曹宏安， 張懷智，郭勝強, 謝俊磊

（武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢，430075）

固體醇燃料作為一種方便實用的移動熱源已得到廣泛應(yīng)用。固體醇燃料以醇類物質(zhì)（如甲醇、乙醇）為主體，加入凝膠劑、固化劑，再適當(dāng)添加少量著色劑或性能改良，通過一定的工藝制備而成。相關(guān)文獻資料表明，固體醇燃料常用的凝膠劑多為高級脂肪酸鹽、羥烷基烷基纖維素、硝化纖維素3種。用高級脂肪酸鹽制成的固體醇燃料存在受熱易融化、燃燒時易流散、燃燒后殘渣多、生產(chǎn)時需要加熱等缺點。用羥烷基烷基纖維素制成的固體醇燃料生產(chǎn)時不需要加熱、燃燒殘渣少，但能量和熱值低。而用硝化纖維素制成的固體醇燃料能克服以上不足[1-7]。

本文以硝化棉、液體醇為基本原料，確立了一種新的固體醇燃料的制備工藝，該工藝方法可為以硝化棉為主要成分的過期火藥的再利用提供一條有效途徑。

1 原理

固體醇燃料是一種凝膠，凝膠是一類可保持一定幾何外形，同時兼有固體和液體某些性質(zhì)的膠體分散體系。凝膠體系由凝膠劑所形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和固定于其中的大量溶劑（分散介質(zhì)）組成。在凝膠體系中，凝膠劑三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過表面張力和毛細(xì)作用等使其中的溶劑失去流動性。同時，溶劑又通過自身的填充作用阻礙了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的塌陷。

在以硝化棉、液體醇為基本原料制備固體醇燃料的過程中，硝化棉為凝膠劑，液體醇為分散介質(zhì)。要使硝化棉形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先要選用高效的溶劑溶解硝化棉，打破硝化棉大分子間的氫鍵作用，然后在硝化棉大分子間引入新的結(jié)合作用方式，以構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來固化液體醇。各種溶劑中，丙酮、甲醇對硝化棉具有很強的溶解能力，考慮到成本問題應(yīng)優(yōu)先選用甲醇作為溶劑。硝化棉被溶解后，硝化棉大分子的羥基被甲醇的羥基利用，只能形成穩(wěn)定的高分子溶液而不能通過冷卻形成凝膠。要形成凝膠，就要在溶液中加入其他的物質(zhì)使硝化棉大分子組織成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水分子具有很強的氫鍵結(jié)合能力，可以取代甲醇與硝化棉大分子的羥基氫鍵結(jié)合，而且1個水分子可與2個硝化棉大分子氫鍵結(jié)合，起到類似交聯(lián)劑的作用，使硝化棉大分子形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，理論上可以用水作為固化劑使硝化棉的醇溶液轉(zhuǎn)化為凝膠——固體醇燃料。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

材料：硝化棉，工業(yè)級；甲醇，化學(xué)純；乙醇，化學(xué)純；有機顏料、工業(yè)品香料，市售品；蒸餾水。

儀器：AE-200型電子分析天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；D40-2F型電動攪拌器（杭州儀表電機廠）；DKW-Ⅲ型電子節(jié)能控溫儀（河南省鞏義市英峪豫華儀器廠）；電熱恒溫水浴鍋（金壇市榮華儀器制造有限公司）；具塞三角瓶；量筒；移液管。

2.2 制備方法

（1）溶解：將硝化棉加入甲醇中，密封放置，直至充分溶解。（2）稀釋：硝化棉甲醇溶液用乙醇稀釋，密封放置，直至混合均勻，構(gòu)成A液；同時將乙醇與蒸餾水混合配制乙醇水溶液，構(gòu)成B液。（3）固化：將B液緩慢加入A液，邊混合邊攪拌，混合完畢密封放置24h以上，即得固體醇燃料。

2.3 燃燒實驗

取20g所制備的固體醇燃料和市售固體酒精分別置于酒精爐中，在酒精爐上方放置一個盛有200mL冷水的容器，點燃后觀察燃燒現(xiàn)象，記錄燃燒時間和水溫變化情況。實驗條件下所用市售固體酒精平均燃燒時間為11min。

3 結(jié)果與討論

3.1 硝化棉用量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

將水的用量確定為4%和6%，硝化棉的用量分別為2.0%、4.0%、6.0%、8.0%、10.0%、12.0%，考查硝化棉的用量對產(chǎn)品的固化狀況、硬度、燃燒性能及儲存性能的影響，水的用量為4%時實驗結(jié)果見表1。

表1 硝化棉用量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.1 Effect of nitrocellulose’s dosage on product

由實驗結(jié)果可以看出，比較合適的硝化棉的用量范圍為4.0%～10.0%，在此范圍內(nèi)產(chǎn)品易于成型、色澤美觀、硬度大、燃燒及儲存性能好，而且硝化棉的用量變化對產(chǎn)品質(zhì)量影響不大。

3.2 水的用量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

將硝化棉的用量確定為4%和8%，水的用量分別為2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%，考查水的用量對產(chǎn)品的固化狀況、硬度、燃燒性能及儲存性能的影響，硝化棉用量為4%時的實驗結(jié)果見表2。

由表2可以看出，比較合適的水的用量為3.0%～6.0%，在此范圍內(nèi)產(chǎn)品易于成型、色澤美觀、硬度大、燃燒及儲存性能好。實驗表明，水的用量以及添加方式對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，制備過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水的用量，并且A液與B液混合時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)水局部過量，否則將導(dǎo)致硝化棉沉淀析出而無法得到固體醇燃料。

表2 水的用量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響Tab.2 Effect of water’s dosage on product

3.3 其他因素的影響

采用本文所述工藝制備固體醇燃料不需要加熱，考慮到溫度低時硝化棉在甲醇中的溶解速度慢，溫度高時溶劑易揮發(fā)，宜將溫度控制在15～35℃。固體醇燃料中，甲醇與乙醇比例對產(chǎn)品質(zhì)量影響不大，但是從安全衛(wèi)生角度出發(fā)應(yīng)盡量減少甲醇的含量，乙醇可以選用乙醇含量96%以上的工業(yè)酒精。另外，上述工藝中硝化棉、甲醇和乙醇是固體醇燃料的主體配方，在實際應(yīng)用中還可以酌情添加其他成分以改善產(chǎn)品的性能或滿足某些特殊要求。如產(chǎn)品燃燒不完全、有黑煙產(chǎn)生時，可在配方中加入少量的消煙劑如氧化鋁等；可用火焰著色改性劑如K、Cu、Sr等的化合物使火焰具有特別的顏色；為改善固體醇燃料的外觀，還可加入少量有機顏料；加入少量香精后可增加使用時的舒適感。需要注意的是，這些添加劑添加之后不僅會使固體醇燃料獲得所需要的性能，也會改變其燃燒、儲存等基本性能，甚至?xí)茐哪z體結(jié)構(gòu)影響成型，所以一定要謹(jǐn)慎選擇和添加。

4 結(jié)論

以硝化棉為凝膠劑、液體醇為分散介質(zhì)、水為固化劑可以制備高質(zhì)量的固體醇燃料。其關(guān)鍵工藝條件是：硝化棉的用量應(yīng)控制在4.0%～10.0%，水的用量應(yīng)控制在3.0%～6.0%。用所述工藝方法制備固體醇燃料可在常溫下進行，不需要加熱源，產(chǎn)品燃燒熱值高、燃燒時間長，燃燒時不融化、不流散、不產(chǎn)生黑煙、火焰穩(wěn)定，燃后殘渣少，并且儲存時不離漿、貯存時間長。

[1]于劍昆.固體醇燃料的制備[J].膠體與聚合物, 2007, 25(2):27-28.

[2]鄭靜,汪敦佳,王國宏.固體酒精的制備實驗[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報, 2005, 25(2):67-69.

[3]蘇政權(quán).一種固體酒精及其生產(chǎn)方法:CN,1357607A[P].2002-07-10.

[4]寧春雪.一種固體酒精的生產(chǎn)配方及生產(chǎn)工藝:CN,1611 587A[P].2005-05-04.

[5]劉慶松.新型高能環(huán)保固體燃料及其制備方法:CN,1148 2220A[P].2004-03-17.

[6]涂用華.環(huán)保型固體酒精配方及生產(chǎn)工藝:CN,1526799 A[P].2004-09-08.

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