ES2952209T3 - Method for manufacturing a fuel pellet - Google Patents
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Abstract
Un método para preparar un alcogel para su uso como fuente de combustible incluye las etapas de hidrolizar al menos un tetraalcoxisilano con agua en presencia de un disolvente y un catalizador, en el que el disolvente incluye al menos un alcohol y en el que la relación molar (R) de agua a alcóxido es mayor que 4. El alcogel puede entonces almacenarse en un recipiente herméticamente cerrado para minimizar la evaporación del alcohol, y usarse como fuente de combustible, por ejemplo para uso en campamentos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)A method of preparing an alcogel for use as a fuel source includes the steps of hydrolyzing at least one tetraalkoxysilane with water in the presence of a solvent and a catalyst, wherein the solvent includes at least one alcohol and wherein the molar ratio (R) of water to alkoxide is greater than 4. The alcogel can then be stored in a tightly closed container to minimize evaporation of the alcohol, and used as a fuel source, for example for camping use. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Método para fabricar una pastilla de combustibleMethod for manufacturing a fuel pellet
La presente solicitud se refiere a un método para preparar un alcogel inorgánico para su uso como fuente de combustible y a una pastilla de combustible (por ejemplo, para una estufa de acampada) que se puede obtener a partir de dicho método.The present application relates to a method for preparing an inorganic alcogel for use as a fuel source and to a fuel pellet (for example, for a camping stove) that can be obtained from said method.
Las pastillas de combustible (particularmente las pastillas de combustible sólidas) se usan en estufas portátiles de acampada de combustible sólido para hervir agua y para preparar alimentos y son distintas de los combustibles líquidos como la gasolina, el propano y los alcoholes que requieren quemadores especiales. Las pastillas de combustible encuentran uso en las estufas de acampada por varias razones. A menudo, el combustible natural (por ejemplo, madera) no está disponible, no es inflamable o no hay herramientas disponibles para procesar la madera en una forma que se pueda usar. Además, a menudo se requiere una fuente de combustible que se pueda proporcionar en un tamaño óptimo y que se pueda encender de forma rápida y fiable independientemente de las condiciones ambientales sin necesidad de herramientas y aparatos adicionales. Los combustibles sólidos y en gel son dos categorías generales de combustibles no naturales distintos de los combustibles líquidos que se pueden racionar o procesar en forma de pastillas de combustible.Fuel pellets (particularly solid fuel pellets) are used in portable solid fuel camping stoves for boiling water and preparing food and are distinct from liquid fuels such as gasoline, propane, and alcohols that require special burners. Fuel pellets find use in camping stoves for several reasons. Often, natural fuel (e.g. wood) is not available, is not flammable, or there are no tools available to process the wood into a usable form. Furthermore, a fuel source is often required that can be provided in an optimal size and that can be ignited quickly and reliably regardless of ambient conditions without the need for additional tools and appliances. Solid and gel fuels are two general categories of non-natural fuels other than liquid fuels that can be rationed or processed into fuel pellets.
Las pastillas de combustible sólido más comunes se basan en hexamina (nombre IUPAC: 1,3,5,7-tetraazatriciclo[3.3.1.13,7]decano). La hexamina tiene un calor de combustión moderadamente alto (30 MJ/kg), pero tiene numerosas desventajas, que incluyen:The most common solid fuel pellets are based on hexamine (IUPAC name: 1,3,5,7-tetraazatricyclo[3.3.1.13,7]decane). Hexamine has a moderately high heat of combustion (30 MJ/kg), but has numerous disadvantages, including:
• La hexamina es una amina terciaria y, por lo tanto, las pastillas tienen un olor intenso y desagradable.• Hexamine is a tertiary amine and therefore the tablets have a strong and unpleasant odor.
• La hexamina contiene nitrógeno y (además de dióxido de carbono) su combustión crea adicionalmente formaldehído, amoníaco, óxido de nitrógeno o cianuro de hidrógeno, o una combinación de estos compuestos.• Hexamine contains nitrogen and (in addition to carbon dioxide) its combustion additionally creates formaldehyde, ammonia, nitrogen oxide or hydrogen cyanide, or a combination of these compounds.
• La ingestión de hexamina puede causar náuseas, vómitos, trastornos gastrointestinales y daño renal.• Ingestion of hexamine can cause nausea, vomiting, gastrointestinal disorders, and kidney damage.
• Cuando se quema, el combustible produce vapores nocivos, lo que requiere que los alimentos se cocinen en contenedores herméticamente cerrados.• When burned, fuel produces harmful vapors, requiring foods to be cooked in tightly closed containers.
• Las pastillas quemadas dejan un residuo oscuro y pegajoso en la parte inferior de las ollas.• Burnt tablets leave a dark, sticky residue on the bottom of pots.
A menudo, los llamados productos de masa de gel o combustible de gel se consideran combustibles sólidos, ya que no requieren quemadores especiales como los combustibles líquidos. En algunos casos, estos no son geles, sino soluciones viscosas de alcohol polimérico o fluidos tixotrópicos, como se describe, por ejemplo, en el documento US 4157242 A (Energy & Mineral Research). De acuerdo con la definición de la IUPAc , un gel es una red coloidal no fluida o red polimérica que se expande en todo su volumen mediante un fluido. Los líquidos viscosos o tixotrópicos que no son geles según la definición correcta se pueden denominar productos de masa de gel para que se diferencien de los verdaderos geles. En estos productos, el alcohol sirve como combustible y otros componentes están presentes como agentes espesantes. Hay numerosos materiales diferentes y distintos en una categoría general de "gel". Estos pueden ser inorgánicos, orgánicos, reticulable y no reticulable, a base de nanopartículas o de polímeros, a base de biopolímeros o de polímeros sintéticos, hidrogeles o alcogeles, y estos materiales se pueden preparar con métodos que van desde la mezcla simple hasta la síntesis química compleja, dando lugar a diferentes propiedades químicas, mecánicas, de intercambio iónico y reológicas para diferentes aplicaciones.Often, so-called gel mass or gel fuel products are considered solid fuels, since they do not require special burners like liquid fuels. In some cases, these are not gels, but viscous polymeric alcohol solutions or thixotropic fluids, as described, for example, in US 4157242 A (Energy & Mineral Research). According to the IUPAc definition, a gel is a non-fluid colloidal network or polymeric network that is expanded throughout its volume by a fluid. Viscous or thixotropic liquids that are not gels by the correct definition can be called gel mass products to differentiate them from true gels. In these products, alcohol serves as fuel and other components are present as thickening agents. There are numerous different and distinct materials in a general category of "gel." These can be inorganic, organic, cross-linkable and non-cross-linkable, based on nanoparticles or polymers, based on biopolymers or synthetic polymers, hydrogels or alcogels, and these materials can be prepared with methods ranging from simple mixing to synthesis. complex chemistry, giving rise to different chemical, mechanical, ion exchange and rheological properties for different applications.
Se han propuesto combustibles en masa de gel a base de alquilcelulosa como agente gelificante de biopolímeros orgánicos para alcohol (véase, por ejemplo, la descripción en el documento GB 2500062 A) y también geles verdaderos que no exhiben fluidez a temperatura ambiente (véase en el documento WO 2016/055814, que describe un gel a base de polímero orgánico sintético reticulable poli(ácido acrílico) que se reticula químicamente con poli(dimetacrilato de etilenglicol). Estos son ejemplos de productos en los que se usa un biopolímero orgánico o un polímero orgánico sintético como agente espesante para el alcohol o como verdadera estructura de gel cuando se reticula. Dichos materiales se denominan "alcogeles orgánicos" en los que una red de polímero orgánico (con una cadena principal de hidrocarburo) se llena en todo su volumen con un alcohol. En los casos en los que se use un biopolímero orgánico o un polímero orgánico sintético como agente espesante o gelificante para el alcohol, el agente gelificante es parcialmente combustible o se descompone durante la combustión del gel, lo que, en el último caso, no da como resultado una combustión limpia y puede liberar vapores tóxicos.Gel mass fuels based on alkyl cellulose have been proposed as gelling agents of organic biopolymers for alcohol (see, for example, the description in GB 2500062 A) and also true gels that do not exhibit fluidity at room temperature (see in document WO 2016/055814, which describes a gel based on cross-linkable synthetic organic polymer poly(acrylic acid) that is chemically cross-linked with poly(ethylene glycol dimethacrylate). These are examples of products in which an organic biopolymer or a polymer is used synthetic organic as a thickening agent for alcohol or as a true gel structure when cross-linked. Such materials are called "organic alcogels" in which an organic polymer network (with a hydrocarbon backbone) is filled throughout its volume with a alcohol.In cases where an organic biopolymer or a synthetic organic polymer is used as a thickening or gelling agent for alcohol, the gelling agent is partially combustible or decomposes during the combustion of the gel, which, in the latter case, does not result in clean burning and may release toxic fumes.
Típicamente, los combustibles de masa de gel contienen una cantidad significativa de agua, que es un cosolvente necesario para el espesante de polímeros y el alcohol (típicamente, etanol). Como el calor de vaporización del agua es bastante alto (2,257 MJ/kg), el aditivo de agua que queda en el alcogel reduce el calor total de combustión del alcogel ya que parte de la energía que se libera durante la combustión se consume en la evaporación del agua. Typically, gel mass fuels contain a significant amount of water, which is a necessary cosolvent for the polymer thickener and alcohol (typically ethanol). As the heat of vaporization of water is quite high (2.257 MJ/kg), the water additive remaining in the alcogel reduces the total heat of combustion of the alcogel since part of the energy that is released during combustion is consumed in the evaporation of water.
Las ventajas del alcogel orgánico y los combustibles en masa de gel en comparación con los productos a base de hexamina son, generalmente, procesos de combustión más limpios, menor toxicidad y un olor más agradable cuando se quema. Sin embargo, la viscosidad de las soluciones de polímeros puede depender de la temperatura, por lo que los combustibles de masa de gel se pueden volver más fluidos bajo ciertas condiciones, lo que puede generar problemas de seguridad. Además, el agente gelificante de polímero orgánico se descompone o se quema parcialmente, dejando residuos y dando como resultado productos de combustión potencialmente dañinos.The advantages of organic alcogel and gel mass fuels compared to hexamine-based products are generally cleaner combustion processes, lower toxicity, and a more pleasant odor when burned. However, the viscosity of polymer solutions can depend on temperature, so gel mass fuels can become more fluid under certain conditions, which can lead to security issues. Additionally, the organic polymer gelling agent decomposes or partially burns, leaving residue and resulting in potentially harmful combustion products.
El documento US 2006/051627 describe alcogeles como composiciones de combustible hechas a partir de metanol como solvente y tetrametoxisilano como agente formador de gel.US 2006/051627 describes alcogels as fuel compositions made from methanol as a solvent and tetramethoxysilane as a gel-forming agent.
El documento US 2008/0095928 A1 (GM Global Tech Operations Inc) describe un recubrimiento que incluye un material a base de sílice que tiene grupos funcionales colgantes. En un ejemplo específico, describe un método para preparar un sol-gel a partir de una parte en peso de ácido clorhídrico acuoso 1 N que se añade a dos partes de N-(trietoxisililpropil) urea (50 % en metanol) más una parte de tetrametoxisilano.US 2008/0095928 A1 (GM Global Tech Operations Inc) describes a coating that includes a silica-based material having pendant functional groups. In a specific example, it describes a method for preparing a sol-gel from one part by weight of 1 N aqueous hydrochloric acid that is added to two parts of N-(triethoxysilylpropyl) urea (50% in methanol) plus one part of tetramethoxysilane.
Este método no es adecuado para su uso en la producción de una pastilla de combustible por varias razones:This method is not suitable for use in the production of a fuel pellet for several reasons:
(i) La N-(trietoxisililpropil) urea como precursor contiene el grupo funcional propilurea que es hidrolíticamente estable y se retiene dentro del material. Si se preparara un alcogel a partir de ese precursor, la combustión de ese gel daría como resultado humos de combustión tóxicos debido al nitrógeno contenido en el grupo de la propilurea. (ii) Como solvente se utiliza metanol, que es tóxico.(i) N-(triethoxysilylpropyl) urea as a precursor contains the propylurea functional group that is hydrolytically stable and is retained within the material. If an alcogel were prepared from that precursor, combustion of that gel would result in toxic combustion fumes due to the nitrogen contained in the propylurea group. (ii) Methanol, which is toxic, is used as a solvent.
(iii) Se utiliza HCl acuoso 1N como catalizador. Esto da como resultado un pH muy bajo y reacciones de hidrólisis muy rápidas de los alcóxidos precursores, pero a esta concentración de ácido el sol es estable y no se produce la formación de gel y no se obtiene alcogel, o el tiempo de formación de gel sería tan largo que sería comercialmente irrelevante.(iii) 1N aqueous HCl is used as catalyst. This results in a very low pH and very rapid hydrolysis reactions of the precursor alkoxides, but at this concentration of acid the sol is stable and no gel formation occurs and no alcogel, or gel formation time, is obtained. It would be so long that it would be commercially irrelevant.
(iv) La relación de agua a alcóxido en el ejemplo específico es 3,787. Esto es bastante bajo y es probable que provoque la formación de hollín si el producto se quema.(iv) The ratio of water to alkoxide in the specific example is 3.787. This is quite low and is likely to cause soot to form if the product is burned.
El documento JP 2004022393 A (TDK Corp.) describe un sol que se obtiene a partir de sílice y/o un alcoxisilano y un alcoxisilano que contiene un grupo alcoxifosforil alquilo. Se obtiene un gel a partir del sol, y el gel se trata térmicamente a una temperatura de > 100 °C y < 300 °C. A través de la hidrólisis, se obtiene un electrolito conductor de protones que es estable en un estado húmedo y duradero en el funcionamiento de la pila de combustible.JP 2004022393 A (TDK Corp.) describes a sol that is obtained from silica and/or an alkoxysilane and an alkoxysilane containing an alkoxyphosphoryl alkyl group. A gel is obtained from the sun, and the gel is heat treated at a temperature of > 100 °C and < 300 °C. Through hydrolysis, a proton-conducting electrolyte is obtained that is stable in a wet state and durable in fuel cell operation.
El documento CN 105037733 A (Univ. Wuhan) describe una membrana de intercambio de protones de alta temperatura de fosfato-siloxano con estabilidad hidrolítica y un método de preparación de la misma.Document CN 105037733 A (Wuhan University) describes a phosphate-siloxane high-temperature proton exchange membrane with hydrolytic stability and a preparation method thereof.
Otros ejemplos de composiciones de gel combustible se describen en los documentos GB 2401274 A (Barrett), WO 2016/055814 A1 (Air Global) y GB 2031018 A (Twente).Other examples of fuel gel compositions are described in GB 2401274 A (Barrett), WO 2016/055814 A1 (Air Global) and GB 2031018 A (Twente).
La presente invención busca proporcionar un método de preparación de una pastilla de combustible mejorada que busca mitigar al menos algunas de las desventajas anteriores.The present invention seeks to provide a method of preparing an improved fuel pellet that seeks to mitigate at least some of the above disadvantages.
La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.The invention is defined in the attached claims.
En un primer aspecto, se proporciona un método para preparar un alcogel para su uso como fuente de combustible, que incluye las etapas de hidrolizar al menos un tetraalcoxisilano con agua en presencia de un solvente y un catalizador, en donde el solvente incluye al menos un alcohol, y en donde la relación molar (R) de agua a tetraalcoxisilano es de 5 a 7. La realización de la presente solicitud es que la hidrólisis de al menos un tetraalcoxisilano en las condiciones definidas da como resultado un alcogel que puede usarse como fuente de combustible. Idealmente, no hay presentes alcoxisilanos distintos de los tetraalcoxisilanos. Se ha descubierto que los mono/di/trialcoxisilanos no forman un alcogel adecuado.In a first aspect, a method is provided for preparing an alcogel for use as a fuel source, which includes the steps of hydrolyzing at least one tetraalkoxysilane with water in the presence of a solvent and a catalyst, wherein the solvent includes at least one alcohol, and wherein the molar ratio (R) of water to tetraalkoxysilane is 5 to 7. The embodiment of the present application is that the hydrolysis of at least one tetraalkoxysilane under the defined conditions results in an alcogel that can be used as a source made out of fuel. Ideally, no alkoxysilanes other than tetraalkoxysilanes are present. It has been found that mono/di/trialkoxysilanes do not form a suitable alcogel.
En modalidades preferidas:In preferred modalities:
• El tetraalcoxisilano puede ser una combinación de tetraetoxisilano (TEOS) y tetrapropoxisilano (TPOS).• Tetraalkoxysilane can be a combination of tetraethoxysilane (TEOS) and tetrapropoxysilane (TPOS).
• El solvente/combustible se limita a etanol, etanol desnaturalizado, 1-propanol, 1,6-hexanodiol o cualquiera de sus combinaciones.• The solvent/fuel is limited to ethanol, denatured ethanol, 1-propanol, 1,6-hexanediol or any combination thereof.
• La relación en volumen de solvente a tetraalcoxisilano mayor que 1:1, preferentemente mayor que 2 y con la máxima preferencia 2,3• The volume ratio of solvent to tetraalkoxysilane greater than 1:1, preferably greater than 2 and most preferably 2.3
• La relación molar de agua a tetraalcoxisilano está en el intervalo de 5-7 (preferentemente igual a 6)• The molar ratio of water to tetraalkoxysilane is in the range of 5-7 (preferably equal to 6)
• El pH del gel resultante es de aproximadamente 7. Independientemente si este valor se mantiene constante durante toda la síntesis mediante el uso de catálisis básica con pequeñas concentraciones de catalizadores o si la hidrólisis se lleva a cabo a un pH bajo y luego se eleva el pH cerca de 7 para la formación de gel (que de cualquier otra manera no sucedería o llevaría meses a un pH bajo)• The pH of the resulting gel is approximately 7. Regardless of whether this value is kept constant throughout the synthesis by using basic catalysis with small concentrations of catalysts or whether the hydrolysis is carried out at a low pH and then the pH is raised. pH close to 7 for gel formation (which otherwise would not happen or would take months at low pH)
• El alcogel que se prepara se encierra en un contenedor herméticamente cerrado para evitar la evaporación del alcohol y la consiguiente pérdida de combustibilidad en la transformación del alcogel en óxido amorfo seco. • The alcogel that is prepared is enclosed in a hermetically closed container to prevent the evaporation of the alcohol and the consequent loss of combustibility in the transformation of the alcogel into dry amorphous oxide.
En términos generales, la presente invención describe un método de preparación de un alcogel inorgánico, derivado de sol-gel, a base de la estructura de SiO2 como pastilla de combustible. Se ha descubierto que los alcogeles a base de sílice (cadena principal no hidrocarbonada) se queman y, además, se pueden quemar de manera segura en la atmósfera ambiental a una velocidad adecuada para que se pueda usar como una pastilla de combustible de combustión limpia en estufas portátiles de acampada de combustible sólido. Ventajosamente, la pastilla de combustible de la invención no produce humo, productos químicos nocivos ni olores y produce solo una pequeña cantidad de sílice pura no pegajosa en forma de polvo de aerogel como residuo de combustión que se puede desechar fácilmente sin problemas de reciclaje.In general terms, the present invention describes a method of preparing an inorganic alcogel, derived from sol-gel, based on the SiO 2 structure as a fuel pellet. It has been discovered that alcogels based of silica (non-hydrocarbon backbone) burn and can also be burned safely in the ambient atmosphere at a rate suitable for use as a clean-burning fuel pellet in portable solid fuel camping stoves. Advantageously, the fuel pellet of the invention does not produce smoke, harmful chemicals or odors and produces only a small amount of pure non-sticky silica in the form of airgel powder as a combustion residue that can be easily disposed of without recycling problems.
Estos polvos de aerogel tienen excelentes propiedades en términos de densidad, tamaño promedio de los poros y área superficial específica y, por lo tanto, tienen valor por sí mismos. Esta es posiblemente la ruta más sencilla para preparar polvos de aerogel de sílice. Un proceso hidrolítico de sol-gel que involucra la hidrólisis catalizada por ácido o bases de alcóxidos metálicos y de silicio es un campo bien conocido y establecido de la química con décadas de investigación científica detallada y miles de artículos científicos. Existe un gran número de precursores conocidos en forma de alcóxidos de silicio y metálicos, así como también etapas de procesamiento conocidos de recubrimiento por inmersión, centrifugado y pulverización que se establecieron hace décadas. A pesar de esto, la innovación en el campo de la química sol-gel ha sido continua y significativa.These airgel powders have excellent properties in terms of density, average pore size and specific surface area and therefore have value in their own right. This is possibly the simplest route to prepare silica airgel powders. A sol-gel hydrolytic process involving acid- or base-catalyzed hydrolysis of metal and silicon alkoxides is a well-known and established field of chemistry with decades of detailed scientific research and thousands of scientific articles. There are a large number of known precursors in the form of silicon and metal alkoxides, as well as known processing steps of dip, spin and spray coating that were established decades ago. Despite this, innovation in the field of sol-gel chemistry has been continuous and significant.
Se pueden lograr desarrollos novedosos en el campo de la química sol-gel confiando en estos principios generales conocidos y en la adición de nuevas etapas de procesamiento no triviales para obtener estructuras y dispositivos con una morfología o funcionalidad novedosa y útil. Para ilustrar esto, a partir del conocimiento general que se conoce de las reacciones de hidrólisis y policondensación catalizadas por ácidos o bases de alcóxidos de silicio no se deduce trivialmente, por ejemplo, que se puede obtener aerogel de sílice. Esto requiere etapas de procesamiento complejos más allá de las reacciones de hidrólisis y policondensación de los precursores de sílice. Al añadir nuevas etapas de procesamiento y elaborar nuevas composiciones, existe una gran libertad para usar reacciones de hidrólisis y policondensación en diferentes condiciones y en combinación con otros mecanismos de reacción química y etapas de procesamiento distintos para preparar nuevos soles, nanopartículas, microesferas, espumas, hidrogeles y alcogeles, microcompuestos de fase separada, fibras, monolitos/polvos de xerogel, etc. con una plétora de nuevas propiedades y aplicaciones.Novel developments in the field of sol-gel chemistry can be achieved by relying on these known general principles and the addition of new non-trivial processing steps to obtain structures and devices with novel and useful morphology or functionality. To illustrate this, from the general knowledge that is known of the hydrolysis and polycondensation reactions catalyzed by acids or bases of silicon alkoxides it does not trivially deduce, for example, that silica airgel can be obtained. This requires complex processing steps beyond the hydrolysis and polycondensation reactions of the silica precursors. By adding new processing steps and making new compositions, there is great freedom to use hydrolysis and polycondensation reactions under different conditions and in combination with other chemical reaction mechanisms and different processing steps to prepare new sols, nanoparticles, microspheres, foams, hydrogels and alcogels, phase separated microcomposites, fibers, xerogel monoliths/powders, etc. with a plethora of new properties and applications.
Los dos compuestos de silicio más comunes que se usan en el proceso hidrolítico sol-gel para la obtención de materiales a base de sílice son el tetrametoxisilano (TMOS) y el tetraetoxisilano (TEOS), cuya hidrólisis da como resultado metanol y etanol como productos de reacción, respectivamente. La reacción de hidrólisis típicamente se acelera mediante el uso de un catalizador ácido o básico. TMOS es uno de los pocos alcóxidos que se pueden someter a hidrólisis sin usar un catalizador. Sin embargo, en el caso de TEOS, se usan comúnmente dos tipos de catalizadores: hidróxido de amonio y fluoruro de amonio. Los compuestos TMOS y TEOS contienen 4 grupos alcoxi, capaces de sufrir hidrólisis. La hidrólisis crea grupos silanol (Si-OH) que pueden sufrir una reacción de policondensación con otros grupos Si-OH, dando como resultado agua como producto de reacción:The two most common silicon compounds used in the sol-gel hydrolytic process to obtain silica-based materials are tetramethoxysilane (TMOS) and tetraethoxysilane (TEOS), whose hydrolysis results in methanol and ethanol as production products. reaction, respectively. The hydrolysis reaction is typically accelerated by the use of an acidic or basic catalyst. TMOS is one of the few alkoxides that can undergo hydrolysis without using a catalyst. However, in the case of TEOS, two types of catalysts are commonly used: ammonium hydroxide and ammonium fluoride. The TMOS and TEOS compounds contain 4 alkoxy groups, capable of undergoing hydrolysis. Hydrolysis creates silanol groups (Si-OH) that can undergo a polycondensation reaction with other Si-OH groups, resulting in water as a reaction product:
Si-OH HO-Si ^ Si-O-Si H2O (1) Si-OH HO-Si ^ Si-O-Si H 2 O (1)
Alternativamente, los grupos silanol pueden reaccionar con grupos alcoxi (RO-Si), resultando un alcohol (ROH) como producto de reacción:Alternatively, silanol groups can react with alkoxy groups (RO-Si), resulting in an alcohol (ROH) as a reaction product:
Si-OH RO-Si ^ Si-O-Si ROH (2)Si-OH RO-Si ^ Si-O-Si ROH (2)
Depende de la relación inicial de agua a alcóxido (R) si la reacción (1) o (2) domina. Si la relación molar de agua a alcóxido aumenta por encima de 2, esto da como resultado cada vez más agua como producto de reacción durante la policondensación de silanol. A R=2, la reacción de condensación que produce agua es estadísticamente mínima y domina la reacción de policondensación entre los grupos hidroxi y alcoxi, lo que da como resultado el alcohol como producto de reacción. A R de alrededor de 4, domina la reacción de condensación que produce agua. Esto crea 4 moles de agua por cada mol de alcóxido de silicio que se retiene dentro del gel.It depends on the initial ratio of water to alkoxide (R) whether reaction (1) or (2) dominates. If the molar ratio of water to alkoxide increases above 2, this results in more and more water as a reaction product during silanol polycondensation. At R=2, the condensation reaction that produces water is statistically minimal and the polycondensation reaction between the hydroxy and alkoxy groups dominates, resulting in alcohol as a reaction product. At R of about 4, the condensation reaction that produces water dominates. This creates 4 moles of water for every mole of silicon alkoxide that is retained within the gel.
Se forma un alcogel cuando las cadenas de nanopartículas o especies oligoméricas en crecimiento alcanzan la longitud del recipiente de reacción, lo que provoca una pérdida de fluidez a través de la policondensación y, de esta manera, inmoviliza el solvente. Para la preparación de aerogeles a partir de alcogel es necesario realizar un intercambio de solvente varias veces, tras la eliminación del solvente en condiciones supercríticas con el fin de evitar el colapso de la estructura de los poros debido a las fuerzas capilares. En condiciones normales, el agrietamiento del gel ocurre como resultado de las tensiones de compresión a causa de la existencia de un menisco en la interfase líquido-vapor a medida que los solventes se evaporan de los poros del gel, lo que resulta en una presión capilar diferencial y la contracción del gel. Esto conduce a la formación de un material de óxido amorfo denso (y típicamente agrietado) llamado xerogel. Por tanto, la preparación de un alcogel, así como también su almacenamiento estable sin la evaporación del alcohol de los poros del gel requiere inevitablemente que el alcogel esté encerrado en un contenedor herméticamente cerrado. De cualquier otra manera, el alcogel se transforma en un óxido amorfo. Por ejemplo, el recubrimiento por rotación del sol no da como resultado un alcogel como producto final, ya que el alcohol se evapora de la película. Cualquier procedimiento de procesamiento de sol que permita la evaporación del alcohol no da como resultado un alcogel. An alcogel forms when growing chains of nanoparticles or oligomeric species reach the length of the reaction vessel, causing a loss of fluidity through polycondensation and thus immobilizing the solvent. For the preparation of aerogels from alcogel, it is necessary to perform a solvent exchange several times, after removing the solvent under supercritical conditions in order to avoid the collapse of the pore structure due to capillary forces. Under normal conditions, gel cracking occurs as a result of compressive stresses due to the existence of a meniscus at the liquid-vapor interface as solvents evaporate from the gel pores, resulting in capillary pressure. differential and gel contraction. This leads to the formation of a dense (and typically cracked) amorphous oxide material called xerogel. Therefore, the preparation of an alcogel, as well as its stable storage without evaporation of alcohol from the pores of the gel, inevitably requires that the alcogel be enclosed in a hermetically closed container. Otherwise, the alcogel is transformed into an amorphous oxide. For example, sun spin coating does not result in an alcogel as a final product, as the alcohol evaporates from the film. Any sol processing procedure that allows evaporation of alcohol does not result in an alcogel.
Por lo tanto, en una modalidad preferida, el alcogel que se prepara se encierra en un contenedor para minimizar la evaporación del alcohol y la consiguiente pérdida de combustibilidad en la transformación del alcogel en óxido amorfo seco. Con la máxima preferencia, el contenedor se sella herméticamente.Therefore, in a preferred embodiment, the alcogel to be prepared is enclosed in a container to minimize the evaporation of the alcohol and the consequent loss of combustibility in the transformation of the alcogel into dry amorphous oxide. Most preferably, the container is hermetically sealed.
Se conocen muchos protocolos publicados de síntesis de aerogeles que describen las etapas de preparación de aerogeles de sílice mediante secado supercrítico. La preparación del aerogel incluye la síntesis de un alcogel como etapa intermedia en la obtención del aerogel de sílice. A esta etapa le sigue un intercambio de solventes que requiere mucho tiempo y un secado supercrítico del gel húmedo para obtener un monolito de aerogel.Many published aerogel synthesis protocols are known that describe the steps of preparation of silica aerogels by supercritical drying. The preparation of the airgel includes the synthesis of an alcogel as an intermediate step in obtaining silica airgel. This stage is followed by a time-consuming solvent exchange and supercritical drying of the wet gel to obtain an airgel monolith.
Un ejemplo disponible de protocolo de preparación de aerogel de la técnica anterior de TMOS como precursor se publica en línea en http://www.aerogel.org/?p=1406 y también un protocolo de síntesis de aerogel algo análogo a base de TEOS como precursor en https://www.aerogel.org/?p=1027. La síntesis se reprodujo en base a estos protocolos para determinar su relevancia potencial en el contexto de la presente invención. El protocolo de preparación de aerogel TMOS usa un valor R de 4,146 con 0,0386 M NH4OH como catalizador y relación de volumen de alcohol a alcóxido de 2, mientras que el protocolo de preparación de aerogel a base de TEOS usa un valor R de 17,97 con 0,068 M NH4OH y 0,0203 M NH4F en solución acuosa como catalizadores y relación en volumen de alcohol a alcóxido 4,4. Los valores de calor de combustión resultantes de estos alcoholes son aproximadamente 17 MJ/kg y 20,9 MJ/kg respectivamente. Ambos valores son relativamente bajos. Para mayor claridad, es importante tener en cuenta que estos geles son productos intermedios para la preparación de aerogeles y no hay información previa disponible sobre sus propiedades de combustión. La combustibilidad de los alcogeles derivados de sol-gel no es de ninguna manera trivialmente obvia y nada de esto ha sido descrito ni teorizado en la literatura científica ni de patentes. Además, la sílice y algunos otros óxidos inorgánicos (por ejemplo, Sb2O3) son conocidos como retardantes de llama (DOI: 10.1002/1099-1018(200011 /12)24:6<277::AID-FAM746>3.0.CO;2-A y DOI: 10.1007/978-94-011 -5862-6_32). Adicionalmente, al obtener un alcogel intermedio en el caso de la preparación de aerogel, no hay preocupación por la toxicidad del solvente, el calor de combustión, la resistencia del gel, la influencia de los alcoholes y catalizadores en la posible formación de hollín ni en la toxicidad de los respectivos productos de combustión. En cambio, es relevante la optimización de las propiedades del aerogel resultante, en términos de densidad, homogeneidad, distribución del tamaño de los poros y área superficial específica que se obtiene. El alcohol que se usa en el proceso sol-gel hidrolítico sirve como cosolvente para el alcóxido y el agua y no se trata como combustible.An available example of a prior art airgel preparation protocol for TMOS as a precursor is published online at http://www.aerogel.org/?p=1406 as well as a somewhat analogous TEOS-based airgel synthesis protocol. as a precursor at https://www.aerogel.org/?p=1027. The synthesis was reproduced based on these protocols to determine its potential relevance in the context of the present invention. The TMOS airgel preparation protocol uses an R value of 4.146 with 0.0386 M NH 4 OH as catalyst and alcohol to alkoxide volume ratio of 2, while the TEOS-based airgel preparation protocol uses an R value of 17.97 with 0.068 M NH 4 OH and 0.0203 M NH 4 F in aqueous solution as catalysts and volume ratio of alcohol to alkoxide 4.4. The resulting heat of combustion values of these alcohols are approximately 17 MJ/kg and 20.9 MJ/kg respectively. Both values are relatively low. For clarity, it is important to note that these gels are intermediate products for the preparation of aerogels and no prior information is available on their combustion properties. The combustibility of sol-gel derived alcogels is by no means trivially obvious and none of this has been described or theorized in the scientific or patent literature. Furthermore, silica and some other inorganic oxides (e.g., Sb2O 3 ) are known as flame retardants (DOI: 10.1002/1099-1018(200011 /12) 2 4:6<277::AID-FAM746>3.0.CO ;2-A and DOI: 10.1007/978-94-011 -5862-6_32). Additionally, by obtaining an intermediate alcogel in the case of airgel preparation, there is no concern about the toxicity of the solvent, the heat of combustion, the resistance of the gel, the influence of alcohols and catalysts on the possible formation of soot or on the toxicity of the respective combustion products. Instead, the optimization of the properties of the resulting airgel is relevant, in terms of density, homogeneity, pore size distribution and specific surface area obtained. The alcohol used in the hydrolytic sol-gel process serves as a cosolvent for the alkoxide and water and is not treated as a fuel.
La resistencia de los alcogeles que se mencionan anteriormente es de 10,62 N y 5,22 N respectivamente. La resistencia de las muestras de gel se determinó al medir la fuerza hasta el fallo al presionar un cilindro de metal en un alcogel perpendicular al eje de la muestra de gel cilíndrica. Esto simula la situación de la vida real de levantar la muestra de gel con los dedos. Las muestras de gel eran geométricamente idénticas y de 27,3 mm de diámetro. Una resistencia más abajo de 5 N indica una resistencia muy baja, de manera que es fácil romper el gel con sólo intentar levantarlo con los dedos y una resistencia superior a 25 N es muy buena. Los alcogeles derivados de sol-gel no alcanzan su resistencia final inmediatamente después de la gelificación y, en algunos casos, se pueden requerir semanas o meses para alcanzar la resistencia final a temperatura ambiente. Todas las muestras se envejecieron durante al menos tres días, suficiente para la comparación relativa.The strength of the alcogels mentioned above is 10.62 N and 5.22 N respectively. The strength of the gel samples was determined by measuring the force to failure by pressing a metal cylinder into an alcogel perpendicular to the axis of the cylindrical gel sample. This simulates the real-life situation of lifting the gel sample with your fingers. The gel samples were geometrically identical and 27.3 mm in diameter. Resistance below 5N indicates very low resistance, so it is easy to break the gel just by trying to lift it with your fingers, and resistance above 25N is very good. Sol-gel derived alcogels do not reach their final strength immediately after gelation and, in some cases, weeks or months may be required to reach final strength at room temperature. All samples were aged for at least three days, sufficient for relative comparison.
Se muestra que, en el caso de un intervalo de composición estrecho, cuidadosamente seleccionado y optimizado, se obtiene un alcogel inorgánico de combustión limpia (es decir, sin formación de hollín, sin humos tóxicos) con propiedades mecánicas adecuadas y con valor de calor de combustión al nivel relevante para las aplicaciones prácticas. Los alcóxidos que se pueden usar como precursores en la preparación de alcogeles inorgánicos derivados de sol-gel que se pueden usar como pastillas de combustible de combustión limpia están fuertemente limitados por su estructura química. Solo se pueden usar tetraalcoxisilanos, que contienen 4 grupos alcoxi (Si-OR) unidos al átomo de silicio central. Los dialcoxisilanos y trialcoxisilanos o cualquier alcóxido de silicio en general, que contenga un enlace carbono-silicio hidrolíticamente estable, no es adecuado por varias razones - estos alcóxidos exhiben velocidades de reacción muy bajas y requieren altas concentraciones de catalizador, casi universalmente inducen soles y geles que se separan por fases, dan como resultado geles muy débiles y poco reticulados, dan como resultado una combustión sucia y residuos de combustión sucia y provocan la emanación de nanopartículas y micropartículas de sílice debido a la formación incompleta de la estructura 3D de SiO2 a nivel molecular, lo que representa un grave peligro para la salud. Además, la elección de tetra-alcoxisilanos también está limitada a compuestos que solo contienen grupos alcoxi a base de hidrocarburos lineales o ramificados, ya que solo estos dan como resultado la formación de alcohol de combustión limpia en la hidrólisis. Solo cuando se cumplen los requisitos mencionados anteriormente, una estructura de gel inorgánico es incombustible y, por lo tanto, es fundamentalmente incapaz de liberar humos de combustión tóxicos y la elección de alcóxidos que se pueden usar en una preparación de pastillas de combustible de alcogel se limita a TMOS, TEOS y tetrapropoxisilano (TPOS). Todos los demás se descartan debido a las razones fundamentales mencionadas anteriormente y, de estos tres, TMOS tiene un uso potencial muy limitado.It is shown that, in the case of a narrow, carefully selected and optimized composition range, a clean-burning (i.e., no soot formation, no toxic fumes) inorganic alcogel with adequate mechanical properties and with heat value of combustion to the level relevant for practical applications. The alkoxides that can be used as precursors in the preparation of sol-gel derived inorganic alcogels that can be used as clean-burning fuel pellets are strongly limited by their chemical structure. Only tetraalkoxysilanes can be used, which contain 4 alkoxy groups (Si-OR) attached to the central silicon atom. Dialkoxysilanes and trialkoxysilanes or any silicon alkoxide in general, containing a hydrolytically stable carbon-silicon bond, are not suitable for several reasons - these alkoxides exhibit very low reaction rates and require high catalyst concentrations, almost universally inducing sols and gels. which are phase separated, result in very weak and poorly cross-linked gels, result in dirty combustion and dirty combustion residues and cause the emanation of silica nanoparticles and microparticles due to the incomplete formation of the 3D structure of SiO 2 a molecular level, which represents a serious danger to health. Furthermore, the choice of tetra-alkoxysilanes is also limited to compounds containing only alkoxy groups based on linear or branched hydrocarbons, since only these result in the formation of clean-burning alcohol upon hydrolysis. Only when the requirements mentioned above are met is an inorganic gel structure non-combustible and therefore fundamentally incapable of releasing toxic combustion fumes and the choice of alkoxides that can be used in an alcogel fuel tablet preparation is limited to TMOS, TEOS and tetrapropoxysilane (TPOS). All others are ruled out due to the fundamental reasons mentioned above and of these three, TMOS has very limited potential use.
Por lo tanto, en una modalidad preferida, el tetraalcoxisilano puede ser una combinación de TEOS y TPOS.Therefore, in a preferred embodiment, the tetraalkoxysilane may be a combination of TEOS and TPOS.
Como el metanol es venenoso, los alcogeles a base de TMOS de la técnica anterior como intermediarios en la obtención de aerogeles y sin usos propios informados, no son adecuados para su uso como pastillas de combustible, ya que las pastillas de combustible entran en contacto con la piel y la posible inhalación de vapores de metanol representa un grave peligro para la salud. Además, la combinación de TMOS/metanol produce un bajo calor de combustión.As methanol is poisonous, prior art TMOS-based alcogels as intermediates in obtaining aerogels and with no reported own uses, are not suitable for use as fuel pellets, since the fuel pellets come into contact with skin and possible inhalation of methanol vapors represents a serious health hazard. Furthermore, the TMOS/methanol combination produces a low heat of combustion.
En general, se prefiere TEOS a TMOS porque produce etanol como producto de la reacción de hidrólisis. Por otro lado, el protocolo de preparación de aerogel de la técnica anterior que se basa en TEOS usa un gran exceso de agua y produce un alcogel mecánicamente débil. Como la hidrólisis de TEOS es muy lenta en comparación con TMOS, la hidrólisis es incompleta en la formación de gel, incluso en el caso de dos catalizadores diferentes y esto conduce a la separación de fases. En la preparación de aerogeles, esto se soluciona mediante el uso de una concentración muy alta de solvente y un gran exceso de agua. Esto permite evitar la separación de fases, pero una concentración de solvente muy alta da como resultado un gel débil.TEOS is generally preferred over TMOS because it produces ethanol as a product of the hydrolysis reaction. On the other hand, the prior art airgel preparation protocol that is based on TEOS uses a large excess of water and produces a mechanically weak alcogel. As the hydrolysis of TEOS is very slow compared to TMOS, the hydrolysis is incomplete in gel formation even in the case of two different catalysts and this leads to phase separation. In the preparation of aerogels, this is solved by using a very high concentration of solvent and a large excess of water. This allows phase separation to be avoided, but a very high solvent concentration results in a weak gel.
Adicionalmente, hay un aspecto en la preparación de alcogel por el método sol-gel que nunca se ha considerado ya que no ha habido necesidad ni conocimiento para abordar ese tema científica ni tecnológicamente. Específicamente, la combustión de alcogeles derivados de sol-gel produce hollín cuando la llama entra en contacto con un recipiente de cocción frío cuando se usan alcoholes alifáticos superiores al metanol. La cantidad de hollín aumenta progresivamente a medida que se utilizan alcoholes monohidroxialifáticos superiores, así como también en el caso de una mayor concentración de catalizadores básicos, lo que lleva a valores de pH más altos, lejos de 7.Additionally, there is an aspect in the preparation of alcogel by the sol-gel method that has never been considered since there has been no need or knowledge to address that issue scientifically or technologically. Specifically, the combustion of sol-gel derived alcogels produces soot when the flame comes into contact with a cold cooking vessel when using aliphatic alcohols higher than methanol. The amount of soot increases progressively as higher monohydroxyaliphatic alcohols are used, as well as in the case of a higher concentration of basic catalysts, leading to higher pH values, far from 7.
Por lo tanto, no es posible aplicar una lógica simple para usar alcoholes con un peso molecular más alto (por ejemplo, etanol, propanol, etc.) en alcoholes de sílice con el fin de aumentar el calor de combustión. Estos alcoholes se queman limpiamente como líquidos, pero en el alcohol de sílice el alcohol está contenido en micro- y mesoporos donde las altas presiones y temperaturas durante la combustión (así como también el posible efecto catalítico del propio esqueleto de SO 2) convierte parcialmente los alcoholes en éteres y otros compuestos con puntos de inflamación elevados, lo que provoca una combustión incompleta y la formación de hollín cuando la llama se enfría en un recipiente de cocción. Lo mismo se aplica al valor R, que, en términos de calor de combustión máximo, debería ser 2 (ya que el mecanismo de policondensación domina de acuerdo con la ecuación núm. 2), pero un valor R de 2 no es óptimo en términos de formación de hollín.Therefore, it is not possible to apply simple logic to use higher molecular weight alcohols (e.g. ethanol, propanol, etc.) in silica alcohols in order to increase the heat of combustion. These alcohols burn cleanly as liquids, but in silica alcohol the alcohol is contained in micro- and mesopores where the high pressures and temperatures during combustion (as well as the possible catalytic effect of the SO 2 skeleton itself) partially convert the alcohols in ethers and other compounds with high flash points, causing incomplete combustion and the formation of soot when the flame cools in a cooking vessel. The same applies to the R value, which, in terms of maximum heat of combustion, should be 2 (since the polycondensation mechanism dominates according to equation #2), but an R value of 2 is not optimal in terms of soot formation.
Por lo tanto, la composición de los alcoholes de sílice para su uso como pastillas de combustible es un equilibrio, por un lado, entre la toxicidad de TMOS/metanol y, por otro lado, con la formación de hollín en el caso de alcoholes alifáticos superiores, influye adicionalmente en la concentración de agua y del catalizador tanto en el calor de combustión como en la formación de hollín de forma compleja. Debido a la fuerte formación de hollín, el alcogel a base de TEOS con 1-propanol como combustible que se añade se puede usar como encendedor, por ejemplo, para encender fuego de carbón o de leña, pero no es adecuado para usar como pastilla de combustible en estufas de acampada. Sin embargo, se puede encontrar una ventana de composición preferida que produce alcohol de sílice con propiedades adecuadas para usar como pastilla de combustible en una estufa de acampada. Esto se logra con alcogel a base de TEOS, con etanol como combustible, con una relación molar de agua a tetraalcoxisilano de 5-6 y una cantidad reducida de catalizador para acercar el pH final a 7. Como la separación de fases no muestra una influencia negativa en la pastilla de combustible de alcogel, es posible trabajar en un intervalo de composición marcadamente diferente en comparación con la preparación de aerogel a base de TEOS. Se puede usar etanol desnaturalizado, que contiene benzoato de denatonio como desnaturalizante, así como también etanol al 96 % teniendo en cuenta el contenido de agua para obtener una relación molar correcta de agua a alcóxido.Therefore, the composition of silica alcohols for use as fuel pellets is a balance, on the one hand, between the toxicity of TMOS/methanol and, on the other hand, with the formation of soot in the case of aliphatic alcohols. higher, it additionally influences the concentration of water and the catalyst both in the heat of combustion and in the formation of soot in a complex way. Due to the strong soot formation, the TEOS-based alcogel with 1-propanol as added fuel can be used as a lighter, for example to light a charcoal or wood fire, but is not suitable for use as a lighter. fuel in camping stoves. However, a preferred composition window can be found that produces silica alcohol with properties suitable for use as a fuel pellet in a camping stove. This is achieved with TEOS-based alcogel, with ethanol as fuel, with a molar ratio of water to tetraalkoxysilane of 5-6 and a reduced amount of catalyst to bring the final pH closer to 7. As the phase separation does not show an influence negative in the alcogel fuel pellet, it is possible to work in a markedly different composition range compared to the TEOS-based airgel preparation. Denatured ethanol, containing denatonium benzoate as a denaturant, can be used as well as 96% ethanol taking into account the water content to obtain a correct molar ratio of water to alkoxide.
Se prefiere un valor de pH de alrededor de 7 para una mínima formación de hollín durante la combustión. Este requisito es muy poco convencional en el contexto de los parámetros típicos del proceso sol-gel que normalmente requieren un valor de pH alejado de la neutralidad para que se produzca la hidrólisis. Este es especialmente el caso de TEOS. Esto plantea serias limitaciones a la estrategia de uso de catalizadores y sus concentraciones. Hay dos opciones posibles para cumplir con este requisito: 1) El uso de condiciones básicas con el uso de NaOH, NH4OH u otro catalizador base en una concentración pequeña, suficiente para lograr la formación de gel en una escala de tiempo comercialmente relevante y en cantidades lo suficientemente pequeñas para una formación mínima de hollín o 2) usar un pH bajo (por ejemplo, HCl como catalizador) para una hidrólisis rápida y elevar el pH cerca de 7 antes del envase para una rápida formación de gel mediante la adición de una base fuerte en solución de agua cerca de una cantidad equimolar al ácido. La última estrategia implica así la adición de agua en dos partes separadas.A pH value of around 7 is preferred for minimal soot formation during combustion. This requirement is very unconventional in the context of typical sol-gel process parameters that typically require a pH value far from neutrality for hydrolysis to occur. This is especially the case with TEOS. This poses serious limitations to the strategy of using catalysts and their concentrations. There are two possible options to meet this requirement: 1) The use of basic conditions with the use of NaOH, NH 4 OH or other base catalyst in a small concentration, sufficient to achieve gel formation on a commercially relevant time scale and in amounts small enough for minimal soot formation or 2) use a low pH (e.g. HCl as a catalyst) for rapid hydrolysis and raise the pH to about 7 before packaging for rapid gel formation by adding a strong base in water solution about an equimolar amount to the acid. The latter strategy thus involves adding water in two separate parts.
Por lo tanto, en una modalidad, NH4OH y NH4F se usan como catalizadores para la preparación de alcoholes a base de TEOS con una molaridad preferida en solución acuosa en el intervalo de 0,005-0,05 M y 0,003-0,03 M (con la máxima preferencia 0,0067 M y 0,00327 M) para NH4OH y NH4F respectivamente. En la segunda modalidad, el tetraalcoxisilano se hidroliza con HCl (preferentemente con un valor R de 4 con HCl 0,02 M) y subsecuentemente se añade una solución acuosa de NaOH para elevar el pH cerca de 7 (preferentemente al valor final R de 6 con NaOH 0,04 M) para lograr la formación de gel.Therefore, in one embodiment, NH 4 OH and NH 4 F are used as catalysts for the preparation of TEOS-based alcohols with a preferred molarity in aqueous solution in the range of 0.005-0.05 M and 0.003-0. 03 M (most preferably 0.0067 M and 0.00327 M) for NH 4 OH and NH 4 F respectively. In the second embodiment, the tetraalkoxysilane is hydrolyzed with HCl (preferably to an R value of 4 with 0.02 M HCl) and subsequently an aqueous solution of NaOH is added to raise the pH to about 7 (preferably to the final R value of 6 with 0.04 M NaOH) to achieve gel formation.
En una modalidad, la relación en volumen de solvente a tetraalcoxisilano es superior a 1:1, preferentemente superior a 2 y con la máxima preferencia 2,3. El solvente puede incluir etanol, etanol desnaturalizado, 1-propanol, 1,6-hexanodiol o cualquiera de sus combinaciones y es preferentemente etanol desnaturalizado.In one embodiment, the volume ratio of solvent to tetraalkoxysilane is greater than 1:1, preferably greater than 2 and most preferably 2.3. The solvent may include ethanol, denatured ethanol, 1-propanol, 1,6-hexanediol or any combination thereof and is preferably denatured ethanol.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona una pastilla de combustible para una estufa de acampada que incluye un alcogel que se puede obtener por medio de un método como se ha definido anteriormente y que está contenido en un contenedor. Por ejemplo, el contenedor puede ser una envoltura a base de papel que sea impermeable a los alcoholes o una capa de parafina alrededor del alcogel.According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel pellet for a camping stove that includes an alcogel obtainable by a method as defined. above and which is contained in a container. For example, the container may be a paper-based wrapper that is impermeable to alcohols or a layer of paraffin around the alcogel.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un método para generar calor que incluye la etapa de quemar un alcogel como se prepara con el método anterior o al retirar una pastilla de combustible del contenedor como se definió anteriormente y luego quemarlo.According to a third aspect of the invention, a method of generating heat is provided that includes the step of burning an alcogel as prepared by the above method or by removing a fuel pellet from the container as defined above and then burning it.
Así como también generar calor, este método produce como producto secundario polvo de aerogel de sílice como residuo de combustión. Por lo tanto, esta es una forma técnicamente simple de producir este producto.As well as generating heat, this method produces silica airgel powder as a by-product as a combustion residue. Therefore, this is a technically simple way to produce this product.
En un aspecto alternativo de la invención, se proporciona un método para preparar un alcogel para su uso como fuente de combustible, que incluye las etapas de hidrolizar al menos un alcóxido de silicio con agua en presencia de un solvente, en donde el solvente incluye al menos un alcohol, y en donde la relación molar (R) de agua a alcóxido es inferior a 4.In an alternative aspect of the invention, a method is provided for preparing an alcogel for use as a fuel source, which includes the steps of hydrolyzing at least one silicon alkoxide with water in the presence of a solvent, wherein the solvent includes minus one alcohol, and where the molar ratio (R) of water to alkoxide is less than 4.
A continuación, se describirán varias modalidades preferidas de la invención y contra-ejemplos (es decir, fuera del alcance de la invención).Various preferred embodiments of the invention and counter-examples (i.e., outside the scope of the invention) will now be described.
Ejemplo 1Example 1
Se añaden 27,4 ml de TEOS a 63 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 13,35 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar NH4OH y 0,00333 de molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de aproximadamente 2 horas y 10 min a 22 °C y la resistencia del gel aumenta y alcanza una meseta en ~20 días a 22 °C. El alcohol de sílice se obtiene con un valor de calor de combustión de 23,4 MJ/kg. La formación de gel y el envejecimiento se pueden llevar a cabo a temperaturas más altas hasta el punto de ebullición del alcohol para disminuir exponencialmente el tiempo de gelificación y acelerar el envejecimiento sin ningún inconveniente.27.4 ml of TEOS are added to 63 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 13.35 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar NH 4 OH and 0.00333 molar NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. The gelation time is approximately 2 hours and 10 min at 22 °C and the gel strength increases and reaches a plateau in ~20 days at 22 °C. Silica alcohol is obtained with a heat of combustion value of 23.4 MJ/kg. Gel formation and aging can be carried out at higher temperatures up to the boiling point of alcohol to exponentially decrease the gelation time and accelerate aging without any drawbacks.
Ejemplo 2Example 2
Se añaden 27,4 ml de TEOS a 63 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 13,35 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,00167 molar de NH4OH y 0,000833 molar de NH4F respectivamente) y se mezcla durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de aproximadamente 57 h a 22 °C y ~7,5 h a 50 °C, lo que representa un límite más alto aproximado en el que el proceso es comercialmente relevante en términos de tiempo de gelificación que resulta de la concentración que se usa de catalizadores. El alcohol de sílice resultante tiene un valor de calor de combustión de 23,4 MJ/kg, idéntico al del Ejemplo 1.27.4 ml of TEOS are added to 63 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 13.35 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.00167 molar of NH 4 OH and 0.000833 molar of NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. The gel time is approximately 57 h at 22 °C and ~7.5 h at 50 °C, which represents an approximate upper limit at which the process is commercially relevant in terms of gel time resulting from the concentration that It is used as catalysts. The resulting silica alcohol has a heat of combustion value of 23.4 MJ/kg, identical to that of Example 1.
Ejemplo 3Example 3
Se añaden 27,4 ml de TEOS a 63 ml de n-propanol en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 13,25 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar de NH4OH y 0,00333 molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de ~8 horas a 22 °C y la resistencia del gel continúa aumentando durante más de 7 días. Esto da como resultado un alcogel de sílice ligeramente turbio debido a la separación de fases durante la formación del gel. Se obtiene un alcogel con valor de calor de combustión de 27,5 MJ/kg.27.4 ml of TEOS are added to 63 ml of n-propanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 13.25 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar of NH 4 OH and 0.00333 molar of NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. The gelation time is ~8 hours at 22 °C and the gel strength continues to increase for more than 7 days. This results in a slightly cloudy silica alcogel due to phase separation during gel formation. An alcogel with a heat of combustion value of 27.5 MJ/kg is obtained.
Ejemplo 4Example 4
Se añaden 21,92 ml de TEOS y 3,65 ml de TMOS (relación molar 9/1) a 63 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 13,35 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar de NH4OH y 0,00333 molar de NH4F respectivamente) y se mezcló durante 10 min. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de aproximadamente 3 h y 10 min a 22 °C.21.92 ml of TEOS and 3.65 ml of TMOS (molar ratio 9/1) are added to 63 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 13.35 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar of NH 4 OH and 0.00333 molar of NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 min. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. Gelation time is approximately 3 h and 10 min at 22 °C.
Ejemplo 5Example 5
Se añaden 27,4 ml de TEOS a 30 ml de etanol al 96 % en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 7,418 mL de agua que contiene 0,05 M HCl como catalizador y se mezcla por 30 min. En consecuencia, se añaden 3,709 mL de una solución acuosa de NaOH 0,1 M, se mezclan durante 3 min y luego se añaden 33 mL de etanol al 96 %. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6,13. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de ~16 horas a 22 °C y se forma un gel ópticamente transparente y mecánicamente fuerte que se contrae ~25 % en volumen durante el envejecimiento, se expulsa la cantidad equivalente de solvente, típica de los soles catalizados con ácido. La resistencia de gel resultante es >2-3 veces superior a la de los preparados mediante el uso del catalizador base, alcanzando los 30N. La resistencia de las muestras de gel se determinó mediante la medición de la fuerza hasta el fallo mediante presión a un cilindro de metal en un alcogel perpendicular al eje de la muestra de gel cilíndrica que estaba colocada horizontalmente sobre la superficie plana. Esto simula la situación de la vida real de levantar la muestra de gel con los dedos. La muestra de gel tenía 27,3 mm de diámetro.27.4 mL of TEOS is added to 30 mL of 96% ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 7.418 mL of water containing 0.05 M HCl as catalyst are added and mixed for 30 min. Consequently, 3.709 mL of a 0.1 M aqueous NaOH solution are added, mixed for 3 min, and then Add 33 mL of 96% ethanol. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6.13. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. Gelation time is ~16 hours at 22°C and forms an optically clear, mechanically strong gel that shrinks ~25% by volume during aging, the equivalent amount of solvent is expelled, typical of acid-catalyzed sols. . The resulting gel strength is >2-3 times higher than that of those prepared using the base catalyst, reaching 30N. The strength of the gel samples was determined by measuring the force to failure by pressing a metal cylinder in an alcogel perpendicular to the axis of the cylindrical gel sample that was placed horizontally on the flat surface. This simulates the real-life situation of lifting the gel sample with your fingers. The gel sample was 27.3 mm in diameter.
Ejemplo 6Example 6
Se añaden 27,4 ml de TEOS a 30 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 11,043 mL de agua (efectivamente R=5) que contiene 0,02 M HCl como catalizador y se mezcla por 24 min. En consecuencia, se añaden gota a gota 0,552 ml de solución acuosa de NaOH 0,4 M, se mezclan durante 3 min y luego se añaden 33 ml de etanol desnaturalizado. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel. El tiempo de gelificación es de ~10 horas a 22 °C y se forma un gel ópticamente transparente y mecánicamente fuerte que se contrae ~18 % en volumen durante el envejecimiento.27.4 ml of TEOS are added to 30 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 11.043 mL of water (effectively R=5) containing 0.02 M HCl as catalyst are added and mixed for 24 min. Accordingly, 0.552 ml of 0.4 M NaOH aqueous solution is added dropwise, mixed for 3 min, and then 33 ml of denatured ethanol is added. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place. Gelation time is ~10 hours at 22°C, forming an optically clear and mechanically strong gel that shrinks ~18% by volume during aging.
Ejemplo 7Example 7
Se añaden 178,45 ml de tetrapropoxisilano (TPOS) a 315 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezcla durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 66,76 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar de NH4OH y 0,00333 molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel.178.45 ml of tetrapropoxysilane (TPOS) is added to 315 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 66.76 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar of NH 4 OH and 0.00333 molar of NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place.
Ejemplo 8Example 8
Se añaden 178,45 ml de tetrapropoxisilano (TPOS) a 315 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezcla durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 55,63 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar NH4OH y 0,00327 molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 5. Luego, el sol se vierte en contenedores de polipropileno y se sella herméticamente donde tiene lugar la formación del gel.178.45 ml of tetrapropoxysilane (TPOS) is added to 315 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 55.63 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar NH 4 OH and 0.00327 molar NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 5. The sol is then poured into polypropylene containers and hermetically sealed where the gel formation takes place.
Contra-ejemplo 1Counter-example 1
Se añaden 24,66 ml de TEOS y 2,74 ml de metiltrietoxisilano a 63 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados de vidrio y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 11 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar NH4OH y 0,00333 molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 10 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 4,89. Luego, el sol se vierte en un contenedor de polipropileno. No se forma gel a 22 °C durante más de 2 meses y a 50 °C se forma una suspensión de fases separadas que no mantiene la forma. Al aumentar el valor R, la tendencia a la separación de fases aumenta aún más.24.66 ml of TEOS and 2.74 ml of methyltriethoxysilane are added to 63 ml of denatured ethanol in a glass beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 11 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar NH 4 OH and 0.00333 molar NH 4 F respectively) are added and mixed for 10 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 4.89. Then the sun is poured into a polypropylene container. No gel forms at 22 °C for more than 2 months and at 50 °C a phase-separated suspension forms that does not maintain its shape. By increasing the R value, the tendency for phase separation increases further.
Contra-ejemplo 2Counter-example 2
Se añaden 24,66 ml de TEOS y 2,74 ml de metiltrietoxisilano a 30 ml de etanol desnaturalizado en un vaso de precipitados y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 7,333 mL de agua que contiene HCl como catalizador (0,04 molar) y se mezcla durante 20 minutos, seguido de la adición de 3,666 mL de una solución de 0,08 M de NaOH en agua, se continúa mezclando durante 5 min y se añaden 33 mL de etanol. Esto da como resultado una relación molar de agua total a alcóxido de 4,89. Luego, el sol se vierte en un contenedor de polipropileno. No se forma gel a 22 °C durante más de 2 meses y se obtiene un sol claro y estable sin un aumento apreciable de la viscosidad. Se añade etanol en dos partes para aumentar la velocidad de hidrólisis; de cualquier otra manera, el efecto de dilución impediría fuertemente que se produjera la hidrólisis, evidente por la naturaleza exotérmica de la reacción.24.66 ml of TEOS and 2.74 ml of methyltriethoxysilane are added to 30 ml of denatured ethanol in a beaker and mixed for 1 minute. Consequently, 7.333 mL of water containing HCl as catalyst (0.04 molar) is added and mixed for 20 minutes, followed by the addition of 3.666 mL of a solution of 0.08 M NaOH in water, mixing continues. for 5 min and 33 mL of ethanol are added. This results in a total water to alkoxide molar ratio of 4.89. Then the sun is poured into a polypropylene container. No gel forms at 22°C for more than 2 months and a clear, stable sol is obtained without an appreciable increase in viscosity. Ethanol is added in two parts to increase the rate of hydrolysis; Otherwise, the dilution effect would strongly prevent hydrolysis from occurring, evident from the exothermic nature of the reaction.
Contra-ejemplo 3Counter-example 3
Se añaden 2,222 mL de feniltrimetoxisilano a 6,312 mL de etanol desnaturalizado en un vial de vidrio y se mezclan durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 1,26 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,0067 molar NH4OH y 0,00333 molar de NH4F respectivamente) y se mezclan durante 20 minutos. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 6. Se obtiene un sol opaco después de añadir el agua y después de 2 días a 22 °C se forma material ceroso separado de fases en la parte inferior del recipiente de reacción cerrado. 2.222 mL of phenyltrimethoxysilane is added to 6.312 mL of denatured ethanol in a glass vial and mixed for 1 minute. Consequently, 1.26 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.0067 molar NH 4 OH and 0.00333 molar NH 4 F respectively) are added and mixed for 20 minutes. This results in a water to alkoxide molar ratio of 6. An opaque sol is obtained after adding water and after 2 days at 22 °C phase-separated waxy material forms at the bottom of the closed reaction vessel.
La misma síntesis con valor R de 4 y 0,04 M de NH4OH y 0,02 M de NH4F produce un sol claro después de 2 minutos de mezcla después de añadir el agua, pero en ~1,5 horas el sol se vuelve opaco y se forma un material ceroso similar separado en fases en la parte inferior del recipiente de reacción después de 2 días, en comparación con el valor R de 6.The same synthesis with R value of 4 and 0.04 M NH 4 OH and 0.02 M NH 4 F produces a clear sol after 2 minutes of mixture after adding water, but in ~1.5 hours the sol becomes opaque and a similar phase-separated waxy material forms at the bottom of the reaction vessel after 2 days, compared to the R value of 6.
Contra-ejemplo 4Counter-example 4
Se añaden 1,6 ml de viniltrietoxi a 6,312 ml de etanol desnaturalizado en un vial de vidrio y se mezcla durante 1 minuto. En consecuencia, se añaden 0,84 mL de agua que contiene NH4OH y NH4F como catalizadores (0,04 molar de NH4OH y 0,02 molar de NH4F respectivamente) y se mezcla. Esto da como resultado una relación molar de agua a alcóxido de 4. En 15 min se obtiene un sol transparente, pero en 2 días se forma una suspensión de fases separadas y no se obtiene alcogel.1.6 ml of vinyltriethoxy is added to 6.312 ml of denatured ethanol in a glass vial and mixed for 1 minute. Consequently, 0.84 mL of water containing NH 4 OH and NH 4 F as catalysts (0.04 molar of NH 4 OH and 0.02 molar of NH 4 F respectively) are added and mixed. This results in a molar ratio of water to alkoxide of 4. In 15 min a transparent sol is obtained, but in 2 days a suspension of separated phases is formed and no alcogel is obtained.
Los contra-ejemplos demuestran que no se puede formar un gel con un trialcoxisilano en un intervalo de composición que es necesario para obtener una pastilla de combustible de alcogel.The counter-examples demonstrate that a gel cannot be formed with a trialkoxysilane in a composition range that is necessary to obtain an alcogel fuel pellet.
Además, todas las características y modificaciones opcionales y preferidas de las modalidades descritas y las reivindicaciones dependientes se pueden usar en todos los aspectos de la invención que se enseña en la presente descripción. Además, las características individuales de las reivindicaciones dependientes, así como también todas las características y modificaciones opcionales y preferidas de las modalidades descritas son combinables e intercambiables entre sí.Furthermore, all optional and preferred features and modifications of the described embodiments and dependent claims may be used in all aspects of the invention taught in the present description. Furthermore, the individual features of the dependent claims, as well as all optional and preferred features and modifications of the described embodiments, are combinable and interchangeable with each other.
La presente solicitud reivindica la prioridad de las descripciones en la solicitud de patente del Reino Unido número 1913244.8 The present application claims priority to the descriptions in UK patent application number 1913244.8
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