固体醇燃料制备工艺研究

曹宏安， 张怀智，郭胜强, 谢俊磊

（武汉军械士官学校，湖北 武汉，430075）

固体醇燃料作为一种方便实用的移动热源已得到广泛应用。固体醇燃料以醇类物质（如甲醇、乙醇）为主体，加入凝胶剂、固化剂，再适当添加少量着色剂或性能改良，通过一定的工艺制备而成。相关文献资料表明，固体醇燃料常用的凝胶剂多为高级脂肪酸盐、羟烷基烷基纤维素、硝化纤维素3种。用高级脂肪酸盐制成的固体醇燃料存在受热易融化、燃烧时易流散、燃烧后残渣多、生产时需要加热等缺点。用羟烷基烷基纤维素制成的固体醇燃料生产时不需要加热、燃烧残渣少，但能量和热值低。而用硝化纤维素制成的固体醇燃料能克服以上不足[1-7]。

本文以硝化棉、液体醇为基本原料，确立了一种新的固体醇燃料的制备工艺，该工艺方法可为以硝化棉为主要成分的过期火药的再利用提供一条有效途径。

1 原理

固体醇燃料是一种凝胶，凝胶是一类可保持一定几何外形，同时兼有固体和液体某些性质的胶体分散体系。凝胶体系由凝胶剂所形成的三维网络结构和固定于其中的大量溶剂（分散介质）组成。在凝胶体系中，凝胶剂三维网络结构通过表面张力和毛细作用等使其中的溶剂失去流动性。同时，溶剂又通过自身的填充作用阻碍了网络结构的塌陷。

在以硝化棉、液体醇为基本原料制备固体醇燃料的过程中，硝化棉为凝胶剂，液体醇为分散介质。要使硝化棉形成三维网络结构，首先要选用高效的溶剂溶解硝化棉，打破硝化棉大分子间的氢键作用，然后在硝化棉大分子间引入新的结合作用方式，以构建三维网络结构来固化液体醇。各种溶剂中，丙酮、甲醇对硝化棉具有很强的溶解能力，考虑到成本问题应优先选用甲醇作为溶剂。硝化棉被溶解后，硝化棉大分子的羟基被甲醇的羟基利用，只能形成稳定的高分子溶液而不能通过冷却形成凝胶。要形成凝胶，就要在溶液中加入其他的物质使硝化棉大分子组织成三维网络结构。水分子具有很强的氢键结合能力，可以取代甲醇与硝化棉大分子的羟基氢键结合，而且1个水分子可与2个硝化棉大分子氢键结合，起到类似交联剂的作用，使硝化棉大分子形成三维网络结构。因此，理论上可以用水作为固化剂使硝化棉的醇溶液转化为凝胶——固体醇燃料。

2 实验部分

2.1 实验材料与仪器

材料：硝化棉，工业级；甲醇，化学纯；乙醇，化学纯；有机颜料、工业品香料，市售品；蒸馏水。

仪器：AE-200型电子分析天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）；D40-2F型电动搅拌器（杭州仪表电机厂）；DKW-Ⅲ型电子节能控温仪（河南省巩义市英峪豫华仪器厂）；电热恒温水浴锅（金坛市荣华仪器制造有限公司）；具塞三角瓶；量筒；移液管。

2.2 制备方法

（1）溶解：将硝化棉加入甲醇中，密封放置，直至充分溶解。（2）稀释：硝化棉甲醇溶液用乙醇稀释，密封放置，直至混合均匀，构成A液；同时将乙醇与蒸馏水混合配制乙醇水溶液，构成B液。（3）固化：将B液缓慢加入A液，边混合边搅拌，混合完毕密封放置24h以上，即得固体醇燃料。

2.3 燃烧实验

取20g所制备的固体醇燃料和市售固体酒精分别置于酒精炉中，在酒精炉上方放置一个盛有200mL冷水的容器，点燃后观察燃烧现象，记录燃烧时间和水温变化情况。实验条件下所用市售固体酒精平均燃烧时间为11min。

3 结果与讨论

3.1 硝化棉用量对产品质量的影响

将水的用量确定为4%和6%，硝化棉的用量分别为2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%，考查硝化棉的用量对产品的固化状况、硬度、燃烧性能及储存性能的影响，水的用量为4%时实验结果见表1。

表1 硝化棉用量对产品质量的影响Tab.1 Effect of nitrocellulose’s dosage on product

由实验结果可以看出，比较合适的硝化棉的用量范围为4.0%～10.0%，在此范围内产品易于成型、色泽美观、硬度大、燃烧及储存性能好，而且硝化棉的用量变化对产品质量影响不大。

3.2 水的用量对产品质量的影响

将硝化棉的用量确定为4%和8%，水的用量分别为2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%，考查水的用量对产品的固化状况、硬度、燃烧性能及储存性能的影响，硝化棉用量为4%时的实验结果见表2。

由表2可以看出，比较合适的水的用量为3.0%～6.0%，在此范围内产品易于成型、色泽美观、硬度大、燃烧及储存性能好。实验表明，水的用量以及添加方式对产品质量影响较大，制备过程中应严格控制水的用量，并且A液与B液混合时应尽量避免出现水局部过量，否则将导致硝化棉沉淀析出而无法得到固体醇燃料。

表2 水的用量对产品质量的影响Tab.2 Effect of water’s dosage on product

3.3 其他因素的影响

采用本文所述工艺制备固体醇燃料不需要加热，考虑到温度低时硝化棉在甲醇中的溶解速度慢，温度高时溶剂易挥发，宜将温度控制在15～35℃。固体醇燃料中，甲醇与乙醇比例对产品质量影响不大，但是从安全卫生角度出发应尽量减少甲醇的含量，乙醇可以选用乙醇含量96%以上的工业酒精。另外，上述工艺中硝化棉、甲醇和乙醇是固体醇燃料的主体配方，在实际应用中还可以酌情添加其他成分以改善产品的性能或满足某些特殊要求。如产品燃烧不完全、有黑烟产生时，可在配方中加入少量的消烟剂如氧化铝等；可用火焰着色改性剂如K、Cu、Sr等的化合物使火焰具有特别的颜色；为改善固体醇燃料的外观，还可加入少量有机颜料；加入少量香精后可增加使用时的舒适感。需要注意的是，这些添加剂添加之后不仅会使固体醇燃料获得所需要的性能，也会改变其燃烧、储存等基本性能，甚至会破坏胶体结构影响成型，所以一定要谨慎选择和添加。

4 结论

以硝化棉为凝胶剂、液体醇为分散介质、水为固化剂可以制备高质量的固体醇燃料。其关键工艺条件是：硝化棉的用量应控制在4.0%～10.0%，水的用量应控制在3.0%～6.0%。用所述工艺方法制备固体醇燃料可在常温下进行，不需要加热源，产品燃烧热值高、燃烧时间长，燃烧时不融化、不流散、不产生黑烟、火焰稳定，燃后残渣少，并且储存时不离浆、贮存时间长。

[1]于剑昆.固体醇燃料的制备[J].胶体与聚合物, 2007, 25(2):27-28.

[2]郑静,汪敦佳,王国宏.固体酒精的制备实验[J].湖北师范学院学报, 2005, 25(2):67-69.

[3]苏政权.一种固体酒精及其生产方法:CN,1357607A[P].2002-07-10.

[4]宁春雪.一种固体酒精的生产配方及生产工艺:CN,1611 587A[P].2005-05-04.

[5]刘庆松.新型高能环保固体燃料及其制备方法:CN,1148 2220A[P].2004-03-17.

[6]涂用华.环保型固体酒精配方及生产工艺:CN,1526799 A[P].2004-09-08.

[7]刘凯强,陈铀,王宁飞,等.航空煤油的羟丙基纤维素凝胶化研究[J].含能材料, 2005, 13(1):58-60.