CN111996041A - 一种高密度复合液体碳氢燃料、制备方法及有机小分子分散剂在其中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高密度复合液体碳氢燃料、制备方法及有机小分子分散剂在其中的应用，高密度复合液体碳氢燃料包括如下质量配比的原料组分：挂式四氢双环戊二烯100份；二脲基有机小分子分散剂0.09～0.5份；高能固体燃料5～43份。将二脲基有机小分子分散剂加入挂式四氢双环戊二烯中加热至110℃～130℃溶解；降温至10℃～35℃，静置1～3小时；在搅拌状态下加入高能固体燃料，制得高密度复合液体碳氢燃料。本发明中将二脲基有机小分子通过超分子自组装过程将高能固体燃料稳定分散在高密度碳氢燃料挂式四氢双环戊二烯中，提升了挂式四氢双环戊二烯高密度碳氢燃料的密度和能量水平。
Description
技术领域
本发明属于液体碳氢燃料技术领域，特别涉及一种高密度复合液体碳氢燃料、制备方法及有机小分子分散剂在其中的应用。
背景技术
飞行器动力源是航空航天技术的基础研究领域，其动力的大小直接关系到飞行器的航程、航速及载荷。随着各类飞行器的发展，对燃料提出了越来越高的要求。高密度燃料能够在不增加燃料箱尺寸的情况下提供更多的能量，是低成本快速提高飞行性能的重要燃料，但是合成高密度燃料的冰点和黏度随着密度的增加而急剧增加，采用化学合成新燃料分子结构的方法已很难大幅提升液体燃料的能量密度，需要新的途径来制备密度更高的液体燃料。因此，从20世纪90年代开始，以美国NASA研究中心为代表，德国、印度、以色列等国家先后开展向燃料中添加金属颗粒的理论研究和发动机试验。使用将高能颗粒如铝、硼、碳添加到燃料中的方法可以提升碳氢燃料的密度和热值，燃料中添加高能物质具有工艺简单、成本低、容易实现规模化生产等优点，因此受到广泛关注，但是向液体燃料中添加高能颗粒仍然面临巨大挑战，必须使密度很大的固体颗粒分散在液体燃料中，保证在一定时间内不聚集、沉降。
历刚等使用硅烷偶联剂对纳米硼粉进行表面修饰加入到碳氢燃料中通过超声分散得到分散均匀的高能复合碳氢燃料(ZL201610644388.8)。张香文等采用三正辛基氧膦等对铝颗粒进行表面改性进而制备高密度悬浮燃料的路线，表面改性的铝颗粒能较长时间内稳定分散在高密度碳氢燃料中(Industrial&Engineering Chemistry Research，2016，55(10):2738－2345)。现有高能固体燃料的分散方法主要使用固体高能金属燃料表面改性的方法，使用有机小分子作为高能金属燃料的分散剂应用于高密度碳氢燃料还未见报道。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高密度复合液体碳氢燃料、制备方法及有机小分子分散剂在其中的应用，将二脲基有机小分子作为分散剂通过超分子自组装过程制备含有高能固体燃料的高密度复配液体碳氢燃料，进一步提升了液体碳氢燃料的密度和能量水平，从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下：
第一方面，一种高密度复合液体碳氢燃料，包括如下质量配比的原料组分：
挂式四氢双环戊二烯 100份；
二脲基有机小分子分散剂 0.09～0.5份；
高能固体燃料 5～43份；
其中，该二脲基有机小分子分散剂为对四甲基苯二甲基双十八烷基脲，分子结构为：
第二方面，一种高密度复合液体碳氢燃料的制备方法，用于制备上述第一方面所述的高密度复合液体碳氢燃料，包括：
步骤1，二脲基有机小分子分散剂加入挂式四氢双环戊二烯中加热至110℃～130℃溶解；
步骤2，降温至10℃～35℃，静置1～3小时；
步骤3，在搅拌状态下加入高能固体燃料，制得高密度复合液体碳氢燃料。
第三方面，一种二脲基有机小分子分散剂在制备高密度复配液体碳氢燃料中的应用，该二脲基有机小分子分散剂为对四甲基苯二甲基双十八烷基脲，分子结构为：
根据本发明提供的一种高密度复合液体碳氢燃料、制备方法及有机小分子分散剂在其中的应用，具有以下有益效果：
(1)本发明中，将二脲基有机小分子通过超分子自组装过程将高能固体燃料(如三氢化铝)稳定分散在高密度碳氢燃料挂式四氢双环戊二烯中，并保持高密度碳氢燃料处于液体状态，提升了挂式四氢双环戊二烯高密度碳氢燃料的密度和能量水平；
(2)本发明中，二脲基有机小分子分散剂在复配燃料中使用的量较少，可以在高密度碳氢燃料使用过程中燃烧完全；
(3)本发明中，该高密度复配液体碳氢燃料在贮存过程中高能固体燃料没有沉降稳定性问题，稳定性高；
(4)本发明中，通过二脲基有机小分子分散剂制备的高密度复配液体碳氢燃料工艺简单，可以大批量制备。
附图说明
图1示出实施例2中高密度复合液体碳氢燃料。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种高密度复合液体碳氢燃料，包括如下质量配比的原料组分：
挂式四氢双环戊二烯 100份；
二脲基有机小分子分散剂 0.09～0.5份；
高能固体燃料 5～43份；
其中，该二脲基有机小分子分散剂的分子结构为：
该二脲基有机小分子分散剂的化学名为：对四甲基苯二甲基双十八烷基脲。
该高能固体燃料选自纳米硼粉、纳米铝粉、三氢化铝或其他含金属元素的颗粒中的至少一种。
本发明中，二脲基有机小分子分散剂通过以下方式获得：将十八胺溶于反应溶剂，然后加入对四甲基苯二甲基二异氰酸酯，20～40℃下反应4～12h，停止反应后过滤除去反应液，得到固体粉末产品；其中每摩尔十八胺加入4～10L反应溶剂，十八胺与对四甲基苯二甲基二异氰酸酯的投料摩尔比为2:1～3:1。
其中，所述反应溶剂为甲苯、苯、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯或1，2二氯乙烷中的任意一种或组合；
所述十八胺与对四甲基苯二甲基二异氰酸酯的投料摩尔比为(2.0～3.0):1。
根据本发明的第二方面，提供了一种高密度复合液体碳氢燃料的制备方法，用于制备上述第一方面所述的密度复合液体碳氢燃料，包括：
步骤1，二脲基有机小分子分散剂对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入挂式四氢双环戊二烯中加热至110℃～130℃溶解；
步骤2，降温至10℃～35℃，静置1～3小时；
步骤3，在搅拌状态下加入高能固体燃料，制得高密度复合液体碳氢燃料。
其中，二脲基有机小分子分散剂和高能固体燃料的选择与第一方面中相应内容一致，在此不再赘述。
步骤1中，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，二脲基有机小分子分散剂的用量为0.09～0.5质量份。二脲基有机小分子分散剂的用量对液体碳氢燃料的形态与稳定性至关重要，本发明人研究发现，若二脲基有机小分子分散剂的质量过低且低于上述范围的最小值，则加入的高能固体燃料在贮存过程中容易沉降；若二脲基有机小分子分散剂的质量过高且高于上述范围的最大值，则使体系呈不能流动的凝胶状态。
步骤2中，加热溶解降温后静置的目的在于：使二脲基有机小分子对四甲基苯二甲基双十八烷基脲在加热溶解后的降温过程中形成纤维状网络结构。
步骤3中，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，高能固体燃料的用量为5～43质量份。
步骤3中，搅拌速率为50～100转/分钟，搅拌时间为5～10分钟。
根据本发明的第三方面，一种二脲基有机小分子分散剂在制备高密度复配液体碳氢燃料中的应用，该二脲基有机小分子分散剂为对四甲基苯二甲基双十八烷基脲，分子结构为：
在本发明中，液体碳氢燃料中还包括挂式四氢双环戊二烯和高能固体燃料；其中，该高能固体燃料选自纳米硼粉、纳米铝粉、三氢化铝或其他含金属元素的颗粒中的至少一种。
在本发明中，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，二脲基有机小分子分散剂的用量为0.09～0.5质量份。
实施例
实施例1
将0.09g对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入至95克挂式四氢双环戊二烯中后在油浴中升温至110℃，二脲基有机小分子分散剂溶解后燃料体系变为无色透明，静置冷却至10℃，静置1小时，在搅拌转速50转/分钟的搅拌状态下加入5克三氢化铝，搅拌5分钟后停止搅拌，静置形成含三氢化铝的高密度复合液体碳氢燃料，密度0.943g·cm-3，体积热值39.51MJ·L-1，运动粘度(25℃)1.32Pa·s。
实施例2
将0.18g对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入至90克挂式四氢双环戊二烯后在油浴中升温至115℃，二脲基有机小分子分散剂溶解后燃料体系变为无色透明，静置冷却至15℃，静置2小时，在搅拌转速60转/分钟的搅拌状态加入10克三氢化铝，继续搅拌6分钟后停止搅拌，静置形成含三氢化铝的高密度复合液体碳氢燃料，如图1所示。高密度复合液体碳氢燃料的密度0.978g·cm-3，体积热值40.65MJ·L-1，运动粘度(25℃)1.41Pa·s。
实施例3
将0.26g对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入至85克挂式四氢双环戊二烯后在油浴中升温至120℃，二脲基有机小分子分散剂溶解后燃料体系变为无色透明，静置冷却至20℃，静置2.5小时，在搅拌转速70转/分钟的搅拌状态加入15克三氢化铝，继续搅拌7分钟后停止搅拌，静置形成含三氢化铝的高密度复合液体碳氢燃料，密度1.009g·cm-3，体积热值42.98MJ·L-1，运动粘度(25℃)1.65Pa·s。
实施例4
将0.32g对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入至80克挂式四氢双环戊二烯后在于油浴中升温至125℃，二脲基有机小分子分散剂溶解后燃料体系变为无色透明，静置冷却至30℃，静置1.5小时，在搅拌转速80转/分钟的搅拌状态加入20克三氢化铝，继续搅拌8分钟后停止搅拌，静置形成含三氢化铝的高密度复合液体碳氢燃料，密度1.042g·cm-3，体积热值45.47MJ·L-1，运动粘度(25℃)4.22Pa·s。
实施例5
将0.35g对四甲基苯二甲基双十八烷基脲加入至70克挂式四氢双环戊二烯后在于油浴中升温至130℃，二脲基有机小分子分散剂溶解后燃料体系变为无色透明，静置冷却至35℃，静置3小时，在搅拌转速100转/分钟的搅拌状态加入30克三氢化铝，继续搅拌10分钟后停止搅拌，静置形成含三氢化铝的高密度复合液体碳氢燃料，密度1.071g·cm-3，体积热值48.95MJ·L-1，运动粘度(25℃)8.43Pa·s。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种高密度复合液体碳氢燃料，其特征在于，包括如下质量配比的原料组分：
挂式四氢双环戊二烯 100份；
二脲基有机小分子分散剂 0.09～0.5份；
高能固体燃料 5～43份；
其中，该二脲基有机小分子分散剂为对四甲基苯二甲基双十八烷基脲，分子结构为：
2.根据权利要求1所述的复合液体碳氢燃料，其特征在于，该高能固体燃料选自纳米硼粉、纳米铝粉、三氢化铝或其他含金属元素的颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合液体碳氢燃料，其特征在于，二脲基有机小分子分散剂通过以下方式获得：将十八胺溶于反应溶剂，然后加入对四甲基苯二甲基二异氰酸酯，20～40℃下反应4～12h，停止反应后过滤除去反应液，得到固体粉末产品。
4.一种高密度复合液体碳氢燃料的制备方法，用于制备权利要求1至3之一所述的高密度复合液体碳氢燃料，包括：
步骤1，二脲基有机小分子分散剂加入挂式四氢双环戊二烯中加热至110℃～130℃溶解；
步骤2，降温至10℃～35℃，静置1～3小时；
步骤3，在搅拌状态下加入高能固体燃料，制得高密度复合液体碳氢燃料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，二脲基有机小分子分散剂的用量为0.09～0.5质量份。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，高能固体燃料的用量为5～43质量份。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，搅拌速率为50～100转/分钟，搅拌时间为5～10分钟。
8.一种二脲基有机小分子分散剂在制备高密度复配液体碳氢燃料中的应用，其特征在于，该二脲基有机小分子分散剂为对四甲基苯二甲基双十八烷基脲，分子结构为：
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，液体碳氢燃料中还包括挂式四氢双环戊二烯和高能固体燃料；其中，该高能固体燃料选自纳米硼粉、纳米铝粉、三氢化铝或其他含金属元素的颗粒中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，基于100质量份的挂式四氢双环戊二烯，二脲基有机小分子分散剂的用量为0.09～0.5质量份。
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