利用熔融喷雾技术制备掺杂纳米铝粉的复合微球

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Fabrication of composite microspheres doped with nano-aluminum powder using melt spray technology

熔喷技术制备SOA/Al复合微球，系统研究工艺参数（压力/温度）、配方组成（纳米Al含量、PEG:PVP比例）及储存条件（4℃）对粒径（D50=35.09μm）、圆度（0.85）及稳定性的影响，实现高效制备（20分钟78g），XRD和DSC证实快速冷却形成非晶结构，为功能复合材料开发提供新策略。

　　本研究探讨了一种用于制备高能复合微球的熔融喷雾技术。该技术是一种高效的制造方法，能够生成具有特定尺寸和形态的球形微纳米复合材料，广泛应用于催化剂和制药领域。本研究首次将该技术拓展到高能复合微球的制备，通过将纳米铝粉（nano-Al）与惰性替代物蔗糖八乙酸酯（SOA）结合，系统地研究了工艺参数、配方组成和储存条件对微球尺寸、形态和稳定性的综合影响。

熔融喷雾技术的核心在于将含有功能性粉末的熔融材料通过喷嘴喷出，然后在冷却介质中迅速固化，最终形成微米级的颗粒。这一过程无需溶剂蒸发，因此避免了传统喷雾干燥法所带来的残留溶剂问题和高能耗缺陷。此外，该技术具备操作简便、生产效率高、颗粒尺寸可调等优势，使得最终获得的复合微球具有致密、实心的结构，并能以自由流动的粉末形式收集，省去了复杂的后处理步骤。这种特点使得熔融喷雾技术在高能材料的制备中展现出良好的应用前景。

纳米铝粉作为一种高能金属燃料，因其高燃烧热值和密度而被广泛用于高能系统中。然而，在燃烧过程中，纳米铝粉容易发生聚集，影响其整体性能。为解决这一问题，研究人员通常通过将纳米铝粉与高能氧化剂复合，从而提高其在燃烧过程中的分散性和稳定性。这种高能复合微球不仅具有较高的能量密度，还表现出优异的燃烧性能、高堆密度以及较低的敏感性，使其在安全加工和运输方面具有显著优势。

尽管如此，当前的高能复合微球制备方法仍面临诸多挑战，如对颗粒尺寸和形态的控制不够精确，以及难以实现工业化规模的生产。这些问题限制了高能复合材料在实际应用中的推广。熔融喷雾技术因其在高能复合微球制备中的独特优势，成为解决这些问题的有力工具。该技术能够高效、低成本地实现颗粒形态的可控，同时适用于连续、大规模的制造过程，从而满足高能系统对材料性能和生产效率的双重需求。

为了确保实验的安全性和经济性，本研究采用了一种惰性替代物与纳米铝粉结合的模型系统。蔗糖八乙酸酯（SOA）因其与部分高能氧化剂相似的物理和化学特性，被选为该研究的惰性替代物。这一策略为模拟高能材料中纳米铝粉的复合形成和塑形过程提供了一个可控且安全的平台。通过使用熔融喷雾技术，成功制备了SOA/Al复合微球，并进一步探讨了工艺参数和配方设计对微球特性的影响。

在实验过程中，研究人员调整了喷雾气压和温度等关键参数，发现较高的喷雾气压和温度显著降低了微球的中位粒径（D50）。在150°C和200kPa的条件下，D50达到了35.09μm，表明该技术能够有效控制微球的尺寸。此外，研究还发现，添加2.5%（质量分数）的聚乙二醇与聚乙烯吡咯烷酮（PEG:PVP, 1:1）混合物可以显著改善微球的球形度，使其从0.67提升至0.85。这表明，通过合理的配方设计，可以进一步优化微球的形态和结构。

除了工艺参数的优化，本研究还对微球的储存条件进行了评估。实验结果表明，快速冷却能够使微球形成非晶态结构，而将其储存于4°C的环境中则有助于保持其结构的稳定性。这一发现对于理解微球在不同环境下的行为具有重要意义，并为后续的储存和运输提供了理论依据。

在实际应用中，熔融喷雾技术能够实现高效的实验室规模生产，仅需20分钟即可制备78克的复合微球。这一生产效率不仅降低了实验成本，还为未来的工业化生产奠定了基础。通过系统的研究，本研究揭示了熔融喷雾技术在制备高能复合微球过程中的关键控制因素，并为相关材料的进一步开发提供了基本数据和工艺参考。

此外，本研究还探讨了后处理方法对微球物理稳定性的影响。通过对比不同储存条件下的微球性能，研究人员发现适当的后处理可以显著提高其稳定性和使用寿命。这一发现为高能复合材料的实际应用提供了重要的指导意义。

综上所述，本研究通过熔融喷雾技术成功制备了SOA/Al复合微球，并深入分析了其在不同工艺参数和储存条件下的表现。研究结果表明，该技术能够有效控制微球的尺寸和形态，同时保持其结构的稳定性。这不仅为高能复合材料的制备提供了一种可行的解决方案，也为未来在高能系统中的广泛应用奠定了基础。本研究的成果有望推动高能材料领域的发展，特别是在需要高能量密度、良好燃烧性能和安全处理条件的应用场景中。