[發明專利]一種有機小分子凝膠劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110942442.8
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113461657B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 潘倫;鄒吉軍;劉洋;張香文
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C07D317/72
• 分類號: C07D317/72;C07D317/20;C10L7/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 申素霞

本發明提供了一種有機小分子凝膠劑及其制備方法和應用，屬于凝膠燃料技術領域。本發明提供的有機小分子凝膠劑含有環丙烷結構，環丙烷結構屬于高張力結構，賦予凝膠劑優異的凝膠性能，且高張力環丙烷結構也可大幅提升凝膠劑的燃燒性能，可使燃料的點火延遲縮短，發揮促燃效果。而且，本發明提供的有機小分子凝膠含有的多個羥基可以通過氫鍵作用有效形成凝膠，因而其對高能量密度燃料和含能納米流體燃料均具有優異的凝膠性能并具有剪切變稀特性，形成穩定凝膠時最低凝膠劑均不高于1％。

技術領域

本發明涉及凝膠燃料技術領域，尤其涉及一種有機小分子凝膠劑及其制備方法和應用。

背景技術

為了滿足航空航天燃料的使用需求，提供動力的燃料一方面要具有良好的燃燒性能；另一方面還需要具備很好的使用性能。凝膠燃料在儲存和運輸過程中保持穩定的凝膠狀態，在使用時受外力剪切作用后可以變為低黏度的液體狀態。這一特點使凝膠燃料同時具備了固體燃料和液體燃料的優勢，可以有效提升燃料的使用性能。在此基礎上，可通過向凝膠中添加含能金屬納米顆粒(鋁、硼等)大幅提升燃料的能量密度，并通過凝膠態提高燃料的儲存穩定性，從而大幅提升燃料的綜合性能。

雖然可以通過外力破壞凝膠燃料結構而變成液態，但由于凝膠本身具有一定的復凝性，使得凝膠燃料的黏度相對于液體燃料會有所增大，導致其更難霧化。同時，凝膠劑與燃料的燃燒性能差異也會影響凝膠燃料的使用。因此，降低凝膠劑對燃料的影響的一個重要手段就是降低凝膠劑的含量。目前報道的凝膠劑可以分為有機凝膠劑和無機凝膠劑，其中有機凝膠劑又可分為聚合物凝膠劑和有機小分子凝膠劑。在形成穩定凝膠時，無機凝膠劑和聚合物凝膠劑的添加量一般都高于5wt％，且無機凝膠劑不可燃，這對于燃料的燃燒性能有較大的影響。而有機小分子凝膠劑不僅具有可燃性，其最低凝膠劑添加量可低于1wt％，同時使用有機小分子凝膠劑的凝膠燃料具有很好的剪切變稀性能，可以最大程度上保持燃料本身性能(Padwal M B,Natan B,Mishra D P.Gel propellants[J].Progress inEnergy and Combustion Science,2021,83:100885)。

由于凝膠劑與液體燃料燃燒性能的差異，有機凝膠液滴的燃燒存在四個階段。第一個階段是升溫階段，這一過程與純液體燃料液滴的燃燒相似；在第二階段，凝膠劑會在液滴表面形成凝膠層，然后隨著液滴內的燃料受熱而膨脹或發生微爆炸；在第三階段，凝膠層破裂引發燃料蒸汽噴射和燃燒；在第四階段，凝膠層發生燃燒(Lee D,Won J,Baek S W,etal.Autoignition Behavior of an Ethanol-Methylcellulose Gel Droplet in a HotEnvironment[J].Energies,2018,11(8))。這表明凝膠燃料的燃燒速率相比于液體燃料會有所降低。因此提升凝膠燃料的燃燒速率對于凝膠燃料的使用具有重要意義。在不改變燃料本身結構的情況下，通過改變凝膠劑的結構增強其燃燒性能是提升凝膠燃料燃燒速率最為可行的方法之一。因此需要開發一種具有高含能結構的易燃有機小分子凝膠劑，同時實現其凝膠性能和促燃效果，以提高凝膠燃料的綜合性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種有機小分子凝膠劑及其制備方法和應用，所述有機小分子膠凝劑具有高張力結構，具有凝膠性能和促燃效果。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種有機小分子凝膠劑，具有式I所示結構：

式I中，R包括其中，R₁包括-H、-CH₃、-CH₂CH₃或Cl。

優選的，所述的有機小分子凝膠劑包括：

本發明提供了上述技術方案所述有機小分子膠凝劑的制備方法，包括以下步驟：