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Engineering

Reaktionskinetik und Verbrennungsdynamik von I<sub> 4</sub> O<sub> 9</sub> Und Aluminium-Mischungen

Published: November 07, 2016
doi:
10.3791/54661
, , ,
1Department of Mechanical Engineering,Texas Tech University, 2Lynntech Inc.

Summary

Ein Protokoll für die Flammengeschwindigkeiten eines reaktiven Mischung Messung besteht aus tetraiodine Nichtoxid (I 4 O 9) und Aluminium (Al) dargestellt. Verfahren zum Auflösen von Reaktionskinetik mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) wird ebenfalls vorgestellt. Es wurde festgestellt , daß ich 4 O 9 150% reaktiver als andere Iod (V) -oxide ist.

Abstract

Tetraiodine Nichtoxid (I 4 O 9) synthetisiert wurde eine trockene Ansatz, der ohne die Einführung der hydratisierten Spezies elementarem Sauerstoff und Jod verbindet. Der Syntheseansatz hemmt die topochemische Wirkung fördert eine rasche Hydratation bei der relativen Feuchtigkeit von Umgebungsluft ausgesetzt. Diese stabile, amorphe,-Nanoteilchenmaterial wurde unter Verwendung von Differential – Scanning – Kalorimetrie (DSC) und thermogravimetrische Analyse (TGA) analysiert und zeigte einen exothermen Energiefreisetzung bei niedrigen Temperaturen (dh 180 ° C) für die Umwandlung von I 4 O 9 in I 2 O 5. Diese zusätzliche exotherme Energiefreisetzung trägt zu einer Erhöhung der Gesamtreaktionsfähigkeit von I 4 O 9 , wenn trocken mit nano-Aluminium (Al) -Pulver, in einem Minimum von 150% ige Erhöhung der Flammgeschwindigkeit führt im Vergleich zu Al + I 2 O 5. Diese Studie zeigt , dass als Oxidationsmittel, I 4 O 9 mehr hatReaktiv Potential als andere Formen von Iod (V) oxid , wenn es mit Al kombiniert werden , insbesondere , wenn I 4 O 9 passiviert werden die Absorption von Wasser aus ihrer Umgebung zu hemmen.

Introduction

Es gibt viele Jod-Verbindungen (beispielsweise HIO 3, HALLO 3 O 8, I 2 O 5, I 4 O 9) , aber die am häufigsten untersucht für die Reaktion mit Aluminium (Al) ist Diiodid Pentoxid, I 2 O 5 1 – 16. Es gibt Gründe für die Begünstigung I 2 O 5 für die Verbrennung mit Al: (1) I 2 O 5 besitzt einen Oxidationszustand von fünf , die für Verbrennungsanwendungen es ein starkes Oxidationsmittel ist; (2) I 2 O 5 ist halbstabile, abhängig von den atmosphärischen Bedingungen, und leicht in Pulverform behandelt; und (3) I 2 O 5 ist relativ einfach herzustellen und leicht verfügbar.

Andere Formen von Jod – Oxid, die untersucht wurden , sind HIO 3, HALLO 3 O 8 und I 4 O 9. Beim Erhitzen auf niedrige Temperaturen (dh 180 ° C), I 4 O 9 dasrmally zerfällt in I 2 O 5 6 wie in Gleichung (1) gezeigt , und die Zersetzungsreaktion ist exotherm.

(1) 5I 4 O 9 → 9I 2 O 5 + I 2

Wenn I 4 O 9 könnte anstelle der I 2 O 5, wobei die Gesamtenergie aus der Reaktion freigesetzt werden konnte aufgrund der exothermen Zersetzung von I 4 O 9 bei Temperaturen unterhalb der Al Zündung und Reaktionstemperaturen erhöhen (dh <660 ° C und) unterhalb der Dissoziationstemperatur von I 2 O 5 (dh etwa 350 ° C). Auch ich 4 O 9 erzeugt 8 Gew.% Mehr I 2 Gas im Vergleich zu I 2 O 5 , die biologische Arbeitsstoffe zu neutralisieren , verwendet werden könnten. Jedoch I 4 O 9 hat ein höheres Molekulargewicht im Vergleich zu I 2 O 5 , und es ist nicht bekannt , ob mehr Energiepro Masse oder pro Volumen freigegeben , wenn ich 4 O 9 im Vergleich zu I 2 O 5 verwendet wird . Mit I 4 O 9 eine Möglichkeit bieten könnte große Mengen an festem Jod und bei der Zündung zu transportieren, lassen Sie gasförmige Jod. Aber ich 4 O 9 Pulver ist in der Regel instabil. Tatsächlich Wikjord et al. 6 zeigte , daß über sehr kurze Zeiten I 4 O 9 zerlegt in I 2 O 5 auch mit begrenzten Exposition gegenüber der Atmosphäre. Diese Instabilität schränkt die Brauchbarkeit von I 4 O 9 als Oxidationsmittel in Verbrennungsanwendungen.

Iodic Säuren wie HIO 3 und HALLO 3 O 8, Form , wenn I 2 O 5 Wasser ausgesetzt wird entweder von der relativen Feuchtigkeit (RH) der Atmosphäre oder durch Eintauchen in eine Flüssigkeit 1,3. Für Feuerungsanlagen, I 2 O 5 wird in der Regel über den hydratisierten iodic Säuren , weil evaporati bevorzugtauf Wasser bei der Verbrennung absorbiert Energie und reduziert die Gesamt Wärme erzeugt. Trotz der endotherme Natur dieser Phasenänderung, Smith et al. 3 zeigte eine rasche Verdampfung von Wasser bei der Verbrennung der Al mit I 2 O 5 teilweise aus iodic Säuren signifikante Gaserzeugung umfasst , die konvektiven Energietransport erhöht und erzeugt höhere Flammengeschwindigkeiten als Al + I 2 O 5 allein. Insbesondere Mischungen mit höheren Konzentrationen von iodic Säuren hatte bis zu 300% höhere Flammengeschwindigkeiten als Gemische mit geringeren Konzentrationen an iodic Säuren. 3

Die Rate der Absorption von atmosphärischem Wasser ist abhängig von RH. Es gibt eine RH Schwelle , wo Absorption und abhängig von der Hydratisierung 2 beginnt. Wenig et al. Zeigten eine RH Schwelle von 70% für HIO 3 und einer RH Schwelle von 40% für HALLO 3 O 8 2. Daraus wird angenommen, dass der Schwellenwert RHnimmt mit zunehmender Hydratation Staaten. Wegen seiner zerfließende Eigenschaften, die meisten Studien , die ich 2 O 5 als Oxidationsmittel verwenden , sind tatsächlich mit I 2 O 5 mit signifikanten Konzentrationen von Jodsäure 2,5,7,17. Jedoch können die Ausgangskonzentrationen der Proben durch Erhitzen der Proben über 210 ° C, bis alle der hydratisierten Spezies haben dehydratisiert gesteuert werden. Dies folgt der Hydratation und Dehydratation Mechanismus der I 2 O 5 in Selte gezeigt et al. 1 in Gleichung (2).

(2a) Hydratation: 3I 2 O 5 + 3 H 2 O → 2HI 3 O 8 + 2H 2 O → 3 6HIO

(2b) Dehydration: 6HIO 3 → 2HI 3 O 8 + 2H 2 O → 3I 2 O 5 + 3 H 2 O

Der erste Schritt in Dehydrierung geschieht bei 110 ° C , wenn HIO 3 dehydrAtes in HALLO 3 O 8. Der zweite Schritt der Dehydrierung geschieht bei 210 ° C , wenn HALLO 3 O 8 zu I dehydratisiert 2 O 5. Weil die Anfangskonzentration von kommerziell erhältlichen I 2 O 5 hauptsächlich aus iodic Säuren zusammengesetzt ist, sind die Absorptionseigenschaften der reinen I 2 O 5 nicht gründlich untersucht worden. Es wird angenommen , dass die RH Schwelle und Absorptionsraten auf die physikalischen Eigenschaften abhängig sind (dh, Partikelgröße, Kristallstruktur) zusammen mit anfänglichen Hydratisierung und dass ein Jod – Oxid , das amorph ist, eine niedrigere Schwelle RH haben und eine erhöhte Trinkraten. Isolieren von Jod Oxide von atmosphärischem Wasser wird benötigt, um den Ausgangszustand von Jod-Verbindungen zu steuern. Ein Verfahren der I 2 O 5 aus der Atmosphäre zu isolieren blockiert Wasseraufnahme mit Beschichtungen. Zum Beispiel, Klein et al. Konnte die Absorptionsrate und Gesamtmenge an hy zu reduzierendrated Jod Oxide durch Sputter – Beschichtungsproben mit Au / Pd 2. Feng et al. 8 passiviert die Oberfläche des I 2 O 5 -Teilchen mit einem Fe 2 O 3 -Beschichtung , die Wasseraufnahme über lange Zeitdauern der Exposition gegenüber der Umgebungsatmosphäre verhindert. Ein ähnlicher Ansatz könnte angewendet werden , I 4 O 9 zu stabilisieren.

Ein anderer Weg , die Stabilität des I 4 O 9 sein kann , neue Ansätze für die Synthese zu verbessern. Wenn das Material in einer Weise synthetisiert werden konnten, die Einführung von hydratisierten Spezies verhindert, dann wird die topochemische Effekt, der Wasseraufnahme katalysiert inhibiert werden könnte, wodurch die Oxidationsmittel stabilisiert wird. Die I 4 O 9 hier untersuchten , wurde synthetisiert unter Verwendung eines "trockenen" Verfahren , das nicht hydratisierte Spezies einführt und ermöglicht die Analyse einer stabileren Form I 4 O 9 Pulver. Unser Ziel ist es, die grundlegende Kinetik associat zu analysierened mit I 4 O 9 Zersetzung und Reaktion mit Al sowie das Grundverhalten Ausbreitungsenergie der Al + I 4 O 9 Reaktion. Reaktionskinetik werden unter Verwendung des thermischen Gleichgewichts Diagnostik einschließlich Differentialscanningkalorimetrie und thermische gravimetrische Analyse (DSC-TGA) analysiert. Energieausbreitung in einer transparenten Röhre beim Zünden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Reaktionsausbreitung durch ein Pulvergemisch analysiert. Entwicklung von Syntheseverfahren I 4 O 9 und Verfahren zur Herstellung von langsam zu stabilisieren I 4 O 9 auf andere Formen von Jod Oxid im Vergleich waren. Ein Ziel dieser Studie ist es zu zeigen , dass die Energie und Gas aus Reaktionen freigesetzt denen ich 4 O 9 größer sind als Reaktionen mit anderen Jod Oxiden. Auf diese Weise kann die zukünftige Forschung auf die Synthese und Charakterisierung von I 4 O 9 für viele Anwendungen vorteilhaft sein.

Protocol

HINWEIS: Sechs verschiedene Oxidationsmittel zur Charakterisierung für den Zweck untersucht wurden , um die Kinetik der I 4 O 9 im Vergleich zu anderen lod Oxiden. Jedes Oxidationsmittel wird nachfolgend beschrieben. Der Brennstoff für alle Mischungen eingesetzt konstant war: Al-Pulver mit 80 nm mittlerer sphärischen Partikeldurchmesser. Gemischaufbereitung wird folgende Diskussion jedes Oxidationsmittel beschrieben. 1. Herstellung von Iod (V) -Oxide HINWEIS: Nano-Aluminium / Oxidationsmittel-Mischungen sehr volatil sind und explosive Verhalten zeigen können. Diese Mischungen sind anfällig für unbeabsichtigte Zündung durch elektrostatische Entladung, Reib-, Schlag- und andere Formen einer versehentlichen Zündung. Alle Geräte sollten die Wahrscheinlichkeit einer unbeabsichtigten Funkenzündung zu verringern geerdet werden. Die Mengen werden minimiert und Schutzausrüstung sollte verwendet werden, wenn diese Materialien Handhabung. Weitere Informationen zur Sicherheit und Handhabung Verfahren können in Maienschein et al. 18 PWiedergutmachung kommerziellen I 2 O 5 Zerquetschen 10 g I 2 O 5 Kristalle mit einem Mörser und Pistill , bis eine konsistente Pulver erzeugt. Nachdem die Kristalle in einer Pulverform vorliegen, das gleichmäßig 10 g Pulver verteilt in einem Keramiktiegel geeignet zum Aufheizen bis 250 ° C. Platzieren gesamte Tiegel in einem Ofen und Wärme auf 250 ° C bei 10 ° C / min und Halten bei 250 ° C für 5 min. Herstellung von amorphen I 2 O 5 Platz 3 g des zerkleinerten und dehydriert kommerziellen I 2 O 5 in einem Becherglas mit einem Magnetrührer und fügen Sie 3 g destilliertes Wasser. Um die Probe zu gewährleisten vollständig gelöst ist, fügen Sie ein 1: 1 – Verhältnis von Wasser zu kommerziellen I 2 O 5 und 20 min mischen. Die Auflösung von I 2 O 5 in Wasser bildet eine wässrige Phase von IO 3. 17 Gießen Sie die IO – 3 – Lösung in einen Schnabeler das geeignet ist für die Heizung. Um sicherzustellen , dass genug amorphe I 2 O 5 hergestellt wird , verwenden die dreifache Masse der IO 3 Lösung als die Masse benötigt amorpher I 2 O 5. Wenn beispielsweise ein Gramm amorphem I 2 O 5 benötigt wird, verwendet werden 3 g von IO & sub3 ; -Lösung. Das Becherglas mit dem IO – 3 – Lösung in einen Ofen und Wärme bei 20 ° C / min bis 250 ° C und halten Sie für 10 min. Lagern Sie die Probe in einem verschlossenen Behälter Exposition gegenüber atmosphärischem Wasser aus der Umgebung zu begrenzen. Herstellung kristalliner HIO 3 Wiederholen Sie Schritt 1.2.1 und Stelle IO & sub3 ; -Lösung auf einen Magnetrührer in einer Umgebung mit geringer Feuchtigkeit (unter 50% RH) , bis das gesamte überschüssige Wasser verdampft. Nach dem Eindampfen wird die wässrige Phase von IO 3 auszufällen als HIO 3 17. Die Probe ist in einem verschlossenen Behälter zu begrenzen, exposure atmosphärischer Wasser aus der Umgebung. Um alle überschüssige Wasser sicherzustellen, verdampft ist, um eine Probe in ein Differential-Scanning-Kalorimeter (DSC) und Wärme auf 250 ° C bei 10 ° C / min. HINWEIS: Der Gewichtsverlust bei 110 ° C wird gleich 5% und es wird kein Massenverlust bei 210 ° C, wenn die Probe rein ist HIO 3. Jede zusätzliche Masseverlust ist das überschüssige Wasser, das bedeutet, dass die Probe mehr Zeit verdunsten muss. Gewichtsverlust bei 210 ° C bedeutet , dass die I 2 O 5 nicht vollständig gelöst , und mehr Wasser unter Rühren ist erforderlich , um die Probe aufzulösen. 2. Mischung Vorbereitung HINWEIS: Die Mischungen werden auf zwei verschiedenen Wegen hergestellt: man ein Trägerfluid verwendet in Vermischung und eine andere ohne eine Trägerflüssigkeit zu unterstützen, sondern trocken gemischt. Zur Verarbeitung eines Trägerfluids verwendet wurden Mischungen für nur drei Oxidatoren hergestellt: I 4 O 9, nano I 2 O 5 und commercial I 2 O 5. Herstellung von Mischungen in einer Trägerflüssigkeit Zur Herstellung der Proben, die in einem Trägerfluid gemischt, wobei jedes Oxidationsmittel für insgesamt zwei Gramm Al und Oxidationsmittel-Mischung zu einem Äquivalenzverhältnis von 1,0 in einem Becherglas 80 nm Al-Pulver zu mischen. 60 ml Isopropanol in das Becherglas gegeben und beschallt die Lösung mit einem Schallstab bei einer Ausgangsleistung von 4 Watt eingestellt für 10 sec programmiert und 10 sec für insgesamt 2 min ab. Gießen Lösung in eine Glasschale und lassen Sie die Lösung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20% in einem Abzug für 24 Stunden bei Raumtemperatur verdampfen, die Pulverproben verlassen wird. Hinweis: Vor dem Schritt 2.1.4 hend gewährleisten Rasierklinge mit einem leitenden Draht mit einer elektrischen Masse verbunden ist versehentlichen Zündung zu vermeiden. Reclaim das Pulver mit einem geerdeten Rasierklinge und Sieb die Probe Agglomerate aufzubrechen direkt in einen Behälter, der verschlossen werden kann, um Limit Probe Einwirkung von Luft Wasser. Herstellung von Trockenmischproben Sieb und mischen zwei Gramm Al und Oxidationsmittel-Gemisch mit einem Spatel in einen Probenbehälter mit einem Brennstoff zu Sauerstoff Äquivalenzverhältnis von 1,0. Verschließen Sie die Probenbehälter Proben Einwirkung von Luft Wasser zu begrenzen. Halten Sie Proben auf einem Vibrationstisch für 3 Minuten Durchmischung zu unterstützen. Siehe Proben auf diese Weise hergestellt, wie trocken gemischt. 3. Thermische Gleichgewichtsanalyse Vorbereitung von Proben für die thermische Gleichgewichtsanalyse HINWEIS: Diese Proben reagieren leicht mit atmosphärischem Wasser. Die relative Luftfeuchtigkeit sollte sollte unter 30% und der Atmosphäre ausgesetzt reduziert werden begrenzt (in geschlossenen Behältern und Verwendung Deckel auf DSC-TGA – Tiegel dh Laden Probe). Wärmealuminiumoxidtiegel (mit der DSC-TGA Diagnose mitgeliefert) bis 1500 ° C und halten Sie für 30 Minuten jede zu entfernenRückstände auf den Tiegeln in der DSC-TGA. Wiegen Tiegeln, bevor die Proben in dem Tiegel angeordnet sind. Diese Messung wird durch die DSC-TGA benötigt. Nachdem der Tiegel gewogen wird, mit 10 mg jeder Probe in einen Tiegel. Setzen Sie den Probentiegel auf dem Thermoelement in der DSC-TGA mit einem leeren Tiegel in dem Referenzhalter auf der DSC-Thermoelement. Erhitzen der Proben bei 10 ° C / min bis 600 ° C in einer Argonatmosphäre. 4. Energieausbreitung Herstellung von Flammrohren Verwenden Quarzrohre mit einem Innendurchmesser von 3 mm und einer Länge von 7 cm des Pulvergemisches enthielt. Setzen Sie Band an einem Ende so Pulver nicht aus dem Schlauch entweichen kann. Platzieren Sie jede 7 cm Röhre mit einem Ende auf einer Skala aufgezeichnet und die Waage auf Null. Dadurch wird die Messung nur die Masse des Pulvers zu ermöglichen. Mit einem Spatel mit einem kleinen Ende, legen Sie die Pulverproben in the Rohr. Für jedes der Gemische, stellen drei Rohre mit jeder Mischung für Wiederholbarkeit Tests gefüllt. Verwendung einer Stange , die einen Durchmesser kleiner als 3 mm hat, kompakt um das Pulver im Inneren des Rohrs für die Proben mit niedrigen Schüttdichten (dh Al + I 4 O 9 und Al + amorphem I 2 O 5) , bis das Volumen der Probe tut ändern sich nicht. Dieses Verfahren ist notwendig, konsistente Rohdichten zwischen mehreren Experimenten zu erhalten. Dies kann 200 mg der Pulvermischung erfordern. Für alle anderen Mischungen, die höhere Dichten aufweisen, nicht komprimieren das Pulver nicht äußere Kraft verwenden. Halten Sie die Schüttdichte konstant zwischen den Proben mit ähnlichen Schüttdichten. Die Menge des Pulvers in den Rohren wird je nach Schüttdichte des Pulvers variieren. Dies kann bis zu 500 mg der Pulvermischung erfordern. Messen der Masse der Pulvermischung in jedes Röhrchen, das Gleichgewicht verwenden, die für jedes Rohr tariert wurde, fügen Masse, bis die Dichte des Pulvers within 5% der anderen Proben in jeder Gruppe. Stellen Sie sicher, dass jedes Rohr vollständig gefüllt ist. Herstellung von Heißdraht – Ignite Um den heißen Draht herzustellen, verwenden Sie eine Nickel-Chrom (dh Nickel – Chrom) Drahtschnitt in Abschnitte 10 cm lang. Machen Sie eine "V" -Form in der Mitte des Drahtes und legen Sie den Draht, so dass die "V" -Form im Inneren des Rohres ist. Klebeband dieses Ende des Rohres so der Draht stationär ist und kein Pulver das Rohr entweichen kann. Herstellung von High – Speed – Kamera Legen Sie die High-Speed-Kamera außerhalb der Brennkammer senkrecht zur Richtung der Flammenausbreitung und fokussieren Sie die Kamera auf das Rohr durch eine Sichtöffnung in den Brennraum. HINWEIS: Die primäre Funktion der Verbrennungskammer ist, Personal und Ausrüstung aus dem Reaktionsmaterial zu schützen, und sollte durch eine Abzugshaube zu belüften. Passen Sie die Platzierung und das Objektiv von the Kamera so die niedrigste Auflösung (dh höchste Bildrate) verwendet werden. Um die Distanz Kalibrierung zu ermöglichen, legen Sie ein Lineal mit mm und cm-Schritten in das Sichtfeld und einen Schnappschuss mit der Kamera mit hoher Geschwindigkeit vor der Flammengeschwindigkeiten der Aufnahme. Da die Flammenfront deutlich heller als das Umgebungslicht ist und die Kamera über sättigen, wenn auf das Licht erzeugt, das durch die Reaktion ausgesetzt wird, um die Belichtungszeit in den Kameraeinstellungen senken oder Neutralfilter auf die Linse der Kamera hinzufügen, um die Menge zu reduzieren, von Licht durch die Kamerasensoren empfangen wird. Senken der Lichtmenge, die von der Kamera, bis der Ausbreitungsfront der Reaktion empfangen wird, kann deutlich gesehen werden. Hier stellen sich Neutralfilter ermöglicht nur 5% des Lichtes passieren, und eine Belichtungszeit von 1 & mgr; s. Heften sich an den Enden des Drahtes einen Spannungsgenerator. Die Brennkammer führt durch die Kammer isoliert sein sollte, die die Kammer verschlossen werden können undFernheizung des Drahtes erlauben. Nachdem die Kammer verschlossen ist, stellen Sie den Spannungsgenerator bis 10 Volt und gleichzeitig die Kameraaufzeichnung beginnen. Wenn die Spannung angelegt wird, sollte die Reaktion fast sofort beginnen. Exportieren Sie das Video in ein Software-Programm, das die Position der Flammenfront als Funktion der Zeit in jedem einzelnen Frame verfolgen wird. Exportieren Sie die Entfernung und Zeit Schritt Informationen in einer Tabellenkalkulation und zeichnen Sie eine lineare Trendlinie mit R 2 Werte. Für langsamere Reaktionen, die Zeit für die Reaktion benötigt einen stabilen Zustand zu erreichen. Die Kurve vor dem stationären Zustand wird eine exponentiell ansteigende Kurve sein. Entfernen Sie die Daten , die nicht in einem stabilen Zustand befinden , bis der R 2 -Wert größer als 0,95 ist. Die Steigung der Linie ist die Flammengeschwindigkeit.

Representative Results

Figur 1a zeigt die endothermen und exothermen Verhalten der Anfangszustände für alle sechs Oxidatoren aus DSC – Analyse untersucht und Figur 1b zeigt den entsprechenden Masseverlust von TGA – Analyse. Es wird darauf hingewiesen , dass alle Oxidatoren , wenn über die Dissoziationstemperatur von I 2 O 5 (350 ° C) verlieren 100% Masse , aber die I 4 O 9 Probe gibt I & sub2 ; -Gas anstelle von Wasser durch Dehydratisierung von hydratisierten Spezies unterhalb der bei Temperaturen freigesetzt erhitzt Dissoziationstemperatur von I 2 O 5. Die Fülle von I 2 Gas aus dem I freigegeben 4 O 9 Proben wird auf mehr als 7 Gewichts in 1b angegeben.%. 1a zeigt , dass die einzigen Jodverbindungen , die exotherme Verhalten erzeugen I 4 O 9 und I 2 O 5 gebildet durch Zersetzung von I 4 O 9 unddie exotherme Reaktion entspricht einer Onset – Temperatur von etwa 180 ° C zur Zersetzung in I 2 O 5. 1b zeigt auch , daß die Jodverbindung mit der größten Gesamt – Jod Gaserzeugungs I 4 O 9 ist. Es gibt keine Warmblüter für kommerzielle und amorphe I 2 O 5 Proben zwischen 110 ° C und 210 ° C. Dies zeigt , dass diese Proben rein I 2 O 5 ohne iodic Säuren sind. Die Nano I 2 O 5 und I 4 O 9 haben Exothermen mit Onset – Temperatur bei 150 ° C. Dies zeigt die Proben I enthalten 4 O 9 6. Die Nano I 2 O 5 wird thermisch I 4 O 9 behandelt. Die kleine Exotherme bei 150 ° C zeigt , dass es eine gewisse Rest ist I 4 O 9 im Nano I 2 O 5 Probe. Mit Hilfe der TGA – Daten aus Abbildung 1bDie Rest I 4 O 9 in der Probe weniger als 15 Gew.%. Die HIO 3 dehydrate hat eine einzige Endotherme bei 130 ° C beginnt und zeigt diese Probe kristalline HIO 3 ist. Die kommerzielle HIO 3 Probe hat zwei verschiedene Endotherme bei 160 ° C beginnt und 210 ° C. Eine Endotherme mit einer Onset – Temperatur von 160 ° C außerhalb des Bereichs der HIO 3 Dehydratisierung in der CRC – Handbuch 16. Allerdings zeigen TGA Ergebnisse einen Masseverlust von 2,47 Gew.% In diesem Bereich angibt, dass es die Dehydratisierung eines hydrierten Spezies ist. Figur 2a zeigt die Wärmeströmungsverhalten von DSC – Analyse von vier Al und Jod Oxidmischungen. Der Al + I 4 O 9 trockene Mischung hat eine exotherme Reaktion bei 180 ° C das Oxidationsmittel anzeigende I noch 4 O 9 mit einer erhöhten Anfangstemperatur. Der Al + I 4 O 9 und Al + I nano2 O 5 Proben sind fast identisch. Diese beiden Mischungen wurden unter Verwendung von Isopropanol als Trägerfluid verarbeitet zu unterstützen und ein Vermischen identische thermische Verhalten in 2a gesehen anzeigt , dass Mischen von Pulvern in Isopropanol I umgewandelt 4 O 9 in I 2 O 5. 2b zeigt I 4 O 9, I 4 O 9 ausgesetzt bis 20% RH für 4 Stunden und nano I 2 O 5 ausgesetzt zu 20% RH für 4 Stunden. Nach 4 Stunden Exposition gegenüber 20% RH, I 4 O 9 ist identisch I 2 O 5 zu Nano- und es gibt Endotherme bei 110 ° C und 210 ° C , die Proben zeigen , werden von HIO teilweise aus 3 und HALLO 3 O 8. Dies kann durch die I 4 O 9 "dry" Syntheseverfahren erläutert werden , das dann erhitzt wird und umgewandelt in I 2 O 5. crystal Struktur I 4 O 9 , ist nicht bekannt, aber wegen Hydratation beobachtet wird (Abbildung 2b unteren zwei Kurven mit Endothermen schraffiert), die geringe Dichte des Pulvers (dh fluffy, hochporöse Natur), und das Fehlen eines berichteten kristallinen Struktur eine amorphe Struktur angenommen. Nano I 2 O 5 wird durch thermische Zersetzung von amorphem I 4 O 9, gemäß Gl. (1) , so daß I 2 ist aus amorphem I 4 O 9 freigegeben I 2 O 5 amorph bleibt. Kristallstrukturbildung von Iod (V) -Oxide wird durch Wasser katalysiert. Da die Syntheseverfahren trocken ist, gibt es kein Wasser zu Kristallbildung katalysieren. Der erste Schritt für die Absorption von Wasser erforderlich ist, um die relative Feuchtigkeit zu erhöhen, um die Bindungen zwischen den Molekülen zu stören. Ohne diese Kristallstruktur (das will das schwach gebundene Wasser freizugeben) ist das dynamische Gleichgewicht verschoben ich so 2 O 5 </sub> Werden alle verfügbaren Wasser aufnehmen. Sobald Wasser beginnen , indem ich 2 O 5, die Bildung von HIO 3 Molekülen absorbiert. HIO 3 einen Wasserstoff, der Sauerstoff in amorpher I 2 O 5 und erzeugt ein HALLO 3 O 8 Kristallstruktur anzieht. Wasser ist der Katalysator noch in Kristallstrukturbildung. Das Syntheseverfahren der I 2 O 5 und I 4 O 9 , die anstelle einer kristallinen Struktur eine amorphe Struktur bilden , ist der Grund , Wasserabsorption bei niedriger RH gesehen wird ( das heißt, 20%) als das, was erforderlich war , die Absorption in früheren Studien zu starten ( dh 70-80% RH) 5,17. Zusammenfassend kann die Jodverbindungen "amorphe Struktur Absorption von hydrierten Spezies und die Bildung von iodic Säuren fördern. In Figur 2a der Haupt Exothermen um 500 ° C sind alle ähnlich. In der Al + I 4 O 9Trockenmischung, die exotherme Reaktion bei etwa 180 ° C zeigt Phasenübergang von I 4 O 9 bis I 2 O 5. Außerdem haben alle Mischungen eine Vorzündung Reaktions (PIR) zwischen 300 bis 400 ° C, aber Al + I 4 O 9 und Al + nano I 2 O 5 einen PIR mit niedrigeren Onset – Temperatur und eine größere Größe haben , sondern zeigen auch einzigartige Endothermen durch exotherme bei 210 ° C gefolgt. Diese Proben wurden in Isopropanol verarbeitet und das Verhalten bei 210 ° C zeigt diese Proben sind teilweise HALLO 3 O 8. Die Exotherme kann die Reaktion zwischen HALLO 3 O 8 und I 4 O 9 weil HALLO 3 O 8 ist an fast die gleiche Temperatur wie I 4 O 9 Zersetzung dissoziierenden. Diese Reaktionen können helfen, höhere Exothermie im PIR fördern und früheren Beginn des PIR katalysieren. Osborne und Pantoya 20 zeigte zunächst eine exotherme Reaktion vor dem Haupt exotherme ReaktionIon in Al Verbrennung und dies ein PIR geprägt. Deren Analyse zeigte die PIR – Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid – Schale ein Aluminiumkernpartikel mit Fluor umgeben von Fluor 19,20 zersetzen. Farley et al. 4 dann erweiterten Beobachtungen des PIR aus Aluminium und Aluminiumoxid Kern-Schale – Teilchen mit Jod Basis Oxidantien reagieren. Die Al + kommerziellen I 2 O 5 Probe hat eine Endotherme bei 210 ° C anzeigt , HALLO 3 O 8 Präsenz und eine milde PIR exotherme Reaktion mit verzögerten Beginn der Temperatur. Mulamba et al. 21 zeigte auch , dass der PIR Onsettemperatur Konzentration abhängig ist. Tabelle 1 zeigt die Flammengeschwindigkeit Ergebnisse für Al gemessen gemischt mit der angegebenen Oxidationsmittel als Trockenmischung und auch Isopropanol als Verarbeitungsträgerflüssigkeit gemischt werden. Nur die ersten drei Proben wurden nach getestet in Isopropanol gemischt und die Al + commercial HIO 3 Trockenmischung entweder gar nicht zünden oder Reaktion unterhalten haben nicht lange genug messbare Ergebnisse zu erzielen. Die prozentuale Unsicherheit für jede Mischung auf Basis von Wiederholbarkeit von bis zu drei verschiedenen Experimenten bestimmt. Schüttdichte wird als eine Funktion der Pulvermischung Masse und das Volumen des Rohrs bestimmt. Wenn Reaktivität mit Flammengeschwindigkeit Messungen Interpretieren, gibt es viele Faktoren, die die Ergebnisse, wie die Homogenität der Mischung, Partikelgröße und Schüttdichte beeinflussen. Mischung Homogenität kann unter Verwendung einer Trägerflüssigkeit optimiert Mischung der Reaktanden zu unterstützen. Die I 4 O 9 in dieser Studie untersucht ist stabiler als bisher I 4 O 9 Proben untersucht und erschien nicht hydratisierte Spezies in I 2 O 5 oder bilden et al in Wikjord gesehen zu zersetzen. 6 (wie bei nur in 1a gesehen eine exotherme Reaktion entsprichtI 4 O 9 Zersetzung). Nur so kann die Verbrennungsleistung von Al + I 4 O 9 wird durch trockenes Mischen mit so wenig Einwirkung der Atmosphäre wie möglich, um die Integrität der I 4 O 9 zu halten , um jedoch zu beachten. Darüber hinaus erlaubt die Flammengeschwindigkeitsmessungen von Al mit den Oxidationsmitteln in verschiedenen Staaten uns, die Auswirkungen zu verringern, die Varianz in der Flammengeschwindigkeit Ergebnissen führen und Unterschiede speziell auf bestimmte Jodverbindungen zurückzuführen offenbaren. Diese Vergleiche werden unten diskutiert. Insgesamt Tabelle 1 zeigt , dass I 4 O 9 signifikant die Reaktivität verbessert , wenn sie mit anderen Iodverbindungen verglichen. Mischen in einem Trägerfluid sorgt für eine verbesserte Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittel-Partikel, die Mischung Homogenität und Reaktivität erhöht. Dies wird in der Differenz in Flammengeschwindigkeiten in Tabelle 1 für die trockenen gesehen undIsopropanol gemischt Al + nano I 2 O 5 und Al + kommerziellen I 2 O 5 Proben , bei denen die Flamme von 1,07 und 3,34 mal erhöhten Geschwindigkeiten, respectively. Mischguthomogenität implizit aus der gemessenen Flammengeschwindigkeit nur wenig für die + Nano Al verbessert I 2 O 5 – Mischung, während die Al + Mikron angelegte kommerzielle I 2 O 5 weist eine dreifach erhöhen in Flammengeschwindigkeit , wenn die Trägerflüssigkeit Hilfsmittel Durchmischung. Offensichtlich Partikelgröße und Trägerflüssigkeit tragen zur gemessenen Flammengeschwindigkeit. Die Homogenität Effekte können auch durch die Unsicherheit zwischen Flammengeschwindigkeiten zu erkennen. Die Proben, die in Isopropanol und die Proben mit kleineren Teilchen weniger Unsicherheit in gemessenen Flammengeschwindigkeiten gemischt werden. Diese kleine Unsicherheit wird auch in alle die amorphen Proben gesehen, was darauf hindeutet, dass eine amorphe Struktur verbesserte Homogenität in Trockenmischen erleichtert. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass jede Probe gesiebt wurde, bevor trockenes Mischen von bis zu brechenAgglomerate und helfen Unsicherheit durch eine schlechte Homogenität verursacht beseitigen. Die HIO 3 Moleküle ein Wasserstoff Endkappe, die elektropositiv ist und ein Sauerstoff Endkappe, die elektronegativ ist und bewirkt , dass eine Anziehungskraft zwischen den Enden der einzelnen HIO 3 Moleküle 22. Aufgrund dieser Attraktion, die HIO 3 Teilchen sofort agglomeriert während des Siebens , bevor die Al gemischt werden können. Dies führte zu extrem schlechte Homogenität und ist der Grund , Al + kommerziellen HIO 3 Proben konnte die Reaktion aufrecht zu erhalten. Die Al + HIO 3 dehydrate Probe hatte Wasser zur Verfügung Kristallstrukturbildung (Abbildung 1a) zu katalysieren, die reduziert, aber nicht diesen Effekt zu beseitigen. Energieausbreitungs ist abhängig von der Schüttdichte des Reaktantengemisches. Die Dichte wird auf der Grundlage der Konzentration der Reaktanden zu ändern,so dass die Schüttdichte der Mischung wird üblicherweise als Prozentsatz der theoretischen Maximaldichte (TMD) angegeben. Die% TMD berechnet einen gewichteten Durchschnitt der Konzentration und der Dichte der Reaktanten und ist für die Dichte der tatsächlichen Probe unter Verwendung entsprechend seiner Masse und Volumen belegt. Auf diese Weise stellt Schüttdichte in Bezug auf% TMD Die Menge des festen Raum , der durch das Volumen besetzt ( das heißt, 60% TMD entsprechend 40% Luftporen und 60% Feststoffe). Low% TMD führen in der Regel in höheren Flammengeschwindigkeiten als Hoch% TMD-Pulver. Die höhere Konzentration an Luftporen mit geringer% TMD liefern konvektiven Wege flame Geschwindigkeiten zu verbessern. Aus diesem Grund berichtet die Flammengeschwindigkeiten in Tabelle 1 sind nicht vergleichbar als Funktion der Mischung, da jeweils bei einer diskret unterschiedlicher Schüttdichte hergestellt. (1) I 4 O 9: Zwei Schlussfolgerungen können aus Tabelle 1 gezogen werdenkann nicht in Isopropanol verarbeitet werden , da sie in I 2 O 5 ändert und so die Reaktionszeit verändert; und (2) I 4 O 9 ist reaktiver als I 2 O 5 , weil bei höheren und niedrigeren Schüttdichten (dh 11% TMD verglichen mit 8 bzw. 17% TMD), I 4 O 9 erhöhte Reaktivität zeigt. Dieser Befund legt nahe , dass I 4 O 9 würde für Reaktiv Anwendungen vorteilhaft sein , wenn es passiviert werden könnte Stabilität zu verbessern. Durch Reaktivität und thermische Analyse zeigen die Ergebnisse , I 4 O 9 können als andere Formen von Jod reaktiver sein (V) -oxide , wenn sie mit Aluminium (Al) -Pulver kombiniert. Die I 4 O 9 Probe hier verwendet wurde , synthetisiert , um eine "trockene" Verfahren , das elementaren Sauerstoff und Jod solchen kombiniert , dass hydratisierte Spezies sind nicht an einem beliebigen Punkt während der Synthese eingeführt. Aus diesem Grund wird der I 4 O <sub> 9 Probe anfänglich frei von iodic Säuren und erzeugt eine große Exotherme bei einer niedrigen Temperatur (zB 180 ° C) entsprechend seiner Zerlegung in I 2 O 5. Die nanoskaligen I 2 O 5 -Teilchen , die durch thermische Zersetzung von I 4 O 9 erstellt werden , sind wahrscheinlich amorph und Flammengeschwindigkeiten über 1000 m / s erzeugen , wenn sie mit Al – Pulver (Tabelle 1) kombiniert. Der Al + I 4 O 9 Reaktion erzeugt Flammengeschwindigkeiten über 1500 m / sec. Dies ist die erste Untersuchung , das Potenzial I 4 O 9 als Alternative zu den I 2 O 5 für die Energieerzeugungstechnologien zu erforschen, insbesondere durch hohe Iodgas Generation motiviert. Abbildung 1 : DSC – Analyse von Wärmefluss / TGA Analyse von Massenverlust. A) Erbei Strömungsverhalten von DSC – Analyse von sechs Oxidatoren und zeigt verschiedene Zustände von Iod (V) im Bereich von Jodsäure Dehydratisierung verwendet Oxide. b) Massenverlust von TG – Analyse entspricht. Abbildung 2. Die DSC – Analyse des Wärmeflusses. A) Wärmeströmungsverhalten von DSC – Analyse für Al + I 4 O 9 Trockenmischung und Al + I 4 O 9, Al + nano I 2 O 5 und Al + kommerziellen I 2 O 5 gemischter in Isopropanol. Temperaturbereich umfasst Jodsaure Dehydration und Hauptreaktionstemperaturbereich. B) I 4 O 9 zunächst und I 4 O 9 für 4 Stunden bis 20% relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Auch wurde die I 2 O 5 für 4 Stunden auf 20% RH ausgesetzt. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page = "always"> Oxidizer Isopropanol Mischflammengeschwindigkeit (m / sec) % Unsicherheit Dry Mix Flammengeschwindigkeit % Unsicherheit Schüttdichte Trockenmischung (g / cm 3) Dry Mix% TMD I 4 O 9 1261 * 0,4 1551 3 0,48 11.7 Nano I 2 O 5 1146 4.5 1.070 3.7 0,33 8 Gewerbe I 2 O 5 719 5.5 215 46.5 0,93 22.6 Amorphe I 2 O 5 NM NM 1085 0,3 0,73 17.8 HIO 3 Entwässern NM NM 393 12 0,8 19.3 Gewerbe HIO 3 NM NM NM NM 1.11 27.1 Tabelle 1. Flammengeschwindigkeit Ergebnisse. Flammgeschwindigkeit Ergebnisse für Al + Oxidationsmittel in der ersten Spalte angezeigt. NM zeigt nicht messbar. * Zeigt I 4 O 9 in I 2 O 5 während des Mischens zerlegt wurde.

Discussion

Das I 4 O 9 Pulver hier untersucht wurde synthetisiert , um einen "trockenen" Ansatz I durch die Kombination von elementarem Iod und Sauerstoff 4 O 9 zu bilden. Diese Probe wird nachfolgend als I 4 O 9. Nano-Partikel I 2 O 5 wurde auch für diese Studie synthetisiert. Insbesondere wurde ein Teil des I 4 O 9 erhitzt über die Dissoziationstemperatur von I 4 O 9 (dh 180 ° C) , aber unter der Dissoziationstemperatur von I 2 O 5 (400 ° C). Dieses Verfahren führt zu Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 200-400 nm. Diese Probe wird als Nano I 2 O 5. Teilchengrößenmessungen wurden durch TEM erhalten, die die Probe benötigt in einem Vakuum sein. Jedoch I 4 O 9 dissoziiert in I 2 O 5 in einem Vakuum, so Dimensionen I 4 O 9 nicht direkt erhalten wurden. Da die Nano I 2 O <sub> 5 Teilchendurchmesser liegen zwischen 200-400 nm und synthetisiert , indem die I 4 O 9 Probe erhitzt wird , wird angenommen , dass I 4 O 9 ähnlichen Durchmesser hat.

Ein häufiger Ansatz I 2 O 5 zu synthetisieren ist , durch thermische Dehydratisierung von Jodsäure I 2 O 5 1,2,8 zu bilden , und Material mit diesem Verfahren im Handel erhältlich ist. Die kommerzielle I 2 O 5 als grobe Kristalle erhalten und unterschiedliche Konzentrationen von iodic Säuren können je nach Lager- und Handhabungsbedingungen. Um sicherzustellen , dass Proben rein sind I 2 O 5, sind die Proben dehydriert vor der Verwendung wie erläutert in Schritt 2.1.1.3. Der Durchmesser der Teilchen in dieser Probe liegen zwischen 1-5 um. Diese Probe wird als kommerzielle I bezeichnet 2 O 5.

Die amorphe I 2 O 5 Probe wird aus dieser gesättigten IO 3 Lösung gemacht . Wenn ich 2 O 5 mit Wasser vermischt wird, wird eine Lösung von IO 3 erstellt haben . Dies ist in Schritt 2.1.2 durchgeführt und diese Schritte werden lassen eine gesättigte IO 3 Lösung. Wasser katalysiert die Bildung von Kristallen in iodic Säuren. Die Temperatur amorph I 2 O 5 zu bilden oberhalb der Dehydratisierungstemperatur von HALLO sein muss 3 O 8 und erhitzt mit einer Geschwindigkeit , die eine Kristallstruktur zu bilden , nicht erlauben wird, wird diese in Schritt 1.2 durchgeführt. Die Konzentration von IO 3 in Lösung wird die Menge an amorphem I 2 O 5 während der Dehydratisierung geschaffen bestimmen. Diese Proben sollten rot nach der Entwässerung , welche die Probe ist eine amorphe Form von I 2 O 5. Diese Probe wird als amorphe I bezeichnet 2 O 5. Auch XRD – Analyse (nicht eingeschlossen) wurde vorgeformt und bestätigte die amorphe Struktur des I – 4 O 9 und amorphem I 2 O 5 Proben.

ent "> Wenn in Lösung, 3 HIO überschüssiges Wasser freigeben wird und eine Kristallstruktur schaffen. Die Zeit , um das überschüssige Wasser zu verdampfen benötigt wird , ist abhängig von der Größe des Bechers, RH, und die Konzentration der IO – 3 – Lösung. In unserem Labor bei 20% RH Mischen in der oben beschriebenen Weise wurden 3-5 Tage benötigt, um überschüssiges Wasser aus den Proben zu verdampfen. die Lösung in einen festen klaren Kristall verwandeln wird. Dieser Vorgang wird in Schritt 2.1.3 und die Probe bezeichnet gezeigt als HIO 3 entwässern. Jodsäure wird als kommerzielle HIO 3 bezeichnet werden.

Wenn zu Lösung oder atmosphärische Wasser ausgesetzt, Iod (V) -oxid erfährt chemischen Reaktionen, die die Zusammensetzung des Endprodukts verändern. Um diese Transformation zu mildern, werden alle sechs Oxide sind auch mit Al ohne Lösung gemischt.

Thermoanalyse DSC-TGA verwendet wurde in einer Argonatmosphäre kalibriert unter Verwendung von Proben mit bekannten Onset-Temperaturen und Massenverluste. Ein Flammrohr einpparatus als Bockmon bekannt Rohr 23 wird verwendet , Flammgeschwindigkeiten zu messen. Flammengeschwindigkeit Experimente sind empfindlich gegenüber der Schüttdichte des Gemisches. Pantoya et al. Zeigten , dass für die Nano-Al – Basis thermites, die Schüttdichte zu erhöhen kann die Al – Reaktionsmechanismus unterdrücken und die Rolle der konvektiven Energietransport reduziert , wodurch Flammengeschwindigkeit 24 verzögert wird . Aus diesem Grund werden für verschiedene Mischungen durchgeführten Experimente in der Regel eine konstante Schüttdichte zu halten, gestaltet. Allerdings untersucht die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Oxidantien hier variieren dramatisch, so dass es nicht möglich war, um konsistente Schüttdichte mit allen sechs Trockenmischungen erhalten. Aus diesem Grund werden mehrere Iod Oxide mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften getestet, um eine Vergleichsgrundlage zu schaffen, die Unterschiede in% TMD, Kristallstruktur und Hydratationsstufen umfasst. Nachdem das Pulver in den Rohren und gemessen wird heiße Draht verwendet, um remote entzünden die Mischung gelegt.

Nachdem die Flammrohren mit Pulvermischung hergestellt werden, werden Flammgeschwindigkeiten in einer Verbrennungskammer gemessen, um eine Hochgeschwindigkeitskamera. Die Bildrate der Kamera kann durch Erniedrigen der Auflösung erhöht werden. Die Reduzierung der Auflösung Framerate zu erhöhen, weniger Fehler bei einer niedrigeren Framerate als höhere Auflösung erzeugt. Aus diesem Grund wird in Schritt 4.2.2, die niedrigste Auflösung, die das gesamte Flammrohr verwendet wird, Standbild kann, ist dies die maximale Frames pro Sekunde zu erhöhen wird die Kamera ohne Verlust Informationen aufzeichnen kann. Für unsere Kammer, einer Auflösung von 256 x 86 wurde verwendet, um die Kamera zu Rekord bei 300.000 fps erlaubt.

Quantifizieren Flammengeschwindigkeiten in hochreaktiven Mischungen ist von Natur aus schwierig , wegen der großen Anzahl von Variablen , die Reaktivität beeinflussen können (dh Mischung Homogenität, Teilchengröße, Dichte, Ausbreitungsrichtung, Ausbreitungsgeschwindigkeit, etc.). Durch ein Quarzrohr mit einem Innen diamete Verwendungr kleiner als 4 mm in Verbindung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einem neutralen Dichtefilter wird die Ausbreitungsrichtung gesteuert (dh 1-D) und die Menge an Licht , das von der Kamera empfangen wird , auf ein Minimum Schwelle reduziert werden , so dass die Vorderkante des Lichts durch die Reaktion emittiert wird, kann deutlich gesehen und gemessen werden. Diese Messung wird davon ausgegangen, dass das Fortschreiten dieser niedrige Lichtpegel mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Reaktionsfront. Aus diesem Grund Photodioden für die Verfolgung der Reaktionsausbreitung, da die hohe Lichtemissionsintensität führen kann Licht zu reisen und sättigen die Sensoren schneller als die Reaktion möglicherweise nicht so genau sein. Auch sind die ersten 1-2 cm Rohrlänge ist ein Eingangsbereich oder eine Region der instationären oder Beschleunigungs Ausbreitung betrachtet. Lineare Messungen der Entfernung als Funktion der Zeit müssen jenseits dieser Eintrittsbereich ergriffen werden, um steady state Flammengeschwindigkeit bestimmen.

Die DSC / TGA ist eine thermische Gleichgewichtsanalyse, die shows detaillierte Reaktionskinetik , die in hochreaktiven Materialien beobachtet werden kann (dh nicht unter nicht thermischen Gleichgewichtsbedingungen beobachtet werden). Die Kombination von DSC / TGA-Analyse und Flammengeschwindigkeiten geben spezifische Informationen zu den Unterschieden in der Reaktionskinetik, die Auswirkungen auf die Unterschiede in den Flammengeschwindigkeit Ergebnisse haben können. Aus diesem Grund ist die Kombination dieser beiden Messmethoden ein leistungsfähiges Werkzeug für das Verständnis und die Steuerung hochreaktiven Materialien.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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
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References

  1. Selte, K., Kjekshus, A. Iodine Oxides Part II on the system H2O I2O5. Acta. Chem. Scand. 22, 3309-3320 (1968).
  2. Little, B. K., Emery, S. B., Nittinger, J. C., Fantasia, R. C., Lindsay, C. M. Physiochemical Characterization of Iodine ( V ) Oxide , Part 1 Hydration Rates. (V). Propell. Explos. Pyrot. 40, 595-603 (2015).
  3. Smith, D. K., McCollum, J., Pantoya, M. L. Effect of Environment of Iodine Oxidation State on Reactivity with Aluminum. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 11243-11250 (2016).
  4. Farley, C., Pantoya, M. Reaction kinetics of nanometric aluminum and iodine pentoxide. J. Therm. Anal. Calorim. 02 (2), 609-613 (2010).
  5. Little, B. K., Emery, S. B., Lindsay, M. C. Physiochemical Characterization of Iodine (V) Oxide Part II Morphology and Crystal Structure of Particulat Films. Crystals. 05 (4), 534-550 (2015).
  6. Wikjord, A., Taylor, P., Torgerson, D., Hachkowski, L. Thermal behaviour of Corona-Precipitated Iodine Oxides. Thermochim. Acta. 36, 367-375 (1980).
  7. Little, B. K., et al. Chemical dynamics of nano-aluminum/iodine (V) oxide. J. Phys. Conf. Ser. 500 (5), 052025 (2014).
  8. Feng, J., Jian, G., Liu, Q., Zachariah, M. R. Passivated iodine pentoxide oxidizer for potential biocidal nanoenergetic applications. ACS Appl. Mater. Inter. 5 (18), 8875-8880 (2013).
  9. Wang, H., DeLisio, J. B., Jian, G., Zhou, W., Zachariah, M. R. Electrospray formation and combustion characteristics of iodine-containing Al/CuO nanothermite microparticles. Combust. Flame. 162 (7), 2823-2829 (2015).
  10. Sunder, S., Wren, J. C., Vikis, A. C. Raman Spectra of 1409 Formed by the Reaction of Iodine with Ozone. J. Raman Spectrosc. 16 (6), 424-426 (1985).
  11. Selte, K., Kjekshus, A. Iodine Oxides Part III. The Crystal Structure of I2O5. Acta. Chem. Scand. 6 (24), 1913-1924 (1970).
  12. Sherwood, P. M. A. X-Ray Photoelectron Spectroscopic Studies of Some Iodine Compounds. J. Chem. Soc. 72, 1805-1820 (1976).
  13. Russell, R., Bless, S., Pantoya, M. Impact-Driven Thermite Reactions with Iodine Pentoxide and Silver Oxide. J. Energ. Mater. 29 (2), 175-192 (2011).
  14. Skulski, L. Organic iodine(I, III, and V) chemistry: 10 Years of development at the Medical University of Warsaw, Poland. Molecules. 5 (12), 1331-1371 (2000).
  15. Nicolaou, K. C., Montagnon, T., Baran, P. S. HIO3 and I2O5 Mild and Selective Alternative Reagents to IBX for the Dehydrogenation of Aldehydes and Ketones. Angew. Chem. Int. Edit. 293 (8), 1386-1389 (2002).
  16. Lide, D. R. . CRC Handbook of Chemistry and Physics. , 3485 (2005).
  17. Kumar, R., Saunders, R. W., Mahajan, a. S., Plane, J. M. C., Murray, B. J. Physical properties of iodate solutions and the deliquescence of crystalline I2O5 and HIO3. Atmos. Chem. Phys. 10 (24), 12251-12260 (2010).
  18. Maienschein, J., Pantoya, M. L. Safety in Energetic Materials Research and Development-Approaches in Academia and a National Laboratory. Propell. Explos. Pyrot. 39 (4), 483-485 (2014).
  19. Osborne, D. T., Pantoya, M. L. Effect of Al Particle Size on the Thermal Degradation of Al/Teflon Mixtures. Combust. Sci. Technol. 179, 1467-1480 (2007).
  20. Pantoya, M. L., Dean, S. W. The influence of alumina passivation on nano-Al/Teflon reactions. Thermochim. Acta. 493 (1-2), 109-110 (2009).
  21. Mulamba, O., Pantoya, M. Exothermic surface reactions in alumina-aluminum shell-core nanoparticles with iodine oxide decomposition fragments. J. Nanopart. Res. 16 (3), 2310 (2014).
  22. Nelyubina, Y., Antipin, M. Y., Lyssenko, K. A. Extremely short halogen bond: the nature and energy of iodine-oxygen interactions in crystalline iodic acid. Mendeleev. Commun. 21, 250-252 (2011).
  23. Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W. Combustion velocities and propagation mechanisms of meta-stable intermolecular composites. J. Appl. Phys. 98 (6), 064903 (2005).
  24. Pantoya, M. L., Levitas, V. I., Granier, J. J., Henderson, J. B. Effect of bulk density on reaction propagation in nanothermites and micron thermites. J. Propul. Power. 25 (2), 465-470 (2009).

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Smith, D. K., Pantoya, M. L., Parkey, J. S., Kesmez, M. Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures. J. Vis. Exp. (117), e54661, doi:10.3791/54661 (2016).
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