Forskare från SIT Japan visade i en ny studie att kemiskt tvärbundna polymera gelnätverk kan fånga mycket flyktiga flytande bränslemolekyler, såsom etanol, genom fysiska interaktioner, och därigenom avsevärt minska deras avdunstningshastighet och risker för brandolyckor. Kredit:Naoki Hosoya från SIT, Japan.
Flytande bränslen med hög energitäthet är väsentliga i många tillämpningar där kemisk energi omvandlas till kontrollerad rörelse, såsom i raketer, gasturbiner, pannor och vissa fordonsmotorer. Förutom deras förbränningsegenskaper och prestanda är det också viktigt att garantera säkerheten och stabiliteten för dessa bränslen vid användning såväl som under transport och lagring.
En vanlig fara vid hantering av flytande bränslen är att de kan avdunsta snabbt om de ges utrymme, vilket skapar moln av mycket brandfarliga gaser. Som man kan förvänta sig kan detta leda till katastrofala explosioner eller brandolyckor. För att ta itu med detta problem har forskare övervägt användningen av gelade bränslen, eller bränslen som förvandlas till tjocka gelliknande ämnen från kalla temperaturer. Det finns dock många aspekter att optimera och hinder att övervinna innan gelade bränslen kan gå längre än forskningsfasen.
Ett team av forskare ledda av Prof. Naoki Hosoya från Shibaura Institute of Technology (SIT) och Prof. Shingo Maeda från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, undersökte nyligen en mer övertygande lösning på säkerhetsproblemet med flytande bränslen, nämligen lagra dem i polymera gelnätverk. I sin studie analyserade teamet prestandan, fördelarna och begränsningarna med att lagra etanol, ett vanligt flytande bränsle, i en kemiskt tvärbunden poly(N-isopropylakrylamid) (PNIPPAm) gel. Denna artikel publicerades i Chemical Engineering Journal .
Först kontrollerade de om fångst av etanolmolekyler i de långa och kemiskt sammanflätade PNIPAAm-polymerkedjorna hjälpte till att minska dess avdunstning. För att testa detta skapade forskarna små sfärer av PNIPAAm-gel laddade med etanol och placerade dem på en elektronisk våg för att registrera hur massan förändrades när etanol förångades. De utförde också detta experiment med en motsvarande pöl etanol, med ungefär samma yta och massa som gelkulan.
De fann att lagring av etanol i polymergelen helt undertryckte bränslets tendens att snabbt förångas. Detta beror sannolikt på hur etanolmolekyler "fångas" i gelén, eftersom Prof. Hosoya förklarar att "polymergelén innehåller otaliga tredimensionella polymerkedjor som är kemiskt tvärbundna på ett starkt sätt. Dessa kedjor binder etanolmolekylerna genom olika fysiska interaktioner, vilket begränsar dess avdunstning under processen." Intressant nog beter sig den laddade gelén inte som en våt handduk. Medan en våt handduk skulle släppa ut sin vätska om den vreds, släppte den polymera gelén inte ut etanol lätt under yttre krafter.
Med problemet med avdunstning löst gick teamet vidare för att undersöka de faktiska förbränningsegenskaperna hos etanolen i det polymera gelnätverket för att se om de brändes effektivt. De antände etanolladdade gelkulor av olika storlekar och observerade förändringarna i deras massa och formprofiler i realtid. Baserat på detta fastställde de att förbränningen av de laddade PNIPAAm-gelsfärerna bestod av två faser:en fas som domineras av ren etanolförbränning, följt av en andra fas som domineras av förbränningen av själva PNIPAAm-polymeren.
Genom en efterföljande teoretisk analys av dessa resultat kom teamet till en viktig slutsats:den första och huvudsakliga förbränningsfasen av de laddade PNIPAAm-gelkulorna följer en temperaturmodell med konstant droppe, även känd som "d 2 lag." Vad detta betyder är att förbränningen av den etanolfyllda gelén kan beskrivas med samma modell som används för flytande bränsledroppar, vilket antyder att deras förbränningsprestanda bör vara liknande.
Sammantaget är denna studie ett språngbräde mot nya sätt att säkert transportera och lagra flytande bränslen inuti polymergeler, vilket kan rädda många liv. "Lagring av polymergel kan förhindra explosioner och brandolyckor genom att drastiskt minska avdunstning av bränslen och, i sin tur, bildandet av brandfarliga gasblandningar, vilket lätt kan inträffa efter en läcka i en lagringsanläggning", förklarar Prof. Hosoya. "Mycket arbete återstår fortfarande att göra på denna front, som att kontrollera stabiliteten och prestanda hos polymergeler vid olika temperatur-, tryck- och fuktighetsförhållanden, samt att utveckla enklare tillverkningsprocedurer och bättre sätt att använda dessa bränslebelastade geler i riktiga motorer." + Utforska vidare
