KR20200098062A - 젤형 알코올 연료 조성물 - Google Patents

Abstract

발명은 젤형 알코올 연료 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소성, 발열량, 보존성, 안정성 및 겔화성 등의 물성이 우수한 젤형 알코올 연료조성물에 관한 것이다.

Description

젤형 알코올 연료 조성물{Gel-type alcohol fuel composition}

발명은 젤형 알코올 연료 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소성, 발열량, 보존성, 안정성 및 겔화성 등의 물성이 우수한 젤형 알코올 연료조성물에 관한 것이다.

종래의 알코올 연료는 유독 가스 발생 등에 의한 위험성, 저장 도중 안정성 결여에 의한 불안정성, 짧은 연소 지속 시간에 의한 낮은 응용성 및 연소시 액화로 인한 취급 부주의시의 화재의 위험성 등 여러 가지 문제점을 안고 있었다. 따라서, 이를 대체할 수 있는 것의 개발을 위한 여러 연구들이 진행되고 있으며, 현재 파라핀계 고체 연료가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 파라핀계 고체 연료는 연소시 그 성분의 일부가 액화되므로, 취급 부주의나 엎질러질 경우 화재의 위험성이 매우 크고, 고체상이므로 이의 용도가 한정된다는 결점이 있다. 종래의 알코올류의 이러한 문제점들로 인해서 적당한 유동성을 가짐과 동시에 연소시 승화에 의해 직접 연소될 수 있는 반고체상 겔화 연료의 개발이 요망되고 있다. 즉, 알코올류를 겔화시킨 겔 형상 연료는 고체상 또는 액상 연료와는 달리 용기 파손시나 취급 부주의 또는 엎질러질 경우에도 쉽사리 유출되는 일이 없고, 따라서 화재의 위험성이 거의 없다. 이러한 겔 형상 알코올 연료는 유동성이 극히 적어 종래의 액상 연료 또는 고체상 연료가 가진 문제점을 어느 정도까지는 해결이 가능하였다.

그러나 이러한 겔상 알코올 연료는 겔의 안정성이 부족하고 연소시 유독가스를 발생하며, 열량이 부족한 메탄올이 주성분인 겔상 연료의 경우 열량을 증가시키기 위해 연소열이 크고 탄소 원자수가 2개 이상인 알코올을 혼합하여 겔화시켜야 하고, 이 경우 저분자량의 중화 증점제로 첨가하면 겔 형성능력이 불량할 뿐만 아니라 생성된 겔은 고온에서 일부가 파괴되는 결점이 있다.

이에 따라서 연소성, 발열량, 보존성, 안정성 및 겔화성 등의 물성이 우수한 젤형 알코올 연료 조성물에 대한 연구가 시급한 실정이다.

공개특허공보 제10-2010-0023598호

본 발명은 탄소수가 2개 이상의 알코올을 구비하는 경우에도 연소성, 발열량, 보존성, 안정성 및 겔화성 등의 물성이 우수한 젤형 알코올 연료 조성물을 제공하는데 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 알코올류 75 ~ 90중량%, 아크릴계 중합체 0.5 ~ 4.0중량%, 물 8 ~ 22중량% 및 폴리옥시 아민류 0.3 ~ 2.0 중량% 및 탈크 0.1 ~ 0.5중량%를 포함하며, 점도가 2100 ~ 2500cps인 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 폴리옥시 아민류는 폴리옥시에틸렌 스테아릴아민, 폴리옥시에틸렌 올레일아민, 폴리옥시에틸렌 타로우아민 및 9-도데실-3,6,12-트리옥사-9-아자테트라데칸-1,14-디올로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 알코올류는 탄소수 1 ~ 4의 알코올 중 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.

또한, 상기 연료조성물은 글리세린계 화합물을 0.5 ~ 3중량% 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 글리세린계 화합물은 글리세린과 글리세릴 라우레이트가 1: 0.4 ~ 0.7 중량비로 포함될 수 있다.

본 발명에 의한 젤형 연료조성물은 탄소수가 2 이상인 알코올을 포함시켜 연소열을 증가시키는 경우에도 젤 형성력이 우수하고, 장기간 저장안정성이 있으며, 연소 후 막이 생성되거나 잔류물이 남지 않는다. 이에 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 젤형 알코올 연료는, 건설현장. 비닐하우스 등 조개탄 갈탄 화목 및 열풍기 등을 사용하던 곳에 대체연료 및 착화제로서 사용가능하며, 이외의 산업 전반에 널리 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 젤형 알코올 연료조성물은 알코올류 75 ~ 90중량%, 아크릴계 중합체 0.5 ~ 4.0중량%, 물 8 ~ 22중량% 및 폴리옥시 아민류 0.3 ~ 2.0 중량% 및 탈크 0.1 ~ 0.5중량%를 포함하며, 점도가 2100 ~ 2500cps이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 젤형 알코올 연료의 특징은 다음일 수 있다. 먼저 갈탄 연료보다 점화가 쉽고 일산화탄소 등 유해가스가 발생하지 않아 중독사고 및 위험성이 없다. 또한, 젤 형태이므로 용기가 넘어져도 화재의 확산 우려가 현저히 적다. 나아가 점화가 간단하여 별도의 연소 도구가 필요 없고 완전 연소로 그을음이나 찌꺼기(재)가 거의 남지 않는다. 더불어 무색 투명외 의 색상으로서 연소시 냄새가 없으며, 불 조절이 용이하고, 이동 및 폐기가 편리하다. 또한, 사용 후 찌거기 등이 남지 않음에 따라서 일부 사용 한 뒤 소화하더라도 잔량을 재사용가능하다.

상기 알코올은 젤형 알코올 연료의 주원료인 연료이다. 상기 알코올은 탄소수 1 내지 4의 알코올 중에서 선택된 1 종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 알코올의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 등이 있다. 비용적인 면에서 메탄올을 사용하는 것이 일반적이지만, 연소 후의 잔류물을 최소화 또는 방지하고, 연소속도를 균일하고 적절히 유지하기 위해서 에탄올, 프로판올, 부탄올 등을 혼합 사용하거나, 이들로 알코올을 구성할 수 있다. 상기 알코올은 전체 조성물 중량을 기준으로 75 ~ 90중량%로 포함될 수 있으며, 만일 알코올이 75중량% 미만일 경우 발열량이 현저히 적을 수 있고, 90중량%를 초과하는 경우 발열량은 우수하나 연소속도가 과도히 빨라질 수 있고, 특히 알코올 중 메탄올의 함량이 높을 때 연소속도가 불균일해지고, 연소 후 잔류물이 생성될 수 있는 우려가 있다.

또한, 상기 물은 젤 형태를 형성하고 유지하며, 점도와 연소 속도를 조절하기 위한 것으로서, 연료조성물 전체 중량의 8 ~ 22중량%로 포함된다. 만일 물의 양이 22중량%를 초과할 경우 상대적으로 알코올의 함량이 줄어들어 발열량이 감소할 수 있다. 또한, 만일 물의 함량이 8중량% 미만일 경우 젤화에 영향을 주어 젤의 형태 유지가 어려울 수 있다.

또한, 상기 아크릴계 중합체는 알코올이나 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 대하여 분산되어 고점도의 겔을 형성하며 이를 통해 흐름성을 최소화시켜 저장 시 액상 혼합물이 용기 밖으로 새나가거나 쏟아지는 위험성을 없애고 연소 시에도 그 모양을 일정하게 유지하며 균일한 알코올의 농도를 유지시키는 기능을 수행한다.

상기 아크릴계 중합체는 아크릴산 중합체 또는 아크릴산과 탄소수 10 ~ 30의알킬(매트)아크릴레이트를 단량체로 하는 공중합체일 수 있고, 일예로 상품명 카보머 940, 980, 938 등을 사용할 수 있다. 상기 아크릴계 중합체는 연료조성물 전체 중량을 기준으로 0.5 ~ 4.0중량% 포함할 수 있는데, 만일 0.5중량% 미만으로 사용될 경우 겔화가 낮아질 수 있고, 장기 저장안정성이 저하될 우려가 있다. 또한, 만일 4.0중량%를 초과하여 포함하는 경우 연소 시 불순물이 발생할 수 있다.

또한, 상기 폴리옥시 아민류는 상술한 아크릴계 중합체와 중화반응을 하여 젤을 형성하는 역할을 하며, 연료조성물 전체 중량을 기준으로 0.3 ~ 2.0중량% 포함될 수 있다. 상기 폴리옥시 아민류는 폴리옥시알킬아민일 수 있으며, 일예로 폴리옥시에틸렌 스테아릴아민, 폴리옥시에틸렌 올레일아민, 폴리옥시에틸렌 타로우아민 및 9-도데실-3,6,12-트리옥사-9-아자테트라데칸-1,14-디올로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 9-도데실-3,6,12-트리옥사-9-아자테트라데칸-1,14-디올, 폴리옥시에틸렌 올레일아민 또는, 9-도데실-3,6,12-트리옥사-9-아자테트라데칸-1,14-디올과 폴리옥시에틸렌 올레일아민의 혼합물일 수 있다. 한편, 본 발명의 일실시예에 의한 폴리옥시 아민류는 탄소수가 일정 수 이상의 것들을 사용하는데, 탄소수가 적거나 탄소수가 많더라도 분지수가 과도한 3차 아민화합물의 경우 알코올의 종류로서 메탄올이 아닌 탄소수 2 이상의 알코올이 일부 또는 전부로 포함되는 경우 젤형성을 어렵게 할 수 있고, 형성되더라도 일정시간이 지나면 파괴되는 등의 문제가 있을 수 있어서 바람직하지 못할 수 있다. 이러한 폴리옥시 아민류가 만일 0.3중량% 미만으로 구비되는 경우 젤 형성력이 현저히 저하될 우려가 있으며, 젤형 알코올 연료가 산성을 띠게 되어 장기 보존성이 떨어지고 금속 용기를 부식시킬 수 있다. 또한, 만일 2.0중량%를 초과하여 포함되는 경우 젤 형성이 파괴되어 흐름성이 높아지고 연소 시 잔류물이 증가할 수 있다.

또한, 상기 탈크는 연료조성물의 투명성을 저하시키고, 적절한 점도를 장시간 유지시키며, 젤형성력에 도움을 주기 위해 포함되는 것으로서 연료조성물 전체 중량을 기준으로 0.1 ~ 0.5 중량% 사용될 수 있으며, 이를 통해 상술한 효과를 발현하기에 유리할 수 있다. 만일 0.5중량%를 초과할 경우 오히려 저장안정성을 저하시키며 젤형의 부분적 파괴가 발생할 우려가 있고, 0.1중량% 미만일 경우 탈크를 통한 목적하는 효과를 달성하기 어려울 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 연료조성물은 글리세린계 화합물을 0.5 ~ 3중량%, 보다 바람직하게는 2 ~ 3중량% 더 포함할 수 있다. 상기 글리세린계 화합물은 알코올로서 탄소수 2 이상의 알코올을 일부 또는 전부 사용하는 경우 종래에 해결하기 못한 젤 형성력 저하의 문제나, 폴리옥시에틸렌알킨아민을 사용하는 경우 발생할 수 있는 연료표면의 막형성이나, 연소성 저하, 잔류물 발생의 우려를 방지할 수 있다. 만일 상기 글리세린계 화합물의 함량이 0.5중량% 미만일 경우 탄소수 2 이상의 알코올의 사용 시 젤 형성 향상 효과가 미미하거나, 장기간 저장 시 젤이 부분파괴될 우려가 있고, 폴리옥시에틸렌알킨아민의 사용에 따라서 발생하는 여러 우려점을 해소하지 못할 수 있다. 또한, 만일 3중량%를 초과하여 사용될 경우 오히려 연소시 과도한 잔류물이 발생할 수 있는 등 본 발명의 목적을 달성하기 어려울 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 글리세린계 화합물은 글리세린과 글리세릴 라우레이트가 1: 0.4 ~ 0.7 중량비로 포함될 수 있고, 이들 화합물의 혼합물 및 혼합 중량비를 만족함으로써 젤형성력, 저장안정성, 연료 후 잔류물 발생 방지, 연소속도 균일성 향상 등에 보다 상승된 효과를 발현할 수 있다.

또한, 상술한 연료조성물은 pH가 7 ~ 10일 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 목적을 달성하기에 보다 유리할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 연료조성물은 점도가 2100 ~ 2500cps이며, 이를 통해 적절한 점도로 젤형을 형성함에 따라서 균일한 연소속도, 장시간 저장안정성 등의 발현에 유리할 수 있다.

상술한 조성 및 점도를 만족하는 본 발명의 연료조성물은 12㎏ 기준 6.5 시간 이상의 연소시간 및 무게(㎏)당 4000kcal 이상, 보다 바람직하게는 4500kcal 이상, 보다 더 바람직하게는 4800kcal ~ 5200 kcal의 현저히 우수한 열량을 발현할 수 있다.

하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.

<실시예1>

메탄올 60중량% 및 부탄올 40중량%인 알코올 85중량%, 아크릴계 중합체로서 카보폴940(Carbopol 940) 2.0중량%, 폴리옥시에틸렌 올레일아민 1.0중량%, 탈크 0.3중량%, 글리세린 2중량% 및 잔량의 물을 혼합하여 pH 8.6, 25℃에서 점도가 약 2300cps인 하기 표 1과 같은 젤형 연료조성물을 제조하였다.

<실시예2 ~ 6, 비교예1>

실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1과 같이 성분의 종류나 함량을 변경하여 하기 표 1과 같은 젤형 연료조성물을 제조하였다.

<실험예1>

실시예 및 비교예에 따른 젤형 연료조성물을 동일량 준비한 뒤, 동일조건으로 연소시켜 연소 후 잔류물의 함량을 측정했다. 이때, 실시예2의 측정결과를 100%로 기준해서 나머지 실시예 및 비교예에서의 측정결과를 상대적인 백분율로 나타내었다.

<실험예2>

실시예 및 비교예에 따른 젤형 연료조성물을 항온항습 챔버에 저장 후 저장안정성을 평가했다. 이때 저장안정성의 현저한 효과 차이를 발생시키도록 상대습도 50%, 25℃의 저장조건1과, 상대습도 30%, -15℃의 저장조건2에서 각 24시간씩 저장하는 것을 1세트로 하여 15세트 수행한 뒤 점도를 재측정하여 측정 전 점도 대비 점도의 변화율을 하기 식으로 계산했다.

[식]

점도 변화율(%) = (저장안정성 평가후 점도(cps) - 평가 전 점도(cps)) / 평가 전 점도(cps)

만일 평가 후 점도 변화가 크고, 특히 점도 저하가 클수록 젤 연료의 부분적 젤형 파괴가 발생한 것으로 평가할 수 있다.

		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	비교예1
알코올(종류/함량(중량%))		메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85	메탄올60중량%, 부탄올40중량% / 85
아크릴계중합체		2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
폴리옥시에틸렌 아민류(종류/함량(중량%)		폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	폴리옥시에틸렌 올레일아민 / 1.0	TEA / 1.0
탈크(중량%)		0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
글리세린계성분(종류/함량(중량%))		글리세린/ 2	글리세린 / 0.2	글리세린 / 0.7	글리세린 /2.8	글리세린/3.5	글리세린: 글리세릴 라우레이트 1: 0.55중량비 / 2	0
물		잔량	잔량	잔량	잔량	잔량	잔량	잔량
물성	점도 (cps)	2300	2080	2215	2380	2400	2350	1560
	연소후 잔류물 함량(%)	32	100	63	30	71	13	10
	저장안정성(%)	-9	-18	-12	-8	-9	-3	-40

표 1을 통해 확인할 수 있듯이, 비교예1에 따른 연료조성물은 점도가 2100cps이하로 구현되어 젤형 연료조성물로 매우 적합하지 않았으며, 저장안정성 측면에서도 매우 좋지 못한 결과를 나타냈다. 사용된 TEA는 젤형 연료조성물에 많이 사용되는 아민화합물이나 알코올의 종류로서 부탄올과 같은 탄소수가 2 이상의 알코올이 일부 또는 전부 사용되는 경우에는 젤형 연료조성물을 제조하는데 적합하지 않음을 확인할 수 있다.

한편, 실시예에 따른 연료조성물은 폴리옥시에틸렌 알킨아민을 사용함을 통해 부탄올이 일부 사용되었음에도 우수한 젤형을 구현했다. 또한, 글리세린계 성분을 본 발명의 바람직한 함량범위로 포함하는 실시예1, 3, 4 및 5이 경우 연소 후 잔류물 함량도 현저히 적고, 저장안정성도 우수한 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 알코올류 75 ~ 90중량%, 아크릴계 중합체 0.5 ~ 4.0중량%, 물 8 ~ 22중량% 및 폴리옥시 아민류 0.3 ~ 2.0 중량% 및 탈크 0.1 ~ 0.5중량%를 포함하며, 점도가 2100 ~ 2500cps인 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 폴리옥시 아민류는 폴리옥시에틸렌 스테아릴아민, 폴리옥시에틸렌 올레일아민, 폴리옥시에틸렌 타로우아민 및 9-도데실-3,6,12-트리옥사-9-아자테트라데칸-1,14-디올로 이루어진 군에서 선택한 1종 이상인 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 알코올류는 탄소수 1 ~ 4의 알코올 중 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 연료조성물은 글리세린계 화합물을 0.5 ~ 3중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 글리세린계 화합물은 글리세린과 글리세릴 라우레이트가 1: 0.4 ~ 0.7 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 젤형 알코올 연료조성물.