在将化学能转化为受控运动的许多应用中，如火箭、燃气轮机、锅炉和一些车辆的发动机，具有高能密度的液体燃料必不可少。除了燃烧特性和性能，在使用时以及运输和储存期间，保证这些燃料的安全性和稳定性也很重要。
在处理液体燃料时，常见的一类风险是这些燃料会在既定空间内很快蒸发，从而产生高度易燃气雾。显而易见，这很容易引起严重的爆炸或火灾事故。为了解决这一问题，研究人员考虑使用凝胶状燃料，或者使燃料在低温下变成厚凝胶状物质。然而，为了实现这一目标，还需要进行多方面优化，并克服一系列障碍。
据外媒报道，最近，日本芝浦工业大学（SIT）和东京工业大学（Tokyo Tech）的研究人员就液体燃料安全问题探讨一项更具吸引力的解决方案，即将这些燃料储存在聚合物凝胶网状物中。在本项研究中，该团队分析储存在化学交联聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPPAm）凝胶中的乙醇的性能、优势和局限性。乙醇是一种常见的液体燃料。
首先，研究人员检测将乙醇分子限制在长且化学交织的PNIPPAm聚合物链中，是否有助于降低其蒸发速率。为了做到这一点，研究人员创建了上面载有乙醇的小球状PNIPAAm凝胶，并将其放在电子秤上，以记录乙醇汽化时的质量变化。另外，还对等量的乙醇进行了这样的实验，其表面积和质量与凝胶球大致相同。
研究人员发现，将乙醇储存在聚合物凝胶中，可以彻底抑制燃料的快速蒸发趋势。这可能是因为乙醇分子被“限制”在凝胶中。芝浦工业大学的Naoki Hosoya教授表示：“聚合物凝胶中包含不可计数的以强化学交联的三维聚合物链。这些链通过不同的物理相互作用约束乙醇分子，从而限制其蒸发。”有趣的是，载荷凝胶跟湿毛巾不一样。拧干湿毛巾可以释放液体，而聚合物凝胶在外力作用下不易释放乙醇。
该团队解决了蒸发问题，又探讨聚合物凝胶网状物中乙醇的实际燃烧特性，观察其是否能够有效燃烧。研究人员点燃大小各异的、载有乙醇的凝胶球，并实时观察其质量和形态变化。在此基础上，研究人员确定载荷PNIPAAm凝胶球的燃烧包括两个阶段，第一个阶段以纯乙醇燃烧为主；第二阶段以PNIPAAm聚合物自身燃烧为主。
随后，研究团队对这些结果进行理论分析并得出重要结论：载荷PNIPAAm凝胶球的第一个主燃料阶段遵循恒定的液滴温度模式，也就是常说的“d2定律”。这意味着二者的燃烧性能应该具有相似性，可以用与液体燃料液滴相同的模式，来描述载荷PNIPAAm凝胶球的燃烧状态。
总的来说，这项研究为发展在聚合物凝胶中安全运输和储存液体燃料的方法打下基础。“采用聚合物凝胶储存方法，有助于防止发生爆炸和起火事故。因为这样可以减轻燃料蒸发现象，尽量避免形成易燃气体混合物。在储存设施泄漏后，很容易发生这样的情况。”Hosoya教授表示，“当然，在这方面仍有很多工作要做，例如检查聚合物凝胶在不同温度、压力和湿度条件下的稳定性和性能，以及开发更简单的制造程序和更好的方法，以在真正的发动机中使用这些载有燃料的凝胶。”
扫一扫关注微信
