科学家展示了如何将液体燃料储存在聚合物凝胶中以防止爆炸和火灾

具有高能量密度的液体燃料在许多将化学能转化为受控运动的应用中必不可少，例如在火箭、燃气轮机、锅炉和某些车辆发动机中。除了它们的燃烧特性和性能外，确保这些燃料在使用以及运输和储存过程中的安全性和稳定性也很重要。

处理液体燃料时的一个常见危险是，如果给定空间，它们会迅速蒸发，产生高度易燃气体云。正如人们所预料的那样，这可能导致灾难性的爆炸或火灾事故。为了解决这个问题，研究人员考虑使用凝胶燃料，或者燃料在低温下变成厚的凝胶状物质。不幸的是，在凝胶燃料超越研究阶段之前，有许多方面需要优化和克服障碍。

幸运的是，由日本芝浦工业大学 (SIT) 的 Naoki Hosoya 教授和日本东京工业大学 (Tokyo Tech) 的 Shingo Maeda 教授领导的一组研究人员最近研究了一种更引人注目的液体燃料安全问题的解决方案，即将它们存储在聚合物凝胶网络中。在他们的研究中，研究小组分析了在化学交联的聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPPAm) 凝胶中储存乙醇(一种常见的液体燃料)的性能、优势和局限性。该论文于 2022 年 4 月 21 日在线发布，并于2022 年 9 月 15 日发表在《化学工程杂志》第 444 卷上。

首先，他们检查了将乙醇分子捕获在长且化学交织的 PNIPAAm 聚合物链中是否有助于降低其蒸发速率。为了测试这一点，研究人员制作了装有乙醇的 PNIPAAm 凝胶小球，并将它们放在电子秤上，以记录质量如何随着乙醇蒸发而变化。他们还用等量的乙醇水坑进行了这项实验，其表面积和质量与凝胶球大致相同。

他们发现，将乙醇储存在聚合物凝胶中完全抑制了燃料快速蒸发的趋势。这可能是由于乙醇分子是如何“被困”在凝胶中的，正如 Hosoya 教授解释的那样：“聚合物凝胶包含无数的三维聚合物链，这些聚合物链以强烈的方式化学交联。这些链与乙醇分子结合通过各种物理相互作用，限制其在此过程中的蒸发。”有趣的是，加载的凝胶不像湿毛巾。湿毛巾拧干后会释放液体，而聚合物凝胶在外力作用下不易释放乙醇。

随着蒸发问题的解决，研究小组继续检查聚合物凝胶网络中乙醇的实际燃烧特性，看看它们是否有效燃烧。他们点燃了各种尺寸的装有乙醇的凝胶球，并实时观察了它们的质量和形状分布的变化。基于此，他们确定负载的 PNIPAAm 凝胶球的燃烧由两个阶段组成：一个以纯乙醇燃烧为主的阶段，其次是 PNIPAAm 聚合物本身的燃烧为主的第二阶段。

通过随后对这些结果的理论分析，该团队得出了一个重要结论：负载的 PNIPAAm 凝胶球的第一和主要燃烧阶段遵循恒定的液滴温度模型，也称为“d2定律”。这意味着载有乙醇的凝胶的燃烧可以用用于液体燃料液滴的相同模型来描述，暗示它们的燃烧性能应该相似。

总体而言，这项研究是迈向在聚合物凝胶内安全运输和储存液体燃料的新方法的垫脚石，这可以挽救许多生命。“聚合物凝胶储存可以通过大幅减少燃料的蒸发来防止爆炸和火灾事故，进而减少易燃气体混合物的形成，这种情况很容易在储存设施泄漏后发生，”Hosoya 教授解释说。“在这方面仍有许多工作要做，例如检查聚合物凝胶在不同温度、压力和湿度条件下的稳定性和性能，以及开发更简单的制造程序和更好的方法来使用这些载有燃料的凝胶真正的引擎。”