СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬФА ГИДРИДА АЛЮМИНИЯ
METHOD OF PRODUCING ALPHA ALUMINIUM HYDRIDE

Изобретение относится к области неорганической химии и может быть использовано для получения стабилизированного альфа гидрида алюминия (ГА) высокой насыпной плотности. ГА находит применение в качестве энергетического компонента топливных элементов и твердых ракетных топлив (Твердые топлива реактивных двигателей / В.Н. Аликин, А.В. Вахрушев, В.Б. Голубчиков, А.С. Ермилов, A.M. Липанов, С.Ю. Серебренников; под ред. Академика A.M. Липанова, - М.: Машиностроение, 2011).
Важнейшим технологическим параметром, позволяющим увеличить содержание ГА в различного рода энергетических материалах является его фракционный состав. Косвенным параметром, определяющим оптимальный фракционный состав является величина насыпной плотности порошкообразного материала (Energetic Materials. / Ed. by U. Teipel. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2005).
Известен способ получения альфа гидрида алюминия, включающий реакцию между хлоридом алюминия (ХА) и лития алюмогидридом (ЛАГ) с образованием раствора эфирного комплекса гидрида алюминия и выпадением осадка хлорида лития, дозирование раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол, содержащий модифицирующую добавку и выделение целевого продукта из нагретого толуола (US 7238336, МПК C10L 1/12, C07F 5/06, C01B 6/00, опубл. 03.07.2007).
Недостатками данного способа, помимо невысокого выхода целевого продукта (50-55%) и опасности процесса синтеза, является невозможность эффективного регулирования фракционного состава продукта, который получается низкой насыпной плотности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ получения ГА (RU 2602141, МПК C07F 5/06, C01B 6/00, C01B 6/06, опубл. 10 11.2016).
Способ получения альфа гидрида алюминия, включающий реакцию между хлоридом алюминия и лития алюмогидридом в температурном интервале от -40°С ÷ -15°С с образованием раствора эфирного комплекса гидрида алюминия и выпадением осадка хлорида лития, дозирование раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол и отделение целевого продукта от толуола.
Недостатками способа является образование ГА с низкой насыпной плотностью, а также необходимость переноса выпавшего в осадок хлорида лития в реактор кристаллизации вручную, что является дополнительной технологической операцией.
Для получения целевого продукта с высокой насыпной плотностью, которая необходима для эффективного применения ГА в качестве энергетического компонента, необходим рассев получаемого продукта на ситах. Рассев ГА на ситах является опасным процессом, так как пыль ГА взрывоопасна, а сам продукт чувствителен к разрядам статического электричества.
В рамках данного изобретения была поставлена задача получения стабилизированного альфа гидрида алюминия (ГА) повышенной насыпной плотности с целью исключения опасной стадии рассева продукта на ситах и исключения технологической стадии переноса осадка хлорида лития в кристаллизатор.
Поставленная задача с указанным техническим результатом достигается тем, что в способе получения альфа гидрида алюминия, включающем реакцию между хлоридом алюминия и лития алюмогидридом в температурном интервале от -40°С ÷ -15°С с образованием раствора эфирного комплекса гидрида алюминия и выпадением осадка хлорида лития, дозирование раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол, отделение целевого продукта от толуола, согласно изобретению дозирование в нагретый толуол осуществляют при температуре, лежащей в интервале 50°С ÷ 70°С с последующей выдержкой в указанном интервале температур в течение 30-60 минут, после чего температуру толуола повышают до 70-105°С со скоростью 1-5 градусов в минуту.
При проведении дозирования раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол с температурой, лежащей в интервале 50°С ÷ 70°С, с последующей выдержкой в указанном интервале температур в течение 30-60 минут на кристаллах хлорида лития возникают зародыши кристаллов гидрида алюминия в смеси с не до конца распавшимся эфирным комплексом гидрида алюминия.
При дальнейшем повышении температуры до 70-105°С со скоростью 1-5 градусов в минуту формируется целевой продукт с заданным фракционным составом, который позволяет достичь высоких насыпных плотностей. При скорости повышения температуры, находящейся вне диапазона 1-5 градусов в минуту, выход целевого продукта и насыпная плотность резко снижаются.
Преимущественным вариантом осуществления изобретения является дозирование раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в толуол, нагретый до температуры в диапазоне 50°С ÷ 70°С, в течение диапазона времени от 5 до 60 минут. При дозировании за время менее 5 минут наблюдается бурное протекание реакции, которое может сопровождаться выплескиванием нагретого толуола, тогда как время дозирования, превышающее 60 минут, приводит к плавному снижению выхода целевого продукта.
Новая совокупность признаков, указанных в п. 1 формулы, позволяет решить задачу получения стабилизированного альфа гидрида алюминия с высокой насыпной плотностью непосредственно по окончании синтеза, тем самым исключая опасную стадию рассева на ситах. Проведение процесса согласно предлагаемому способу позволяет проводить дозирование раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол вместе с выпавшим в осадок хлоридом лития без риска значительного снижения выхода целевого продукта. Тем самым существенно упрощается технологический процесс, так как извлеченный осадок хлорида лития имеет тенденцию слипаться на воздухе и последующее его диспергирование в нагретом толуоле представляет существенные затруднения.
Для определения параметров полученного альфа гидрида алюминия методом электронно-микроскопического анализа получают фотографии кристаллов, по которым проводят их морфологический и дисперсионный анализ.
Методом рентгенофазового анализа устанавливают принадлежность к кристаллографической группе симметрии и определяют параметры кристаллической решетки. Полученный ГА имеет гексагональную модификацию кристаллической решетки и, следовательно, является альфа гидридом алюминия.
3
3
Насыпная плотность целевого продукта (после утряски) составляет 0,70-0,90 г/см, тогда как насыпная плотность продукта, полученного по способу, заявленному в прототипе, не превышает 0,55 г/см.
Сущность предлагаемого способа может быть пояснена примерами 1-7.
Пример 1.
В стеклянном реакторе на 3 л, снабженном мешалкой, 125 г ЛАГ растворяют при комнатной температуре в 1200 мл смеси эфира и толуола (3:1) под атмосферой сухого аргона. В другом реакторе на 4 л, снабженном мешалкой и охлаждающей рубашкой, в 300 мл смеси эфира и толуола растворяют 132 г ХА под атмосферой сухого аргона. При растворении ХА алюминия удерживают температуру ниже -20°С. После чего проводят реакцию между ХА и ЛАГ с образованием раствора эфирного комплекса гидрида алюминия, параллельно захолаживая реакционную массу до -20°С. Раствор перемешивают около 20 минут. Охлажденный раствор эфирного комплекса гидрида алюминия непрерывно, в течение 20 минут, дозируют в нагретый до 60°С толуол, находящийся в реакторе для кристаллизации. Во время дозировки раствора эфирного комплекса гидрида алюминия начинается постепенная отгонка эфира в специальную емкость. В процессе дозирования раствора эфирного комплекса гидрида алюминия необходимо удерживать указанную температуру нагретого толуола, не допуская ее просадки ниже 50°С. После окончания дозирования раствора эфирного комплекса гидрида алюминия в нагретый толуол проводят выдержку при 60°С. Время выдержки в нагретом толуоле составляет 45 минут. По прошествии указанного времени температуру толуола повышают до 100-105°С. Скорость повышения температуры толуола после выдержки составляет 3 градуса в минуту. После прекращения выделения эфира смеси дают остыть до комнатной температуры. Затем, при охлаждении и перемешивании, сначала по каплям, а после прекращения активного газовыделения - тонкой струей, добавляют 700 мл 15% соляной кислоты. Во время добавления кислоты температуре не дают подняться выше 35°С. Через 30 минут перемешивание прекращают и нижний, кислотный слой, содержащий суспензию продукта, сливают в специальную емкость. Гидрид алюминия отделяют промывкой водой до нейтральной реакции, а затем промывают спиртом. Выход 103 г (87%).
Примеры 2-7 отличаются от примера 1 различными режимами дозирования и выдержки и представлены в таблице 1.
3
Из анализа данных таблицы 1 следует, что выбранные режимы дозирования и выдержки позволяют получать качественный стабилизированный альфа гидрид алюминия с насыпной плотностью в пределах 0,70-0,90 г/см, непосредственно по окончании синтеза, тем самым исключая опасную стадию рассева на ситах, с одновременным повышением технологичности процесса.
Полученный согласно изобретению стабилизированный альфа-гидрид алюминия может быть использован:
- в качестве энергетического компонента топливных элементов,
- в качестве энергетического компонента твердых ракетных топлив.