Synthesis of Metal-Polymer Nanocomposites for Fuel Applications

Les particules métalliques ont été d'intérêt comme combustibles et additifs de combustibles pour des propergols et explosifs, car ils possèdent une énergie à haute densité. En général, la densité d'énergie volumétrique est supérieure à celui de carburant conventionnel à base d'hydrocarbure. Cet avantage est clairement bénéfique pour les systèmes de propulsion fusée à volume limité, dans lequel le paramètre le plus important est l'impulsion spécifique. Il est bien connu que la réactivité des particules métalliques dépend de la taille des particules qui augmente lorsque la taille des particules diminue. Des améliorations significatives dans les comportements de combustion du propergol ont été attribuées à l'utilisation de particules métalliques de taille nanométrique, par exemple l'augmentation du taux de combustion et la réduction du temps de retard à l'allumage. Pour cette raison, l'application de particules de taille nanométrique comme combustible pourrait être préférable que les particules plus larges. Cependant, plusieurs difficultés limitent l'utilisation des particules ultrafines dans les applications de combustibles et carburants. La plupart d'entre eux sont attribuées à la formation d'une couche d'oxyde sur les particules qui empêchent un bon rendement dans le processus de combustion. Dans les applications de bore comme carburant, ces difficultés pratiques d'allumage et de la complète combustion ont jusqu'à présent limité l'utilisation extensive de bore pour la demande de carburant. L'application des revêtements non oxydés sur les particules a été indiquée pour les protéger contre l'oxydation prématurée et à améliorer leurs propriétés de combustion. Un certain nombre de méthodes ont été proposées pour enrober des particules de métal avec une variété de composés organiques ou d'autres métaux. Les applications courantes suggèrent les enrobages par des hydrocarbures saturés ou des acides gras, tels que l'acide oléique, en tant que moyen de passivation des particules. Récemment, le broyage de haute énergie en combinaison avec des réactions chimiques a été appliqué à fabriquer des particules métalliques de taille nanométrique, enrobés par des composés organiques. Des avantages de cette technique c'est que la passivation est intégrée à la production de particules dans une seule étape. Par exemple, le broyage réactif de poudres de bore dans une solution d'acide oléique a causé une amélioration de leur réactivité. Toutefois, la polyvalence de la technique de broyage mécanique suggère la possibilité d'enrobage de particules avec des composés organiques variés. Ainsi, le changement de revêtement organique traditionnel par de nouvelles molécules qui peuvent encore améliorer les propriétés des particules est un exceptionnel défi. La première contribution de ce travail est d'étudier le processus de broyage réactif de poudres métalliques, tels que le bore et l'aluminium, pour une meilleure compréhension de la méthode expérimentale, qu'on propose comme moyen d'obtenir des particules métalliques enrobées par de polymères énergétiques. À cet effet, une étude expérimentale comparative a été réalisée afin d'évaluer deux variantes du broyage mécanique. Dans une procédure typique, les poudres métalliques et les réactifs sont versés dans le flacon de broyeur au démarrage. Les réactions organiques se produisent en même temps que le procédé de broyage. Au contraire, dans la procédure alternative, les poudres sont broyées au préalable avant l'addition du réactif organique, donc un processus pas à pas est effectué. Pour les deux méthodes, un composé organique fonctionnalisé a été greffé sur les particules, par la suite ils ont été incorporés dans une matrice de polymère énergétique pour fabriquer le composite métal-polymère. Les résultats mettent en évidence les différences dans la forme et la taille des particules, l'identification des inconvénients pour les deux applications, ainsi que, l'analyse des effets sur les propriétés de combustion des poudres organiques enrobées et des métaux composites à base de liants. Le polymère de l'azoture de glycidyl a été choisi le candidat pour enrober les particules en raison de ses bonnes propriétés énergétiques. Comme la viscosité du mélange augmente lorsque la taille des particules diminue, les réactifs de faible viscosité sont recommandés pour éviter la viscosité très élevée. Le poids moléculaire du GAP peut varier de 700 à 5500 et le nombre de groupes hydroxyles terminaux de 0 (GAP plastifiant) à 3. Parmi ces polymères, le GAP plastifiant (700 g mol-1, à faible viscosité) possède de bonnes propriétés qui facilitent son emploi dans un procédé de broyage réactif. Toutefois, certains groupes fonctionnalisés sont nécessaires pour greffer le polymère sur les particules métalliques et le GAP plastifiant ne portent pas de groupes hydroxyle téléchélique. Pour obtenir une meilleure réactivité de ce polymère et la surface du métal frais, le GAP plastifiant a été modifiée chimiquement pour apporter quelques branches de fonction acides supplémentaires dans la chaîne principale. La méthode directe pour l'enrobage des particules métalliques avec le polymère de l'azoture de glycidyl modifié a montré plus d'efficacité pour former la couche énergétique, qui a influencé la dispersion des poudres dans des polymères et accrut la libération totale d'énergie par la combustion de composite métal-polymère. La dernière phase de cette recherche concerne la production de composites bore polymère à des fins de combustion. Le bore a un très haute pouvoir calorifique sur un base massique, (58 kJ/g) mais aussi, et surtout, par unité de volume (136 kJ/ cc). Cela dépasse clairement l'autre métaux ou autres combustibles hydrocarbonés classique en masse et volumétrique production de l'énergie. Malgré cette favorable énergie potentielle, le bore a rarement atteint son potentiel dans les systèmes de propulsion alors que l'aluminium est le métal le plus couramment employé dans la préparation des propergols solides composites. Un certain nombre d'études consacrées à la combustion de bore attribuent sa performance réduite à quelques propriétés du métal. La couche d'oxyde de bore (B2O3) sur les particules est très stable, ce qui conduit à longue durée de retard d'allumage. Ainsi, le bore élémentaire s'enflamme en deux étapes. La première étape correspond à la combustion de bore revêtue d'une couche d'oxyde, dans un second stage se donne l'achèvement de la combustion du bore particule nu. L'utilisation de métaux légers, tels que le magnésium et l'aluminium en tant qu'additifs dans des formulations de bore ont été indiquée comme un moyen pour améliorer son efficacité de combustion. Récemment, des améliorations de l'efficacité de la combustion de bore ont été associées à l'utilisation du magnésium et de l'aluminium ajoutés à des formulations. Le mécanisme proposé pour ces améliorations est l'enlèvement de l'oxyde de bore par la réaction avec de l'aluminium et les dégagements de chaleur supplémentaires apportés par l'allumage rapide du magnésium. Dans ce travail, il a été proposé l'application d'une couche de polymère énergétique sur les particules de bore, qui en plus de la libération d'une quantité importante d'énergie apporte d'autres avantages sur le plan de l'application finale des particules comme carburant (par exemple, la dispersion de particules dans un liant de polymère).