CN115125040B - 一种戊烷基切割液添加剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属火焰切割技术领域，公开了一种戊烷基切割液添加剂及其制备方法和应用。该戊烷基切割液添加剂包括乙二醇二硝酸酯、乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉。本发明戊烷基切割液添加剂与戊烷液体混合后能够一起汽化，戊烷汽化后，气体密度大，因此燃烧强度高，火焰温度也相应提高，从而提高戊烷气体火焰温度和预热速度，戊烷‑氧气的火焰温度可达到3000℃以上，同时火焰更为集中，完全可以替代乙炔进行钢铁金属的切割，且不堵塞和腐蚀管道及阀门。
Description
技术领域
本发明属于金属火焰切割技术领域，特别涉及一种戊烷基切割液添加剂及其制备方法和应用。
背景技术
戊烷有3种同分异构体:正戊烷(沸点36.1℃)、异戊烷(沸点28℃)和新戊烷(沸点10℃)，工业应用上“戊烷”一词通常指正戊烷，即其直链异构体。
在黑色金属火焰切割的加工作业中，乙炔是使用历史最为悠久的燃料气体，适用于绝大部分的切割加工场合，但生产乙炔的原材料电石的加工过程能耗大，对环境污染较严重，因此也影响了乙炔的产量，而且近年来乙炔的价格也越来越高。戊烷、丙烷作为乙炔的替代切割燃料，最大的缺点就是火焰温度低、火焰能量不集中、预热速度慢，因而适用面较窄，不能完全取代乙炔。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种戊烷基切割液添加剂及其制备方法和应用，该戊烷基切割液添加剂与戊烷液体混合后能够一起汽化，从而提高戊烷气体火焰温度和预热速度，火焰温度可达到3000℃以上。
本发明的第一方面提供一种戊烷基切割液添加剂。
具体的，一种戊烷基切割液添加剂，包括乙二醇二硝酸酯、乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉。
本发明戊烷基切割液添加剂的主要目的是提高戊烷在氧气中稳定燃烧的温度，首先是促进化学反应速度，使热量在短时间内产生，其次是收缩火焰表面，使热量更为集中。戊烷基切割液添加剂提高火焰温度的原则是提高燃料中自由基浓度，加快火焰燃烧的反应。在配方原料的选择上：
选择叔丁基过氧化氢和丁酮过氧化物，使得添加剂容易着火，燃烧力强。其中，叔丁基过氧化氢亲水性好，当戊烷中含有少量水或其他液态杂质时，可以乳化混溶，一起汽化燃烧而不影响火焰性能，尤其适用于乳液聚合、水相聚合等反应的促进剂，性能优于过二硫酸盐、异丙苯过氧化氢和过氧苯甲酰等聚合促进剂，其分解产物主要有叔丁醇和丙酮，不会形成酸性产物，无腐蚀性，不会对储存容器和输送管道产生腐蚀，因此在本添加剂中使用，起到引发、促进聚合的催化作用；丁酮过氧化物比丁酮更为活泼，更有助于火焰温度的提高。
选择自身带有强氧化性能的材料，如乙二醇二硝酸酯和纳米二氧化铈，局部的微爆增加火焰的燃烧强度。其中，乙二醇二硝酸酯的化学性质和爆炸性能都与硝化甘油相似，但凝固点较低，少量添加在本添加剂中增加微细爆炸效应，提高戊烷燃料的燃烧温度；纳米二氧化铈具有独特的氧化还原特性，容易在Ce(Ⅲ)和Ce(IV)之间发生价态变化，并伴有氧气的吸收和放出(CeO2→Ce2O3+O2)，加入到戊烷中，随汽化的戊烷气体进入喷枪，纯氧中燃烧时会迅速扩散成为纳米尺度的球形颗粒，这种介观尺度的水颗粒，可以在室温所提供的热运动能量下获得每秒十几米的热运动速度，从而使燃料在布朗运动的作用下形成热力学稳定的分散相，但其作为戊烷添加剂时，面临直接添加时难以长期稳定分散分布的问题，也就是容易凝聚结块，失去纳米材料的效能，因此需要采用稳定的纳米二氧化铈调和剂才能加入液体燃料中。
选择乙二醇单甲醚可以提高燃料的抗静电性能，减少燃料快速流动时产生静电的可能，提高安全性，同时，与戊烷协同使用，可以作为防冰剂，避免在大量汽化时戊烷中不可避免的水分冰结堵塞割枪喷嘴。
对于火焰切割的燃料而言，还要选择促进金属自燃的添加剂，如纳米铝粉作为氧火焰切割时钢铁燃烧的催化剂，加强钢铁的燃烧，使钢材更好分离，更节省燃料，同时生成的氧化物比熔融金属更易脱落，减少挂渣的生成，使割缝更细更窄，割口更光滑。
本发明戊烷基切割液添加剂通过采用乙二醇二硝酸酯、乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉，能将戊烷在氧气中的火焰温度提高到3000℃以上，可使戊烷在金属焊割等领域的使用性能达到甚至超过乙炔，成为新一代的乙炔代用气。
优选地，还包括石油磺酸钠、乙醇和吐温60。石油磺酸钠具有较强的抗潮湿，抗盐雾、盐水和水的置换能力，它对黑色金属和黄铜具有优良的防锈性能，在本添加剂中作为多种极性物质在戊烷液体中的助溶剂，起到良好的防锈和乳化作用。
优选地，按质量份数计，包括乙二醇二硝酸酯0.5-1份、乙二醇单甲醚5-10份、叔丁基过氧化氢5-10份、丁酮过氧化物5-10份、石油磺酸钠1-5份、纳米二氧化铈调和剂5-10份、纳米铝粉1-5份、乙醇50-60份和吐温60 5-10份。
优选地，所述纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈、乙醇、水杨醛、氢氧化钠、过氧化氢、长链胺和松香。
优选地，所述长链胺包括十二胺、长碳链聚醚酰胺、长链脂肪胺中的至少一种。更为优选地，所述长链胺采用十二胺，该长链胺类有机溶剂既是模板控制剂又是反应的溶剂。
优选地，按质量份数计，所述纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈10-20份、乙醇60-80份、水杨醛10-20份、氢氧化钠5-10份、过氧化氢5-10份、长链胺5-10份和松香5-10份。
本发明选择带有清洁润滑的添加剂，如吐温60和松香，使燃料气体通过狭窄割咀喷口时不会积碳堵塞，从而使火焰更为集中，延长割咀的使用寿命。
优选地，所述纳米二氧化铈的粒径为20-50nm，所述纳米铝粉的粒径为50-80nm。
本发明的第二方面提供所述戊烷基切割液添加剂的制备方法。
具体的，一种戊烷基切割液添加剂的制备方法，包括如下步骤：
往乙醇中加入乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉，混合均匀；再加入乙二醇二硝酸酯，混合均匀，得到所述戊烷基切割液添加剂。
优选地，所述戊烷基切割液添加剂的制备方法，包括如下步骤：
S1、清洗反应釜，用氮气吹扫至干燥后，将乙醇注入；
S2、在搅拌状态下，将乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉按份量加入反应釜中，中速搅拌下直至混合均匀；
S3、在静止状态下，再加入乙二醇二硝酸酯，然后缓慢搅拌至完全混合；
S4、待反应物完全混合后，隔绝空气，在室温(约25℃)下静置24-30小时，装罐密封，得到所述戊烷基切割液添加剂。
本发明所述纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括以下步骤：
将长链胺、乙醇、过氧化氢和松香混合均匀，再加入水杨醛，搅拌，除去乙醇，然后加入氢氧化钠进行中和，得到所述纳米二氧化铈调和剂。
优选地，所述纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括以下步骤：
在室温下，往反应釜中分别加入长链胺、乙醇、过氧化氢和松香，搅拌溶解，缓慢加入与长链胺等物质的量的水扬醛，搅拌反应1-3h，旋转蒸发除去乙醇得到混合液，然后加入氢氧化钠对混合液进行中和，得到均匀稳定的纳米二氧化铈调和剂(水杨醛亚胺型纳米二氧化铈混合液)。该纳米二氧化铈调和剂可以确保长期稳定放置而不会分层、结块。
本发明的第三方面提供所述戊烷基切割液添加剂在制备切割液中的应用。
基于上述应用，本发明还提供了一种戊烷基切割液，包括本发明所述戊烷基切割液添加剂和戊烷。
优选地，所述戊烷基切割液添加剂占所述戊烷基切割液的质量百分比为0.5％-1.5％。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明戊烷基切割液添加剂与戊烷液体混合后能够一起汽化，戊烷汽化后，气体密度大，因此燃烧强度高，火焰温度也相应提高，从而提高戊烷气体火焰温度和预热速度，戊烷-氧气的火焰温度可达到3000℃以上，同时火焰更为集中，完全可以替代乙炔进行钢铁金属的切割，且不堵塞和腐蚀管道及阀门；另外，本发明添加剂还含有提高戊烷液体汽化能力的组分，例如过氧化氢，具有强氧化性，戊烷液体混空过程容易分解生成氧气，增加鼓泡数量，提高戊烷汽化率，使改性后的戊烷更适合于切割应用。
本发明戊烷基切割液添加剂运用于工业切割中能迅速提高氧气气氛下的火焰温度，达到甚至超过乙炔的预热效率、切割速度和切割质量，同时燃料用量、氧气用量都大幅度下降，碳排放也随之减少。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
一种戊烷基切割液添加剂，包括乙二醇二硝酸酯0.8份、乙二醇单甲醚8份、叔丁基过氧化氢8份、丁酮过氧化物8份、石油磺酸钠3份、纳米二氧化铈调和剂8份、纳米铝粉3份、无水乙醇55份和吐温60 8份。其中，纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈15份、无水乙醇70份、水杨醛15份、氢氧化钠8份、质量浓度为30％的过氧化氢8份、十二胺7.5份和松香8份；纳米二氧化铈的粒径为20-50nm，纳米铝粉的粒径为50-80nm。
本实施例纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括以下步骤：
在室温下，往反应釜中分别加入十二胺、无水乙醇、过氧化氢和松香，搅拌溶解，缓慢加入水扬醛，搅拌反应2h，旋转蒸发除去无水乙醇得到混合液，再添加氢氧化钠对混合液进行中和，得到纳米二氧化铈调和剂。
本实施例戊烷基切割液添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、清洗反应釜，用氮气吹扫至干燥后，将无水乙醇注入；
S2、在搅拌状态下，将乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉按份量加入反应釜中，中速搅拌下直至混合均匀；
S3、在静止状态下，再加入乙二醇二硝酸酯，然后缓慢搅拌至完全混合；
S4、待反应物完全混合后，隔绝空气，在室温下静置24小时，装罐密封，得到戊烷基切割液添加剂。
一种戊烷基切割液，由1wt％的本实施例戊烷基切割液添加剂和99wt％的戊烷液体混合制得。
实施例2
一种戊烷基切割液添加剂，包括乙二醇二硝酸酯0.5份、乙二醇单甲醚5份、叔丁基过氧化氢5份、丁酮过氧化物5份、石油磺酸钠1份、纳米二氧化铈调和剂5份、纳米铝粉1份、无水乙醇50份和吐温60 5份。其中，纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈10份、无水乙醇60份、水杨醛10份、氢氧化钠5份、质量浓度为30％的过氧化氢5份、十二胺5份和松香5份；纳米二氧化铈的粒径为20-50nm，纳米铝粉的粒径为50-80nm。
本实施例纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括以下步骤：
在室温下，往反应釜中分别加入十二胺、无水乙醇、过氧化氢和松香，搅拌溶解，缓慢加入水扬醛，搅拌反应2h，旋转蒸发除去无水乙醇得到混合液，再添加氢氧化钠对混合液进行中和，得到纳米二氧化铈调和剂。
本实施例戊烷基切割液添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、清洗反应釜，用氮气吹扫至干燥后，将无水乙醇注入；
S2、在搅拌状态下，将乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉按份量加入反应釜中，中速搅拌下直至混合均匀；
S3、在静止状态下，再加入乙二醇二硝酸酯，然后缓慢搅拌至完全混合；
S4、待反应物完全混合后，隔绝空气，在室温下静置24小时，装罐密封，得到戊烷基切割液添加剂。
一种戊烷基切割液，由1wt％的本实施例戊烷基切割液添加剂和99wt％的戊烷液体混合制得。
实施例3
一种戊烷基切割液添加剂，包括乙二醇二硝酸酯1份、乙二醇单甲醚10份、叔丁基过氧化氢10份、丁酮过氧化物10份、石油磺酸钠5份、纳米二氧化铈调和剂10份、纳米铝粉5份、无水乙醇60份和吐温60 10份。其中，纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈20份、无水乙醇80份、水杨醛20份、氢氧化钠10份、质量浓度为30％的过氧化氢10份、十二胺10份和松香10份；纳米二氧化铈的粒径为20-50nm，纳米铝粉的粒径为50-80nm。
本实施例纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括以下步骤：
在室温下，往反应釜中分别加入十二胺、无水乙醇、过氧化氢和松香，搅拌溶解，缓慢加入水扬醛，搅拌反应2h，旋转蒸发除去无水乙醇得到混合液，再添加氢氧化钠对混合液进行中和，得到纳米二氧化铈调和剂。
本实施例戊烷基切割液添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、清洗反应釜，用氮气吹扫至干燥后，将无水乙醇注入；
S2、在搅拌状态下，将乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉按份量加入反应釜中，中速搅拌下直至混合均匀；
S3、在静止状态下，再加入乙二醇二硝酸酯，然后缓慢搅拌至完全混合；
S4、待反应物完全混合后，隔绝空气，在室温下静置24小时，装罐密封，得到戊烷基切割液添加剂。
一种戊烷基切割液，由1wt％的本实施例戊烷基切割液添加剂和99wt％的戊烷液体混合制得。
将实施例1-3制得的戊烷基切割液与戊烷、乙炔、丙烷进行切割性能测试，测试结果见表1所示。
测试条件：Q235钢坯，长1300mm×厚155mm；环境温度：18℃，相对湿度60％。
表1中数据为三次测量的平均值。
表1
从表1可以看出，本发明戊烷基切割液添加剂通过配方优化，将其与戊烷混合得到的切割液具有优秀的切割性能，达到甚至超过乙炔。
对比例1
对比例1的戊烷基切割液添加剂与实施例1的区别在于，戊烷基切割液添加剂中不含有纳米二氧化铈调和剂，缺少的量由无水乙醇补充，其他组分、添加量及制备方法同实施例1。
对比例1的戊烷基切割液的制备同实施例1。
对比例2
对比例2的戊烷基切割液添加剂与实施例1的区别在于，戊烷基切割液添加剂中不含有纳米铝粉，缺少的量由无水乙醇补充，其他组分、添加量及制备方法同实施例1。
对比例2的戊烷基切割液的制备同实施例1。
对比例3-5
对比例3-5的戊烷基切割液添加剂与实施例1的区别在于，对比例3-5分别将戊烷基切割液添加剂中的叔丁基过氧化氢替换成过二硫酸钾、异丙苯过氧化氢、过氧苯甲酰，其他组分、添加量及制备方法同实施例1。
将实施例1、对比例1制得的戊烷基切割液分别切割同等条件的钢板，对比燃料的切割性能以及周围环境的排放物浓度。
测试条件如下：
切割钢板型号：Q235A，厚120mm；
切割时环境参数：23℃，钢板温度同环境温度；湿度57.4％；风速0.6m/s；
切割长度：1m。
废气监测取样方法：废气监测探讨固定于自动割炬上方300mm处，随割炬移动，割缝长度1m，每隔0.2m读取废气监测仪数据一次，全程6个读数平均值为该次测定的结果，每个样本测三次取平均数为监测值。
监测方法、采样及分析仪器和检出限见表2所示；测试结果见表3所示。
表2
表3
| 测试项目 | 实施例1 | 对比例1 | 标准限制 |
| 燃料消耗/kg | 0.22 | 0.25 | ----- |
| 氧气消耗/Nm3 | 0.68 | 0.66 | ----- |
| CO2排放/％ | 0.072 | 0.020 | ----- |
| 氮氧化物排放/mg/m3 | 0.030 | 0.660 | ≤0.12 |
| 颗粒物排放/mg/m3 | 0.217 | 0.887 | ≤1.00 |
| 二氧化硫排放/mg/m3 | 0.0007L | 0.0008L | ≤0.40 |
| 非甲烷总烃/mg/m3 | 0.17 | 5.03 | ≤4.00 |
注：①表中“L”表示该项目浓度低于方法检出限；②标准限制见《大气污染物排放限制》DB44/27-2001第二时段无组织排放监控浓度限值。
从表3可以看出，本发明戊烷基切割液添加剂添加纳米二氧化铈调和剂后可明显降低氮氧化物、颗粒物等有害物质的排放量。
将实施例1、对比例2制得的戊烷基切割液分别切割同等条件的钢板，对比燃料的切割性能。
测试条件如下：
切割钢板型号：Q235A，厚120mm；
切割时环境温度：23℃，钢板温度同环境温度；
切割长度：2.0m。
结果见表4所示。
表4
| 测试项目 | 实施例1 | 对比例2 |
| 割口质量 | 平整，无割痕，有金属光泽，挂渣少 | 有轻微割痕，呈蓝红氧化色，挂渣多 |
| 割缝宽度 | 3mm | 5mm |
| 切割速度 | 150mm/min | 107mm/min |
| 燃料消耗 | 0.46kg | 0.61kg |
| 氧气消耗 | 1.24Nm3 | 1.52Nm3 |
| 火焰温度 | 3320℃ | 3050℃ |
从表4可以看出，本发明戊烷基切割液添加剂添加纳米铝粉后可明显提升切割液的切割性能。
将实施例1、对比例3-5制得的戊烷基切割液添加剂进行酸度测试，测试方法如下：
分别取50mL样品于三角瓶，加200mL无水乙醇，加塞放置16小时，并不时的摇动，用浓度为0.1mol/L的氢氧化钾溶液滴定，并以酚酞溶液作为颜色指示剂，酚酞指示剂从无色转为红色时立即停止滴定，该颜色至少保持30s，最后从氢氧化钾滴定管的度数计算添加剂溶液的酸度。
不同的添加剂酸度滴定结果见表5所示(三次滴定结果取平均值)。
表5
注：添加前酸度是指切割液添加剂在未加入叔丁基过氧化氢(实施例1)、过二硫酸钾(对比例3)、异丙苯过氧化氢(对比例4)、过氧苯甲酰(对比例5)时的酸度；添加后酸度是指切割液添加剂在加入叔丁基过氧化氢(实施例1)、过二硫酸钾(对比例3)、异丙苯过氧化氢(对比例4)、过氧苯甲酰(对比例5)后的酸度。
从表5可以看出，对比例3-5的酸度较高，容易对储存容器和输送管道产生腐蚀。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种戊烷基切割液添加剂，其特征在于，包括乙二醇二硝酸酯、乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉；
所述纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈、乙醇、水杨醛、氢氧化钠、过氧化氢、长链胺和松香；
所述纳米二氧化铈调和剂的制备方法，包括步骤：除去乙醇得到混合液，然后加入氢氧化钠对混合液进行中和，得到纳米二氧化铈调和剂。
2.根据权利要求1所述的戊烷基切割液添加剂，其特征在于，还包括石油磺酸钠、乙醇和吐温60。
3.根据权利要求2所述的戊烷基切割液添加剂，其特征在于，按质量份数计，包括乙二醇二硝酸酯0.5-1份、乙二醇单甲醚5-10份、叔丁基过氧化氢5-10份、丁酮过氧化物5-10份、石油磺酸钠1-5份、纳米二氧化铈调和剂5-10份、纳米铝粉1-5份、乙醇50-60份和吐温60 5-10份。
4.根据权利要求1所述的戊烷基切割液添加剂，其特征在于，按质量份数计，所述纳米二氧化铈调和剂包括纳米二氧化铈10-20份、乙醇60-80份、水杨醛10-20份、氢氧化钠5-10份、过氧化氢5-10份、长链胺5-10份和松香5-10份。
5.权利要求1-4任一项所述的戊烷基切割液添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
往乙醇中加入乙二醇单甲醚、叔丁基过氧化氢、丁酮过氧化物、石油磺酸钠、吐温60、纳米二氧化铈调和剂和纳米铝粉，混合均匀；再加入乙二醇二硝酸酯，混合均匀，得到所述戊烷基切割液添加剂。
6.权利要求1-4任一项所述的戊烷基切割液添加剂在制备切割液中的应用。
7.一种戊烷基切割液，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的戊烷基切割液添加剂和戊烷。
8.根据权利要求7所述的戊烷基切割液，其特征在于，所述戊烷基切割液添加剂占所述戊烷基切割液的质量百分比为0.5%-1.5%。
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