Des chercheurs de SIT Japan ont montré dans une nouvelle étude que les réseaux de gels polymères chimiquement réticulés peuvent piéger des molécules de carburant liquide hautement volatiles, telles que l'éthanol, par des interactions physiques, réduisant ainsi considérablement leur taux d'évaporation et les risques d'incendie. Crédit :Naoki Hosoya de SIT, Japon.
Les combustibles liquides à haute densité d'énergie sont essentiels dans de nombreuses applications où l'énergie chimique est convertie en mouvement contrôlé, comme dans les fusées, les turbines à gaz, les chaudières et certains moteurs de véhicules. Outre leurs caractéristiques de combustion et leurs performances, il est également important de garantir la sécurité et la stabilité de ces combustibles lors de leur utilisation ainsi que pendant le transport et le stockage.
Un danger courant lorsqu'il s'agit de combustibles liquides est qu'ils peuvent s'évaporer rapidement si on leur donne de l'espace, produisant des nuages de gaz hautement inflammables. Comme on pouvait s'y attendre, cela peut entraîner des explosions catastrophiques ou des incendies. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont envisagé l'utilisation de carburants gélifiés ou de carburants transformés en substances épaisses ressemblant à des gels à partir de températures froides. Cependant, il y a de nombreux aspects à optimiser et des obstacles à surmonter avant que les carburants gélifiés puissent aller au-delà de la phase de recherche.
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Naoki Hosoya du Shibaura Institute of Technology (SIT) et le professeur Shingo Maeda du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japon, a récemment étudié une solution plus convaincante au problème de sécurité des carburants liquides, à savoir les stocker à l'intérieur de réseaux de gel polymérique. Dans leur étude, l'équipe a analysé les performances, les avantages et les limites du stockage de l'éthanol, un carburant liquide courant, dans un gel de poly(N-isopropylacrylamide) chimiquement réticulé (PNIPPAm). Cet article a été publié dans le Chemical Engineering Journal .
Tout d'abord, ils ont vérifié si le piégeage des molécules d'éthanol dans les longues chaînes polymères PNIPAAm chimiquement entrelacées contribuait à réduire son taux d'évaporation. Pour tester cela, les chercheurs ont créé de petites sphères de gel PNIPAAm chargées d'éthanol et les ont placées sur une balance électronique pour enregistrer l'évolution de la masse à mesure que l'éthanol se vaporisait. Ils ont également réalisé cette expérience avec une flaque d'éthanol équivalente, avec à peu près la même surface et la même masse que la sphère de gel.
Ils ont découvert que le stockage de l'éthanol dans le gel polymère supprimait complètement la tendance du carburant à se vaporiser rapidement. Cela est probablement dû à la façon dont les molécules d'éthanol sont «piégées» dans le gel, comme l'explique le professeur Hosoya, «le gel polymère contient d'innombrables chaînes polymères tridimensionnelles qui sont chimiquement réticulées de manière forte. Ces chaînes lient les molécules d'éthanol. à travers diverses interactions physiques, limitant son évaporation dans le processus." Fait intéressant, le gel chargé ne se comporte pas comme une serviette humide. Alors qu'une serviette humide libérerait son liquide si elle était essorée, le gel polymère ne laissait pas facilement s'échapper l'éthanol sous des forces externes.
Le problème de l'évaporation étant résolu, l'équipe a ensuite examiné les caractéristiques de combustion réelles de l'éthanol dans le réseau de gel polymère pour voir s'il brûlait efficacement. Ils ont enflammé des sphères de gel chargées d'éthanol de différentes tailles et ont observé les changements de leurs profils de masse et de forme en temps réel. Sur cette base, ils ont déterminé que la combustion des sphères de gel PNIPAAm chargées consistait en deux phases :une phase dominée par la combustion d'éthanol pur, suivie d'une seconde phase dominée par la combustion du polymère PNIPAAm lui-même.
Grâce à une analyse théorique ultérieure de ces résultats, l'équipe est parvenue à une conclusion importante :la première et principale phase de combustion des sphères de gel PNIPAAm chargées suit un modèle à température constante des gouttelettes, également connu sous le nom de "d 2 . Cela signifie que la combustion du gel chargé d'éthanol peut être décrite par le même modèle que celui utilisé pour les gouttelettes de carburant liquide, laissant entendre que leurs performances de combustion devraient être similaires.
Dans l'ensemble, cette étude est un tremplin vers de nouvelles façons de transporter et de stocker en toute sécurité des carburants liquides à l'intérieur de gels polymères, ce qui pourrait sauver de nombreuses vies. "Le stockage de gel polymère pourrait prévenir les explosions et les incendies en réduisant considérablement l'évaporation des carburants et, par conséquent, la formation de mélanges gazeux inflammables, ce qui peut facilement se produire suite à une fuite dans une installation de stockage", explique le professeur Hosoya. "Il reste encore beaucoup de travail à faire sur ce front, comme la vérification de la stabilité et des performances des gels polymères à différentes conditions de température, de pression et d'humidité, ainsi que le développement de procédures de fabrication plus simples et de meilleures façons d'utiliser ces gels chargés de carburant dans de vrais moteurs." Comment les avions peuvent monter plus haut, être plus écologiques en utilisant des carburants dopés
