 متحللة في الأول 2 O 5 حتى مع التعرض المحدود إلى الغلاف الجوي. عدم الاستقرار هذا يحد من فائدة من أنا 4 O 9 كما مؤكسد في تطبيقات الاحتراق.
الأحماض Iodic، مثل HIO 3 و مرحبا 3 O 8، شكل عندما يتعرض لي 2 O 5 إلى الماء إما من الرطوبة النسبية (RH) من الغلاف الجوي أو من الغمر في السائل 1،3. لتطبيقات الاحتراق، و2 O 5 وعادة ما يفضل على الأحماض iodic المائية بسبب evaporatiعلى المياه على الاحتراق تمتص الطاقة ويقلل من الحرارة الكلية المنتجة. على الرغم من الطبيعة ماص للحرارة لهذا التغيير المرحلة، سميث وآخرون. 3 أظهر التبخر السريع للماء أثناء احتراق آل مع أنا 2 O 5 تتكون جزئيا من الأحماض iodic إنتاج جيل غاز كبير أن زيادة نقل الطاقة الحمل الحراري وينتج بسرعة لهب أعلى من آل + أنا 2 O 5 وحدها. على وجه التحديد، كان خليط مع تركيزات أعلى من الأحماض iodic تصل إلى سرعات أعلى لهب 300٪ من خليط مع تركيز أقل من الأحماض iodic 3
معدل الامتصاص من الماء في الغلاف الجوي يعتمد على RH. هناك عتبة RH حيث يبدأ امتصاص وتعتمد على الدولة ترطيب 2. ليتل وآخرون أظهرت عتبة RH 70٪ للHIO 3 و عتبة RH 40٪ للمرحبا 3 O 8 2. من هذا، فمن المفترض أن عتبة RHيزيد مع زيادة الدول الماء. بسبب خصائصه ديليكويسسينت، معظم الدراسات التي تستخدم I 2 O 5 كما مؤكسد هي في الواقع تستخدم I 2 O 5 مع تركيزات كبيرة من حمض iodic 2،5،7،17. ومع ذلك، فإن تركيزات الأولية للعينات يمكن السيطرة عليها عن طريق تسخين العينات فوق 210 درجة مئوية حتى عن الأنواع المائية والمجففة. يأتي هذا في أعقاب آلية الماء والجفاف من أنا 2 O 5 هو مبين في Selte وآخرون. 1 في (2) المعادلات.
(2A) الترطيب: 3I 2 O 5 + 3H 2 O → 2HI 3 O 8 + 2H 2 O → 6HIO 3
(2B) الجفاف: 6HIO 3 → 2HI 3 O 8 + 2H 2 O → 3I 2 O 5 + 3H 2 O
الخطوة الأولى في الجفاف يحدث في 110 درجة مئوية عندما HIO 3 dehydrآتش إلى مرحبا 3 O 8. الخطوة الثانية من الجفاف يحدث في 210 درجة مئوية عندما يجفف مرحبا 3 O 8 إلى I 2 O 5. لأن التركيز الأولي متاحة تجاريا أنا 2 O 5 تتكون في معظمها من الأحماض iodic، لم تدرس خصائص امتصاص النقي أنا 2 O 5 بدقة. ومن المفترض أن عتبة وامتصاص معدلات RH تعتمد على الخصائص الفيزيائية (أي حجم الجسيمات، التركيب البلوري) جنبا إلى جنب مع دولة ترطيب الأولية وأن أكسيد اليود الذي هو غير متبلور قد يكون له عتبة RH أقل وزيادة معدلات الترطيب. هناك حاجة إلى عزل أكاسيد اليود من الماء في الغلاف الجوي للسيطرة على الحالة الأولية للمركبات أكسيد اليود. أسلوب واحد من عزل أنا 2 O 5 من الغلاف الجوي وحظر امتصاص الماء مع الطلاء. على سبيل المثال، كان ليتل وآخرون قادرة على الحد من معدل امتصاص والمبلغ الإجمالي للمحطاأكاسيد اليود drated التي كتبها عينات الطلاء بالرش مع الاتحاد الافريقي / المشتريات 2. فنغ وآخرون. 8 تخمل سطح I 2 O 5 الجسيمات مع الحديد 2 يا 3 الطلاء الذي يمنع امتصاص الماء على فترات طويلة من التعرض للأجواء المحيطة. يمكن تطبيق نهج مماثل للمساعدة في استقرار أنا 4 O 9.
وهناك طريقة أخرى لتحسين استقرار أنا 4 O 9 قد يكون نهج جديدة لتخليق لها. إذا يمكن توليفها المواد بطريقة تمنع إدخال الأنواع المائية، ثم تأثير topochemical أن يحفز امتصاص الماء يمكن أن تحول دون وبالتالي تثبيت استقرار مؤكسد. 4 O 9 أنا درست هنا تم تصنيعه باستخدام عملية "الجافة" التي لا يدخل الأنواع المائية وتمكن من تحليل لشكل أكثر استقرارا من أنا 4 O 9 مسحوق. هدفنا هو تحليل حركية ASSOCIAT الأساسيإد مع أنا 4 O 9 التحلل والتفاعل مع آل فضلا عن السلوك انتشار الطاقة الأساسي للتفاعل آل + I 4 O 9. ويتم تحليل حركية التفاعل باستخدام التشخيص التوازن الحراري بما في ذلك الكالوري التفاضلية المسح والتحليل الوزني الحراري (DSC-TGA). ويتم تحليل نشر الطاقة باستخدام التصوير سرعة عالية لنشر رد الفعل من خلال مزيج مسحوق على الاشتعال في أنبوب شفاف. تطوير أساليب تجميع لإنتاج أنا 4 O 9 وسائل لتحقيق الاستقرار أنا 4 O 9 كانت بطيئة بالمقارنة مع أشكال أخرى من أكسيد اليود. والهدف من هذه الدراسة هو إظهار أن الطاقة والغاز حررت من ردود الفعل التي تنطوي أنا 4 O 9 هي أكبر من ردود الفعل التي تنطوي على أكاسيد اليود أخرى. وبهذه الطريقة، قد يكون البحث العلمي المستقبلي في توليف وتوصيف أنا 4 O 9 مفيد للعديد من التطبيقات.
تم تصنيعه مسحوق أنا 4 O 9 درس هنا باستخدام نهج "الجاف" لتشكيل أنا 4 O 9 عن طريق الجمع بين اليود عنصر والأكسجين. ويشار إلى هذه العينة لوأنا 4 O 9. تم توليفها نانو الجسيمات أنا 2 O 5 أيضا لهذه الدراسة. على وجه التحديد، كانت ساخنة جزء من أنا 4 O 9 الماضي درجة حرارة التفكك من أنا 4 O 9 (أي 180 درجة مئوية) ولكن تحت درجة حرارة التفكك من أنا 2 O 5 (400 درجة مئوية). نتائج هذه العملية في الجسيمات التي يبلغ قطرها ما بين 200-400 نانومتر. ويشار إلى هذه العينة كما نانو أنا 2 O 5. تم الحصول على قياسات حجم الجسيمات من قبل تيم الذي يتطلب العينة أن يكون في فراغ. ومع ذلك، وأنا 4 O 9 يتفكك إلى I 2 O 5 في فراغ، لذلك لم يتم الحصول على أبعاد أنا 4 O 9 مباشرة. لأن نانو أنا 2 O <بأقطار الفرعية> 5 الجسيمات ما بين 200-400 نانومتر، وتوليفها عن طريق تسخين العينة أنا 4 O 9، فمن المفترض أن أكون 4 O 9 ديها أقطار مماثلة.
والنهج الأكثر شيوعا لتجميع أنا 2 O 5 هو بسبب الجفاف الحراري للحمض iodic لتشكيل I 2 O 5 1،2،8 والمواد المصنوعة باستخدام هذه العملية غير متوفرة تجاريا. تلقي التجاري الأول 2 O 5 كما بلورات الخشنة ويمكن أن يكون تركيزات مختلفة من الأحماض iodic اعتمادا على تخزين ومعالجة الظروف. لضمان عينات نقية أنا 2 O 5، العينات المجففة قبل استخدامها كما هو موضح في الخطوة 2.1.1.3. قطر من الجسيمات في هذه العينة ما بين 1-5μm. ويشار إلى هذه العينة لوأنا التجاري 2 O 5.
يتم إجراء غير متبلور أنا 2 O 5 عينة من هذا المشبعة IO 3 الحل . عندما كنت 2 O 5 يخلط مع الماء، ويتم إنشاء حل IO 3. ويتم ذلك في خطوة 2.1.2 وسوف الخطوات يترك المشبعة IO 3 الحل. المياه يحفز تكوين بلورات في الأحماض iodic. لتشكيل متبلور أنا 2 O 5 درجة الحرارة يجب أن تكون أعلى من درجة جفاف مرحبا 3 O 8 و ساخنة بمعدل التي لن تسمح بنية الكريستال لتشكيل، وهذا يتم في الخطوة 1.2. فإن تركيز IO 3 في حل تحديد مقدار أنا غير متبلور 2 O 5 إنشاؤها أثناء الجفاف. وينبغي لهذه العينات إلى اللون الأحمر بعد الجفاف مما يدل على عينة هو شكل غير متبلور من أنا 2 O 5. ويشار إلى هذه العينة لوأنا غير متبلور 2 O 5. أيضا، كان بريفورميد تحليل حيود الأشعة السينية (غير مدرجة) وأكد هيكل غير متبلور من أنا 4 O 9 و أنا غير متبلور 2 O 5 عينات.
والأنف والحنجرة "> عندما تكون في الحل، HIO 3 ستفرج المياه الزائدة وإنشاء البنية البلورية، والوقت اللازم لتتبخر المياه الزائدة يعتمد على حجم الكأس، والصحة الإنجابية، وتركيز المحلول IO 3. في مختبرنا في 20٪ RH الخلط بالطريقة التي نوقشت أعلاه، هناك حاجة إلى 3-5 أيام لتتبخر المياه الزائدة من العينات. والحل يتحول إلى اضحة وضوح الشمس الصلبة. ويظهر ذلك عملية في الخطوة 2.1.3 وأشار إلى عينة كما HIO 3 يذوى. حامض Iodic سيتم يشار إلى HIO التجاري 3.عندما تتعرض لحل أو الماء في الغلاف الجوي، واليود (V) أكسيد يخضع التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تغيير تكوين المنتج النهائي. للتخفيف من هذا التحول، يتم خلط جميع أكاسيد ستة أيضا مع شركة دون حل.
تم معايرة التحليل الحراري باستخدام DSC-TGA في جو الأرجون باستخدام عينات مع درجات الحرارة بداية المعروفة وخسائر جماعية. أنبوب اللهب ليستخدم pparatus يعرف باسم أنبوب Bockmon 23 لقياس سرعة اللهب. تجارب سرعة اللهب حساسة لكثافة الجزء الأكبر من الخليط. Pantoya آخرون أنه بالنسبة للthermites نانو آل القائمة، وزيادة الكثافة يمكن قمع آلية آل التفاعل وتقليل دور نقل الطاقة الحمل الحراري وبالتالي تأخير سرعة اللهب 24. لهذا السبب، وتجارب أجريت لمخاليط مختلفة مصممة عادة للحفاظ على الكثافة ثابتة. ومع ذلك، فإن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للالمؤكسدات فحص هنا تختلف هذه بشكل كبير أنه لم يكن من الممكن الحصول على الكثافة الظاهرية تتفق مع كل الخلطات الجافة ستة. وبسبب هذا، ويتم اختبار العديد من أكاسيد اليود مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة لتوفير أساس المقارنة التي تضم الاختلافات في٪ TMD، التركيب البلوري، والدول الماء. بعد أن تم وضع مسحوق داخل الأنابيب وقياسها، ويستخدم السلك الساخن لإشعال عن بعد الخليط.
بعد أن يتم إعداد أنابيب اللهب مع خليط مسحوق، يتم قياس سرعة اللهب في غرفة الاحتراق باستخدام كاميرا عالية السرعة. ويمكن زيادة معدل الإطار الكاميرا عن طريق خفض القرار. الحد من قرار لزيادة معدل الإطار سوف تنتج أقل خطأ من دقة أعلى في معدل الإطار أبطأ. هذا هو السبب، في خطوة 4.2.2، وهو أدنى القرار الذي لا تزال صورة يتم استخدام أنبوب اللهب بأكمله، وهذا سوف يزيد الحد الأقصى لقطة في الثانية يمكن للكاميرا تسجيل دون فقدان المعلومات. لدينا غرفة، تم استخدام قرار من 256 × 86 الذي يسمح للكاميرا لتسجيل في 300،000 إطارا في الثانية.
قياس سرعة اللهب في خليط شديدة التفاعل من الصعب بطبيعتها نظرا لوجود عدد كبير من المتغيرات التي يمكن أن تؤثر على التفاعلات (أي تجانس الخليط، وحجم الجسيمات، والكثافة، والتوجيه نشر، نشر السرعة، وما إلى ذلك). باستخدام أنبوب الكوارتز مع diamete داخلص أقل من 4 مم في تركيبة مع كاميرا عالية السرعة مع مرشحات الكثافة محايدة، اتجاه الانتشار والسيطرة (أي 1-D) وكمية الضوء التي يتلقاها الكاميرا يمكن خفضها الى الحد الأدنى من عتبة تلك التي الحافة الأمامية من الضوء المنبعث من رد فعل يمكن أن ينظر إليها وتقاس بوضوح. يفترض هذا القياس أن تطور هذا مستوى الضوء المنخفض في نفس معدل الجبهة رد فعل. لهذا السبب، قد لا تكون ثنائيات ضوئية دقيقا لتتبع انتشار رد فعل لأن شدة الضوء كبيرة من الانبعاثات قد يسبب ضوء للسفر وتشبع أجهزة الاستشعار أسرع من رد الفعل. أيضا، 1-2 سم الأولى من طول الأنبوب يعتبر منطقة المدخل، أو منطقة انتشار غير مستقرة أو التسارع. يجب أن تؤخذ القياسات الخطية من مسافة بوصفها وظيفة من الوقت بعد هذه المنطقة دخول لتحديد ثابتة سرعة اللهب الدولة.
وDSC / TGA هو تحليل التوازن الحراري الذي SHOWS حركية التفاعل التفصيلية التي لا يمكن ملاحظتها في المواد شديدة التفاعل (أي لا يمكن ملاحظتها تحت ظروف توازن غير الحرارية). مزيج من التحليل واللهب بسرعة DSC / TGA تعطي معلومات محددة عن الاختلافات في حركية التفاعل التي قد يكون لها آثار على الاختلافات في نتائج سرعة اللهب. وبسبب هذا، فإن الجمع بين هذه الأساليب القياس الثاني هو أداة قوية لفهم والسيطرة على المواد شديدة التفاعل.
The authors have nothing to disclose.
The authors Smith and Pantoya are grateful for partial support from DTRA under award HDTRA1-15-1-0029; and, ARO (and Dr. Ralph Anthenien) under award W911NF-14-1-0250 and equipment grant W911NF-14-10417. The authors J. Parkey and M. Kesmez are grateful for support from DTRA under award HDTRA1-15-P-0037. Thank you to Dr. Douglas Allen Dalton for helpful discussion.
Iodine pentoxide (Commercial I2O5) | Sigma Aldrich | 229709 | Commercial I2O5 |
Iodic Acid (Commercial HIO3) | Alfa Aesar | A11925 | Comercial HIO3 |
Tetraiodine nonoxide (I4O9) | Lynntech Inc | synthesized using a dry process | |
Water | Local distilled water run through micron filter | ||
80 nm Aluminum | NovaCentrix | AL-80-P | Nano Aluminum |
Differential Scanning Calorimeter with Thermal Gravimetric Analyzer (DSC-TGA) | Netzsch | STA-449 | Equilibrium analysis of heat flow and mass loss |
Sonic Wand | Misonix | Sonicator 3000 | Provides ultrasonic waves to aid intermixing of reactant powders |
Phantom High Speed Camera | Vision Research | Phantom 2512 | High speed camera for visualzing flame front |
Mass Balance | Ohaus | Ohaus Explorer | Weigh powders with a 0.1mg resolution up to a 110 g capacity |