專利名稱:一種固體醇燃料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種固體燃料,具體涉及一種便攜、安全、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)母邿嶂倒腆w醇燃料及其制備方法。
背景技術(shù):
固體燃料作為一種可隨身攜帶、安全方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的餐飲熱源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用和民用。在軍用熱源上,烏洛托品固體燃料由于在常溫下有較大的強(qiáng)度,便于貯藏,而且熱值很高,因而至今仍然作為單兵作戰(zhàn)所需燃料,在國外或國內(nèi)部隊(duì)中被廣泛使用。該產(chǎn)品為白色固體狀,可戶外使用,攜帶方便、不易揮發(fā)。但是,由于其化學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)(分子式為(CH2)6N4),燃燒時(shí)易產(chǎn)生對(duì)人體及環(huán)境有害的氮氧化合物,且不易充分燃燒,會(huì)產(chǎn)生大量黑煙,污染加熱用具,給重復(fù)使用帶來不便,特別是在高原缺氧情況下,燃燒質(zhì)量低,很難發(fā)揮固體燃料的優(yōu)點(diǎn),并且原料烏洛托品的價(jià)格較高,市場(chǎng)競爭力差。
另一方面,在民用熱源上,現(xiàn)已出現(xiàn)了很多種新型燃料固體酒精,較傳統(tǒng)的木炭,其具有一點(diǎn)即燃、火焰大小均勻、火焰溫度均勻、火焰偏差小,沒有粉塵和炭灰飄落,安全清潔,使用方便高雅,攜帶方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于火鍋燃料及野外熱源。目前文獻(xiàn)介紹最新的固體酒精燃料(固體酒精燃料生產(chǎn)工藝的改進(jìn),王茂元等,應(yīng)用科技,2002年4月,Vol.29,No.4,P52-53),利用工業(yè)酒精、氫氧化鈉、硬脂酸、石蠟、硝酸銅為主要原料加工而成。這樣制備得到的固體燃料產(chǎn)品,仍然存在很多不足其一,熔點(diǎn)相對(duì)低不能在較高溫度下保存很長時(shí)間;其二,在制備過程中,容易就發(fā)生了局部凝膠現(xiàn)象,很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn);其三,在氣壓低,氧氣不足的條件下,燃燒真空度不夠,持續(xù)時(shí)間較短,不能在高海拔環(huán)境中使用。因此,不能滿足軍用固體醇燃料的裝備要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有易點(diǎn)燃、燃燒熱值高、無黑煙、無異味,燃燒后殘?jiān)?,高溫條件下儲(chǔ)存期長,不軟化分離等特點(diǎn)并適于高原缺氧環(huán)境中使用的固體醇燃料。
本發(fā)明的另一目的是提供這種固體醇燃料的制備方法。
本發(fā)明的固體醇燃料,其由以下組分按重量百分?jǐn)?shù)組成工業(yè)酒精 90.73%,硬脂酸4.76%,
NaOH 0.62%,石蠟1.30%,蒸餾水 2.59%。
其中,所述工業(yè)酒精的質(zhì)量濃度為95%。
本發(fā)明提供一種固體醇燃料的制備方法,按照上述組配,全部操作在70℃下進(jìn)行,將硬脂酸、石蠟和工業(yè)酒精的55.7%在三口燒瓶中加熱并攪拌回流,將氫氧化鈉、蒸餾水和44.3%工業(yè)酒精在錐形瓶中加熱,然后將錐形瓶中的溶液緩慢注入三口燒瓶中,混合后的溶液繼續(xù)在70℃加熱攪拌,趁熱將其倒入容器中,自然冷卻,凝固成型得到的均勻、半透明的凝膠狀固體即為固體醇燃料。
上述制備方法中,全部操作在水浴溫度為70℃的恒溫水槽中進(jìn)行。
所述制備方法具體操作為第一步,將硬脂酸在酒精中溶解①固定恒溫水槽的水浴溫度為70℃,電動(dòng)攪拌器的攪拌轉(zhuǎn)速為250r/min。
②分別稱取硬脂酸、石蠟和工業(yè)酒精中的55.7%,依次加入三口燒瓶中。然后在三口瓶上安裝電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)和回流冷凝管;③將三口瓶在水浴中加熱并攪拌,蒸發(fā)的少量酒精經(jīng)回流冷凝管冷凝后回到三口燒瓶中,直至溶解成均勻透明的無色溶液為止。
第二步,將氫氧化鈉在酒精中溶解①分別稱取氫氧化鈉、蒸餾水和工業(yè)酒精的44.3%,依次加入到錐形瓶中;②同時(shí)間也將錐形瓶在與上述相同條件下加熱相同時(shí)間,直至使其成為均勻透明的溶液;第三步,將錐形瓶中的溶液緩慢注入三口燒瓶中,混合后的溶液繼續(xù)在70℃加熱攪拌,反應(yīng)時(shí)間2分鐘,然后趁熱將其倒入容器中,讓其自然冷卻,凝固成型,密封包裝,便可得到均勻、半透明的強(qiáng)度很高的凝膠狀固體醇燃料。
采用本發(fā)明方法制備的固體醇燃料,具有易點(diǎn)燃、燃燒熱值高、無黑煙、無異味,燃燒后殘?jiān)?,在高溫?如50℃以上)儲(chǔ)存期長,不軟化分離等特點(diǎn),尤其在真空缺氧的條件下,依然能夠保持燃燒穩(wěn)定,火焰旺盛,具有良好的燃燒性能,在海拔6300多米的高原或山地環(huán)境中仍然可以燃燒,是其他同類產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明固體醇燃料較普通固體燃料有更廣的適用范圍,在炎熱環(huán)境以及高原缺氧地區(qū)使用具有明顯優(yōu)勢(shì),是沙漠地區(qū)以及高原地區(qū)家居、旅行、運(yùn)動(dòng)、或士兵野外訓(xùn)練以及高原山地作戰(zhàn)的首選熱源。
圖1為固體醇燃燒實(shí)驗(yàn)中平均燃燒速度與燃燒罐直徑之間的定量關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
一種好的固體醇燃料應(yīng)該具有易點(diǎn)燃、燃燒熱值高、無黑煙、無異味,燃燒后殘?jiān)?,便于?chǔ)存,不軟化分離等特點(diǎn)。另外還應(yīng)該具有較好的經(jīng)濟(jì)性,原料易得,工藝簡單,成本低,適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的固體醇燃料由脂肪醇、硬脂酸鈉、分散劑為主要原料,是使脂肪醇在凝膠劑硬脂酸鈉的作用下凝固成所需要的燃燒塊(又稱為方便燃料塊)。利用硬脂酸受熱時(shí)軟化,冷卻后又重新凝固的性質(zhì),將脂肪醇牢牢地包裹在硬脂酸鈉鹽的網(wǎng)狀骨架中。由于硬脂酸鈉鹽的價(jià)格昂貴且市場(chǎng)上不易買到。為此本發(fā)明采用在一定溫度下,將硬脂酸和氫氧化鈉混合反應(yīng)制得硬脂酸鈉,從而大大降低了固體醇燃料的成本。在固體燃料中加入一定量的分散劑,可以改變凝膠的微觀結(jié)構(gòu),增加固體燃料的物理強(qiáng)度,提高固體燃料的穩(wěn)定性,由于所用的分散劑也是一種碳?xì)浠衔铮挥绊懝腆w燃料的燃燒特性,而且能使燃燒得更為持久并能夠釋放出很高的熱能,在實(shí)際應(yīng)用中更加安全方便。
本發(fā)明所用主要原料有工業(yè)乙醇(含乙醇95%)分子式CH3CH2OH,學(xué)名乙醇,俗稱酒精,無色透明液體有酒香氣味、易揮發(fā),易燃,燃燒熱值為29.67kJ/g。折射率1.3651,表面張力(20℃)22.8mN/m,粘度(20℃)1.41mPa·s,蒸氣壓(20℃)5.732kPa,比熱容(23℃)2.58J/(g·℃),閃點(diǎn)12.8℃,相對(duì)密度0.816,沸點(diǎn)78.15℃,凝固點(diǎn)-114℃,自燃點(diǎn)793℃。在本發(fā)明中乙醇為燃料的主要成分,易得價(jià)格便宜。
硬脂酸分子式CH3(CH2)16COOH,學(xué)名十八烷酸。白色帶有光澤的葉片狀固體。分子量284.48,熔點(diǎn)67~70℃,沸點(diǎn)376.1℃(分解),232℃(2.0kPa),相對(duì)密度(20/4℃)0.9408,折射率1.4299(80℃),燃燒熱值為42.98kJ/g。在90-100℃下慢慢揮發(fā)。幾乎不溶于水(20℃時(shí),100毫升水中只溶解0.00029g),溶于酒精,丙酮,易溶于乙醚、氯仿、苯、四氯化碳、二硫化碳、醋酸戊酯和甲苯等。商品硬脂酸實(shí)際上是45%硬脂酸和55%軟脂酸的混合物,并含有少量油酸,略帶脂肪氣味。該品具有刺激性,無毒。在本發(fā)明中作為凝膠的主要成分,是包藏燃料酒精的重要載體。
氫氧化鈉分子式NaOH,俗名燒堿、火堿、苛性鈉等,分子量40.00,密度2.130g/cm3,熔點(diǎn)318℃,沸點(diǎn)1390℃。相對(duì)密度為2.130。純品的氫氧化鈉是無色透明的晶體。不燃燒,但固體易與水或水分接觸可能發(fā)生足夠的熱引燃可燃材料。工業(yè)品氫氧化鈉含有少量氯化鈉和碳酸鈉,是白色不透明固體。市售產(chǎn)品有塊狀、片狀、粒狀和棒狀等,統(tǒng)稱固堿。溶液狀態(tài)的產(chǎn)品俗名液堿。液堿中所含氯化鈉一類的雜質(zhì),要比固堿多。氫氧化鈉溶液具有強(qiáng)堿性,對(duì)皮膚、織物、紙張等有強(qiáng)烈的腐蝕作用,所以在使用時(shí)要特別注意安全。在本發(fā)明中作為硬脂酸皂化反應(yīng)、形成凝膠十分有效的固化劑。
石蠟高分子烴類混合物,為無臭、無味的白色固體(含雜質(zhì)時(shí)則為黃色)。密度隨熔點(diǎn)上升而增加,通常為0.88~0.915g/cm3,熔點(diǎn)50~70℃,沸點(diǎn)300~550℃,燃燒熱值為47.55kJ/g。不溶于水,在醇及酮中溶解度很低,易溶于四氯化碳、三氯甲烷、乙醚、苯、石蠟醚、二硫化碳各種礦物油及大多數(shù)植物油中,通常隨著熔點(diǎn)升高,溶解度降低。屬飽和烴類,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易與堿類、無機(jī)酸及鹵素起反應(yīng)。遇熱熔化,遇高熱則燃燒分解。在本發(fā)明中用作皂化反應(yīng)過程的分散劑,可以抑制局部皂化反應(yīng)形成的結(jié)塊,提高凝膠的均一分布的特性。
實(shí)驗(yàn)原理硬脂酸與氫氧化鈉混合后將發(fā)生下列反應(yīng)
反應(yīng)生成的硬脂酸鈉是一個(gè)長碳鏈的極性分子,室溫下在酒精中不易溶。在一定的溫度下,硬脂酸鈉可以均勻地分散在液體酒精中,而冷卻后則形成凝膠體系,能夠把酒精分子束縛在相互連接的大分子之間,使酒精呈不流動(dòng)狀態(tài),從而得到了固體狀態(tài)的酒精。凝膠過程是一個(gè)非結(jié)晶過程,所以,為了降低凝膠過程的不均勻性,盡可能促進(jìn)凝膠過程的穩(wěn)定進(jìn)行,保證醇類分子穩(wěn)定地被束縛在凝膠體中,所以在凝膠劑和醇類的混合物中加入適量的分散劑極為重要。分散劑的作用主要是使硬脂酸的親油基團(tuán)在分散劑烴類碳?xì)浠衔锏挠H和力下,使得分散均勻,避免鈉鹽的局部過量、凝固結(jié)塊,形成均勻的硬脂酸鈉鹽和脂肪醇的溶液,然后通過降低溫度,使溶液緩慢形成硬脂酸鈉鹽的凝膠狀態(tài),使液態(tài)的脂肪醇均一分散在凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中,形成具有較高硬度和穩(wěn)定性好的固體醇類燃料。
制備本發(fā)明固體醇燃料的工藝條件是設(shè)定好電動(dòng)攪拌器的攪拌轉(zhuǎn)速,將恒溫水槽的水浴升到70℃;再將裝有一定量原料的反應(yīng)釜三口燒瓶置于水浴中加熱一定時(shí)間;同時(shí),在相同水浴溫度下,將裝有一定量原料的錐形瓶加熱相同時(shí)間;然后將錐形瓶中的溶液注入三口燒瓶中,混合反應(yīng)一定時(shí)間;最后將產(chǎn)品趁熱倒入容器內(nèi),自然冷卻后即可得到潔白如玉、硬度很好的固體酒精。
實(shí)施例1、固體醇燃料的制備原料石蠟1.3克,硬脂酸4.76克,NaOH的用量0.62克,工業(yè)酒精90.73克,蒸餾水2.59克。
采用兩步法制備固體醇燃料,實(shí)驗(yàn)步驟為第一步,將硬脂酸在酒精中溶解。具體操作如下①固定恒溫水槽的水浴溫度為70℃,電動(dòng)攪拌器的攪拌轉(zhuǎn)速為250r/min。
②分別稱取硬脂酸、石蠟和50.55克工業(yè)酒精,依次加入三口燒瓶中。然后在三口瓶上安裝電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)和回流冷凝管。
③將三口瓶在水浴中加熱并攪拌,蒸發(fā)的少量酒精經(jīng)回流冷凝管冷凝后回到三口燒瓶中,直至溶解成均勻透明的無色溶液為止。
第二步,將氫氧化鈉在酒精中溶解,具體操作如下①分別稱取氫氧化鈉和蒸餾水加入到錐形瓶中,使之溶解,然后再加入40.18克工業(yè)酒精。
②同時(shí)也加熱攪拌直至成為均勻透明的溶液。
第三步,將錐形瓶中的溶液緩慢注入三口燒瓶中,混合后的溶液繼續(xù)在70℃加熱攪拌,反應(yīng)時(shí)間2分鐘,然后趁熱將其倒入容器中,讓其自然冷卻,凝固成型,密封包裝,便可得到均勻、半透明的強(qiáng)度很高的凝膠狀固體酒精。
實(shí)施例2制備固體醇燃料時(shí)各因素的影響本實(shí)施例詳細(xì)考察對(duì)固體醇燃料產(chǎn)品質(zhì)量具有影響的因素。本實(shí)驗(yàn)中水浴加熱時(shí)間為10min,混合反應(yīng)時(shí)間為2min,機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速250r/min。其中三口燒瓶中酒精(酒精1)用量為50.55g,錐形瓶中酒精(酒精2)用量為40.18g(整個(gè)物料基準(zhǔn)為100g)。
一、溫度的影響基于硬脂酸的熔點(diǎn)為67~70℃,把實(shí)驗(yàn)的溫度t=60℃、65℃、70℃、75℃作為四個(gè)水平,以考察溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品的影響。
實(shí)驗(yàn)所需原料用量如下表1-1考察溫度因素時(shí)實(shí)驗(yàn)原料的用量
其中,酒精1為三口瓶中的用量,酒精2為錐形瓶中的用量,即所用酒精在原料中共占90.73%。
本實(shí)驗(yàn)通過改變恒溫水浴的溫度,考察了溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響,得出的結(jié)論見下表表1-2考察溫度因素時(shí)的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
從表1-2中可以看出,當(dāng)溫度較低(即60℃、65℃),在反應(yīng)釜中已有部分固化,這對(duì)后面的整體固化影響很大,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量;而當(dāng)溫度過高(即75℃),由于接近乙醇的沸點(diǎn),導(dǎo)致醇回流量過大,也發(fā)生了局部超前固化的現(xiàn)象,與溫度過低的情況一樣也是一種不穩(wěn)定操作。所以,溫度為70℃時(shí)的產(chǎn)品在各方面的指標(biāo)都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn),滿足了軍需裝備的要求。
二、分散劑用量的影響在本實(shí)驗(yàn)中,固定其他原料的用量不變,只改變分散劑石蠟的用量,選取五個(gè)水平,以考察分散劑用量的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響(整個(gè)物料基準(zhǔn)為100g)。
本實(shí)驗(yàn)通過改變分散劑的用量,在上述實(shí)驗(yàn)水平下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可得出以下結(jié)論表2考察分散劑用量時(shí)的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
從表2中可以看出,適量分散劑的加入對(duì)產(chǎn)品硬度的影響很大。不加分散劑,產(chǎn)品質(zhì)地較軟,凝膠顆粒大,硬度低,穩(wěn)定性差;如果加入適量的分散劑,則產(chǎn)品的硬度得到提高,可以任意切割,制作各種形狀,潔白如玉,有較高的透明度,這是由于適量的分散劑對(duì)硬脂酸的烴類基團(tuán)具有親和性,能夠避免局部因酸堿濃度過高而凝固的現(xiàn)象,起到了極其有效的分散作用。但當(dāng)分散劑過多時(shí),由于溶解性的差異,易出現(xiàn)分層現(xiàn)象,而且,固化劑加入后易出現(xiàn)混濁現(xiàn)象。當(dāng)分散劑的加入量為1.30g時(shí),所得產(chǎn)品在各方面的性能指標(biāo)最符合要求。
三、固化劑用量的影響根據(jù)硬脂酸與氫氧化鈉的酸堿反應(yīng)可知,固化劑氫氧化鈉的用量直接影響硬脂酸與氫氧化鈉的反應(yīng)摩爾比,本實(shí)驗(yàn)在保持酒精和硬脂酸的量不變的情況下,進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)。先改變氫氧化鈉的量,將其調(diào)整到一個(gè)合適的摩爾比。在固化劑的最佳用量已經(jīng)確定下來后,保持固化劑的量不變,然后再調(diào)整酒精的量,通過這樣一系列的探索和實(shí)驗(yàn)研究,確定最佳的固化劑和酒精的量。
在本實(shí)驗(yàn)中,固定其他原料的用量不變,把NaOH與硬脂酸的摩爾比0.73∶1、0.83∶1、0.92∶1、1.02∶1、1.12∶1作為五個(gè)水平,以考察固化劑用量的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響(整個(gè)物料基準(zhǔn)為100g)。
表3考察固化劑用量時(shí)的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
從表3中可以看出,適量固化劑的加入對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響也很大。固化劑為NaOH和少量水,其中少量水主要作用是使NaOH處于離子狀態(tài),使之與硬脂酸的反應(yīng)更為充分完全,從而得到所需的凝膠劑硬脂酸鈉鹽。NaOH的用量加得過多或過少,都達(dá)不到預(yù)期的效果。所以,當(dāng)固化劑的加入量為0.62g時(shí),所得產(chǎn)品在各方面的性能指標(biāo)最符合要求。
四、酒精中含水量的影響一般來說,工業(yè)用酒精的純度≥95%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。如果酒精中含水量過多,由于水對(duì)鈉鹽的溶解特性,會(huì)破壞凝膠的強(qiáng)度,對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生很大影響,并且還會(huì)降低產(chǎn)品的燃燒熱值,影響固體酒精燃料的使用性能。
在本實(shí)驗(yàn)中,將酒精的純度作為一個(gè)考察指標(biāo),即將原料酒精中水所占的質(zhì)量分率1%、3%、5%、7%、9%作為五個(gè)水平,以考察酒精的含水量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響(整個(gè)物料基準(zhǔn)為100g)。
實(shí)驗(yàn)所需原料各組分用量如表2-4所示本實(shí)驗(yàn)將酒精的純度(即酒精中的含水率)作為變量,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表4-1考察酒精中含水率時(shí)實(shí)驗(yàn)原料的用量
其中,酒精1為三口瓶中的用量,酒精2為錐形瓶中的用量,即所用酒精在原料中共占90.73%。
表4-2考察酒精純度因素時(shí)的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
從表4-2中可以看出,酒精中含水量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。當(dāng)酒精的含水量過少時(shí),在反應(yīng)釜中已有局部固化現(xiàn)象;當(dāng)酒精的含水量過高時(shí),由于水對(duì)鈉鹽的溶解特性,凝膠的強(qiáng)度將破壞,產(chǎn)品的質(zhì)量受到很大影響,產(chǎn)品的燃燒熱值會(huì)降低。所以,當(dāng)酒精的含水量為5%,所制得的產(chǎn)品效果最佳。
通過以上實(shí)驗(yàn)確定本發(fā)明最佳工藝條件以及原料配比為操作溫度70℃,固體醇燃料的化學(xué)組分分別為按重量比,分散劑1.30%,硬脂酸4.76%,NaOH的用量0.62%,質(zhì)量濃度為95%工業(yè)酒精90.73%,蒸餾水2.59%。采用該工藝生產(chǎn)的固體醇燃料外觀光滑平整,潔白如玉,凝膠顆粒均勻細(xì)致,硬度大,穩(wěn)定性高,耐熱性能良好,質(zhì)地均勻,易成型包裝,特別適合中小企業(yè)和家庭生產(chǎn),具有廣闊的市場(chǎng)前景。
實(shí)施例3、固體醇燃料的性能測(cè)試該實(shí)施例中所用本發(fā)明固體醇燃料均采用實(shí)施例2優(yōu)化工藝條件與原料配比制備得到。對(duì)照的類似產(chǎn)品(對(duì)照品1),原料用工業(yè)酒精500ml、氫氧化鈉2.5g、硬脂酸14.5g、石蠟4.0g、水10g為主要原料用與實(shí)施例2同樣工藝加工而成。對(duì)照樣烏洛托品(對(duì)照品2)軍用固體燃料購自北京東新國際保健品有限公司。
1、固體醇燃料的熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法在一個(gè)穩(wěn)定的超級(jí)恒溫水浴進(jìn)行,具體的操作步驟如下測(cè)定前,先將水浴溫度降至40℃,將已放入樣品的小錐形瓶固定于水浴槽中,慢慢加熱。一開始每隔20min,進(jìn)行一次升溫,每次升溫幅度為4℃,然后保持20min,仔細(xì)觀察錐形瓶,無異?,F(xiàn)象發(fā)生。繼續(xù)升高溫度,當(dāng)水浴溫度達(dá)到48℃時(shí),每隔30min,進(jìn)行一次升溫,每次升溫幅度為1℃,然后保持30min,仔細(xì)觀察錐形瓶中現(xiàn)象。當(dāng)錐形瓶中樣品開始出現(xiàn)塌落和濕潤現(xiàn)象,而且還出現(xiàn)下滴液體,這表明樣品已開始熔化,記下此時(shí)溫度即為熔點(diǎn)。
熔點(diǎn)測(cè)定,至少有兩次重復(fù)的數(shù)據(jù),每一次測(cè)定都必須更換新的錐形瓶。
在重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)之后,可以確定在水浴槽的設(shè)定溫度51℃下,水浴槽的實(shí)際溫度為52℃,所以確認(rèn)為固體醇燃料的熔點(diǎn)為52℃。
為此由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在本發(fā)明最佳工藝條件下制得的固體醇燃料熔點(diǎn)為52℃,具有良好的物理性能,可長時(shí)間儲(chǔ)存,便于攜帶或運(yùn)輸。同樣方法測(cè)定的對(duì)照品1的熔點(diǎn)為50℃。
2、固體醇燃料的燃燒實(shí)驗(yàn)燃燒實(shí)驗(yàn)方法如下,在電子天平上放上隔熱裝置,然后在上面放上所要加熱的小容器,放入固體燃料,點(diǎn)火燃燒,定時(shí)記下燃燒時(shí)間與固體燃料減少的量,通過這些數(shù)據(jù)能計(jì)算出燃燒的速度以及燃燒過程的平均燃燒速度,還可以計(jì)算出燃燒過程的殘?jiān)省?br>
殘?jiān)实挠?jì)算公式如下
殘?jiān)?
實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見表5。
由上述結(jié)果分析可知,不同直徑的燃燒容器,固體醇燃料在其中的燃燒速度是不同的。在相同的燃燒用量的條件下,容器的面積,即直徑越大,燃燒的火焰越旺,燃燒時(shí)放出的熱量越高,因而燃燒速度就越快,固體醇燃料的平均燃燒速度是隨著直徑的減少而降低的。而且,當(dāng)燃燒盤直徑小時(shí),殘?jiān)肯鄬?duì)較高,這是因?yàn)槿紵龝r(shí)揮發(fā)出的脂肪醇與空氣中的氧氣接觸不夠充分,燃燒時(shí)不夠完全,得到的殘?jiān)匀簧远唷?br>
結(jié)合以上六組實(shí)驗(yàn)所得出的平均燃燒速度,利用非線性回歸可以得到燃燒速度與直徑之間的定量關(guān)系曲線,如圖1所示。曲線方程為Y=0.013X1.833,相關(guān)系數(shù)為0.9932。說明相關(guān)性很好,其中Y表示燃燒速度,單位為g/s,X表示為容器的直徑,單位為cm。
該方程說明,燃燒速度與燃燒容器的面積不呈線性關(guān)系。在相同實(shí)驗(yàn)條件下,固體醇燃料在不同的燃燒容器中的燃燒速度是不一樣的。從能量傳遞角度來看,燃燒面積過大,能量損失就越大,所以要根據(jù)被加熱的容器底面積來合理地確定燃燒容器的尺寸。這種燃燒速度與直徑之間的定量關(guān)系揭示了燃燒的特性。由回歸曲線還可知道,固體醇燃料在各個(gè)不同面積的燃燒容器中燃燒時(shí)的平均燃燒速度,同時(shí)還可以計(jì)算出,不同時(shí)間下固體醇燃料的消耗量。
3、固體醇燃料的水加熱實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方法與燃燒實(shí)驗(yàn)類似,把400g冷水架在裝有13.8克固體醇燃料的燃燒盤之上,點(diǎn)燃后,定時(shí)記下燃燒時(shí)間與水的溫度,通過這些數(shù)據(jù)即可得出固體醇燃料加熱水實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫升高與燃燒時(shí)間的關(guān)系。其中400g水正是野外作業(yè)時(shí)煮一袋方便面所需要的水量。
在達(dá)到沸騰以后,能持續(xù)燃燒至少3分鐘,滿足了野外作業(yè)的使用要求。
類似方法用烏洛托品軍用固體燃料進(jìn)行燒水試驗(yàn)。結(jié)果顯示,有燃燒容器時(shí),燃燒速度明顯下降,火力較小,在環(huán)境溫度較冷的情況下,很難將水燒開;無燃燒容器的烏洛托品在達(dá)到沸騰以后,還能持續(xù)燃燒3分鐘以上,滿足了野外作業(yè)的使用要求。實(shí)驗(yàn)過程觀察到烏洛托品軍用固體燃料從點(diǎn)火到整個(gè)燃燒需要40秒,不易點(diǎn)燃,容易熄滅。
該實(shí)驗(yàn)說明燃燒條件下,環(huán)境的中氧氣的濃度以及氧氣的傳遞速度十分重要,而固體醇燃料在相同條件下燃燒性能就更好,即使在稍加缺氧的條件下,也能充分燃燒,與烏洛托品軍用固體燃料相比,更能適應(yīng)高原地區(qū)。
另外,從燃燒的實(shí)驗(yàn)還可以看到烏洛托品固體燃料燃燒時(shí),因氮氧化合物等有毒、刺鼻氣味氣體的排放,嚴(yán)重污染了環(huán)境,特別在室內(nèi)或帳篷中燃燒時(shí),對(duì)人體的危害很大。在這兩種條件下燃燒,最終結(jié)果都可以看到,被加熱容器的加熱面上殘留大量的煤煙黑灰,很難清除,給重復(fù)使用帶來不便,因而降低了固體燃料便捷性的特點(diǎn)。
4、固體醇燃料的貯存實(shí)驗(yàn)為了考察固體醇燃料的貯存條件,在高溫下對(duì)固體醇燃料進(jìn)行反復(fù)的水浴加熱實(shí)驗(yàn),通過對(duì)現(xiàn)象的仔細(xì)觀察,從而得到貯存固體醇燃料的溫度極限。
貯存實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法與熔點(diǎn)測(cè)定類似,具體操作步驟如下①將現(xiàn)做的固體醇燃料直接在三口瓶中固化,待固化完全后,設(shè)定恒溫水浴的溫度為44℃,將三口瓶固定于水浴中加熱。
②一開始每隔1h,進(jìn)行一次升溫,每次升溫幅度為2℃,然后保持1h,仔細(xì)觀察三口瓶,樣品表面干燥無水分,也無異常現(xiàn)象發(fā)生。
③繼續(xù)升高溫度,當(dāng)水浴溫度達(dá)到48℃時(shí),每隔2h,進(jìn)行一次升溫,每次升溫幅度為1℃,保持2h,仔細(xì)觀察三口瓶中現(xiàn)象。當(dāng)溫度為51℃時(shí),三口瓶中現(xiàn)象如表6所示,在此溫度下仍然保持著相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。
④當(dāng)溫度升至52℃時(shí),保持1h后,三口瓶中樣品表面已滲出少許液體,瓶壁也出現(xiàn)液滴,此時(shí)將三口瓶取出,在室溫冷卻后仍有液體存在。
⑤由此可知,本實(shí)驗(yàn)研制的固體醇燃料貯存條件的溫度極限值為51℃,若環(huán)境溫度高于51℃,固體醇燃料將可能受高溫影響而使被包裹在高分子凝膠中的液體醇滲出,從而導(dǎo)致固體醇燃料質(zhì)量下降。
表6溫度為51℃時(shí)貯存實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
由表6可知,加熱半小時(shí)后,固體醇燃料在與玻璃壁面接觸的部位上滲出極少量的液膜,這是由于產(chǎn)品原料中含有一定量的水分,而水不是親油基團(tuán),經(jīng)高溫加熱,壁面處的水分易從固體醇燃料中滲出。經(jīng)具體試驗(yàn)可知,重新冷卻后固體醇燃料仍然可以恢復(fù)到原來的狀態(tài),因此對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響很少。在加熱一小時(shí)后,固體醇燃料表面干燥,無液滴;再經(jīng)過一小時(shí),固體醇燃料表面依然保持干燥。這表明固體醇燃料在該溫度下貯存狀況良好,經(jīng)一定包裝后便可在該溫度下長期貯存,這是因?yàn)槟z狀態(tài)的固體燃料中的凝膠成分是通過酸堿的皂化反應(yīng)形成的硬脂酸鹽,成份極為穩(wěn)定,不會(huì)隨時(shí)間而變化,只要在適當(dāng)?shù)馁A存溫度下,可以保存三年。
繼續(xù)調(diào)節(jié)溫度,通過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)可知固體醇燃料的貯存溫度應(yīng)在極限溫度51℃以下。而相對(duì)對(duì)照品1貯存溫度極限為49℃,超過該極限,則不能保持良好的物理特性。通常固體醇燃料在常溫下儲(chǔ)藏即可,但在特殊情況如沙漠環(huán)境、炎熱環(huán)境下,本發(fā)明固體醇燃料仍然具有良好的性能指標(biāo),因此,本發(fā)明產(chǎn)品保質(zhì)時(shí)間長,便于長期儲(chǔ)備和長途運(yùn)輸,不僅適合于酒店餐飲行業(yè),而且還適合于旅游、野外作業(yè)及部隊(duì)野營訓(xùn)練。
5、固體醇燃料的真空燃燒實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證本發(fā)明產(chǎn)品在缺氧的環(huán)境下燃燒狀態(tài)。
本實(shí)驗(yàn)是在真空干燥箱中進(jìn)行,通過充氣閥和真空泵來調(diào)節(jié)真空干燥箱中的空氣絕對(duì)量,以模擬固體燃料在高原氣候下燃燒時(shí)的真實(shí)自然環(huán)境。
①稱取1.57g的固體醇燃料,在直徑為2.024cm的燃燒盤(直徑最小的燃燒盤)中點(diǎn)燃,待燃燒穩(wěn)定后放入真空干燥箱中,關(guān)緊干燥箱,使整個(gè)干燥箱內(nèi)空氣含量一定,不隨外界環(huán)境變化;②將真空泵的電源接通,此時(shí)真空干燥箱中空氣的絕對(duì)量發(fā)生變化,從而真空表的讀數(shù)也發(fā)生變化,當(dāng)空氣絕對(duì)量逐漸減少時(shí),真空表的讀數(shù)不斷增大,調(diào)節(jié)充氣閥,使真空度以穩(wěn)定的速度增加,樣品的燃燒過程穩(wěn)定,便于觀察現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù);③仔細(xì)觀察樣品的燃燒現(xiàn)象,同時(shí)注意真空表讀數(shù)的變化,當(dāng)樣品在某一真空度下熄滅時(shí),記下此時(shí)的真空度,即為所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);④為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,取其平均值;同樣,分別稱取1.57g的對(duì)照品1,1.60g的對(duì)照品2烏洛托品固體燃料在相同條件下進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。由于烏洛托品在燃燒盤中燃燒極不充分,故對(duì)烏洛托品不采用燃燒盤,直接在玻璃皿中點(diǎn)燃,待燃燒穩(wěn)定后,放入干燥箱中。
固體醇燃料與對(duì)照品的真空燃燒對(duì)比實(shí)驗(yàn)具體現(xiàn)象如表7所示表7真空燃燒實(shí)驗(yàn)記錄表
通過觀察可知,固體醇燃料一點(diǎn)即燃,放入真空干燥箱,接通真空泵電源,起初火焰很弱,待真空干燥箱的空氣含量穩(wěn)定后,燃燒穩(wěn)定,火焰旺盛,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后期時(shí),火焰又逐漸減弱,直至熄滅;對(duì)照品1的主要燃料也是酒精,燃燒時(shí)與本發(fā)明的固體醇燃料燃燒現(xiàn)象基本相同;對(duì)照品2烏洛托品極不易點(diǎn)燃,需要先點(diǎn)燃,待火焰穩(wěn)定后再放入真空干燥箱,然后接通真空泵電源,從而初時(shí)火焰就很大,待真空干燥箱的空氣含量穩(wěn)定后,燃燒也趨于穩(wěn)定,火焰旺盛,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到后期時(shí),火焰開始逐漸減弱,直至熄滅,由真空燃燒實(shí)驗(yàn)可得出固體醇燃料和對(duì)照品在缺氧時(shí)的不同燃燒性狀,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得的真空度數(shù)值,再結(jié)合真空度與海拔高度的換算關(guān)系,即每升高12米,大氣壓減少1mmHg,因此通過簡單計(jì)算,就可得出在高原缺氧條件下燃料可燃時(shí)的海拔高度的最大值。
(一)固體醇燃料對(duì)于固體醇燃料,火焰熄滅時(shí)真空度為0.07Mpa。
由于1mmHg=133Pa=0.000133MPa,可換算為缺氧環(huán)境下的壓力值P1=0.07/0.000133=526.32mmHg則在該壓力下的海拔高度值為H1=526.32×12=6315.84m從而得出結(jié)論在高原缺氧環(huán)境下,固體醇燃料可以燃燒的海拔高度的最大值約為6300m。
(二)對(duì)照品對(duì)于兩種對(duì)照品,火焰熄滅時(shí)真空度均為0.06Mpa。
由于1mmHg=133Pa=0.000133MPa,可換算為缺氧環(huán)境下的壓力值P2=0.06/0.000133=451.13mmHg則該壓力下的海拔高度值為H2=451.13×12=5413.56m從而得出結(jié)論在高原缺氧環(huán)境下,對(duì)照品燃料可以燃燒的海拔高度的最大值約為5400m。
通過以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得知,在真空缺氧的條件下,本發(fā)明的固體醇燃料具有明顯優(yōu)勢(shì),在高原缺氧如此苛刻的環(huán)境下,依然能夠保持燃燒穩(wěn)定,火焰旺盛,具有良好的燃燒性能。而對(duì)照品則稍有不足,在同樣的環(huán)境條件下,燃燒火焰不旺,燃燒過程不穩(wěn)定,燃燒的真空度極限值也較低,其各方面的燃燒性能都不如固體醇燃料。通過計(jì)算數(shù)據(jù)可知,固體醇燃料在海拔6300多米的高原或山地環(huán)境中仍然可以燃燒,而對(duì)照品則只能在海拔5400米以下的高原或山地環(huán)境中使用。顯然,本發(fā)明固體醇燃料更適合用于高原缺氧地區(qū),具有明顯優(yōu)勢(shì),是高原士兵野外訓(xùn)練以及高原山地作戰(zhàn)的首選熱源,可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化軍需裝備。
權(quán)利要求
1.一種固體醇燃料,其由以下組分按重量百分?jǐn)?shù)組成工業(yè)酒精 90.73%,硬脂酸4.76%,NaOH 0.62%,石蠟 1.30%,蒸餾水2.59%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體醇燃料,其特征在于,所述工業(yè)酒精的質(zhì)量濃度為95%。
3.一種固體醇燃料的制備方法,按照權(quán)利要求1或2所述組分,全部操作在70℃下進(jìn)行,將硬脂酸、石蠟和工業(yè)酒精的55.7%在三口燒瓶中加熱并攪拌回流,將氫氧化鈉、蒸餾水和44.3%工業(yè)酒精在錐形瓶中加熱,然后將錐形瓶中的溶液緩慢注入三口燒瓶中,混合后的溶液繼續(xù)在70℃加熱攪拌,趁熱將其倒入容器中,自然冷卻,凝固成型得到的均勻、半透明的凝膠狀固體即為固體醇燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體醇燃料的制備方法,其特征在于,全部操作在水浴溫度為70℃的恒溫水槽中進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體醇燃料的制備方法,其特征在于,具體操作為第一步,將硬脂酸在酒精中溶解①固定恒溫水槽的水浴溫度為70℃,電動(dòng)攪拌器的攪拌轉(zhuǎn)速為250r/min。②分別稱取硬脂酸、石蠟和工業(yè)酒精中的55.7%,依次加入三口燒瓶中。然后在三口瓶上安裝電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)和回流冷凝管;③將三口瓶在水浴中加熱并攪拌,蒸發(fā)的少量酒精經(jīng)回流冷凝管冷凝后回到三口燒瓶中,直至溶解成均勻透明的無色溶液為止。第二步,將氫氧化鈉在酒精中溶解①分別稱取氫氧化鈉、蒸餾水和工業(yè)酒精的44.3%,依次加入到錐形瓶中;②同時(shí)間也將錐形瓶在與上述相同條件下加熱相同時(shí)間,直至使其成為均勻透明的溶液;第三步,將錐形瓶中的溶液緩慢注入三口燒瓶中,混合后的溶液繼續(xù)在70℃加熱攪拌,反應(yīng)時(shí)間2分鐘,然后趁熱將其倒入容器中,讓其自然冷卻,凝固成型,密封包裝,便可得到均勻、半透明的強(qiáng)度很高的凝膠狀固體醇燃料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體醇燃料,其由工業(yè)酒精90.73%,硬脂酸4.76%,NaOH 0.62%,石蠟1.30%,蒸餾水2.59%按重量百分?jǐn)?shù),在70℃的恒溫條件下分兩步制備而成。本發(fā)明的固體醇燃料,具有易點(diǎn)燃、燃燒熱值高、無黑煙、無異味,燃燒后殘?jiān)伲瑑?chǔ)存期長,不軟化分離等特點(diǎn),尤其在真空缺氧的條件下,依然能夠保持燃燒穩(wěn)定,火焰旺盛,具有良好的燃燒性能,在海拔6300多米的高原或山地環(huán)境中仍然可以燃燒。本發(fā)明固體醇燃料較普通固體燃料有更廣的適用范圍,在高原缺氧地區(qū)使用具有明顯優(yōu)勢(shì),是高原地區(qū)家居、旅行、運(yùn)動(dòng)、或士兵野外訓(xùn)練以及高原山地作戰(zhàn)的首選熱源。
文檔編號(hào)C10L7/00GK1944603SQ20061011423
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者張曉娟, 劉嘉喜, 錢平, 郝利民, 楊文領(lǐng), 杜鐵平, 王昶 申請(qǐng)人:中國人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所