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Experimental studies of kerosene gelled fuel using dibenzylidene sorbitol = 디벤질리덴소르비톨을 이용한 케로신 젤에 관한 실험적 연구
서명 / 저자 Experimental studies of kerosene gelled fuel using dibenzylidene sorbitol = 디벤질리덴소르비톨을 이용한 케로신 젤에 관한 실험적 연구 / Kurniawan Ardhianto.
저자명 Ardhianto, Kurniawan ; 아르디안토, 쿠르니아완
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

The present study reports the first findings of gelation of kerosene using low molecular mass organic gelator (LMOG), 1,3:2,4-Dibenzylidene-D-sorbitol (DBS), which has been widely used for many applications such as cosmetics, healthcare products, etc. DBS self-assembles to form nanofibrils gel network in various solvents and polymers via a combination of intra- and intermolecular hydrogen bonding at lower concentrations (<5 wt.%). The predictive framework of DBS gelation were determined through Hansen solubility parameters (HSPs). The HSPs of DBS were empirically determined to be ($\delta_D, \delta_P, \delta_H$)=(17.8, 13.6, 6.4) (in $J^{0.5}cm^{-1.5}$). It was found that the DBS solution fails to form gel with kerosene due to their large difference in the HSP values, and to solve this, a small amount of hexanol was added to kerosene as a cosolvent. In the present study, the self-assembly of DBS investigated in detail by varying hexanol in the range of 20 to 50 wt.% and DMSO in the range of 4 to 10 wt.%. Morphological studies were done by obtaining the micro image in scanning electron microscopy (SEM). The compatibility between gellant and solvent was evaluated using Ro which is the distance between HSP parameters of the gellant and solvent in Hansen 3-D space. We classified the sample based on gelation time in the range of $9 \leq R_o \leq 14$ as follows: instant gel (IG) ($R_o < 12.25$), slow gel (SG) ($12.25 \leq R_o \leq 13$), and insoluble region (I) ($R_o > 13$). Furthermore, the use of HSP has been developed for predicting the phase transition temperature ($T_f$) of samples. Along with the quantitative method, ramp temperature rheological experiments were done to study the thermoreversible properties of gel samples. Experimental Tf value of HDK series was varied from $149 \pm 3.1^circ C$ for HDK1 to $137 \pm 7.4^circ C$ for HDK4, while Hex series ranged from $140 \pm 3.5^circ C$ (Hex20) to $107 \pm 11.4^circ C$ (Hex50). This range was in good agreement with quantitative prediction in a non-polar and slightly polar compounds. The microstructure analysis shows the presence of 3D nano-fibrillar morphology, which further depends on solvent polarity. The structure changes from a ‘web-like’ structures to ‘rope-like’ helical fibre aggregate with solvent polarity. In addition, the calorific value of samples was obtained using bomb calorimetry experiments. The result was found that the reduction of calorific value in the gel fuel samples as compared with pure kerosene value was not as high as the reduction of kerosene concentration ($C_K$). This is mainly because the other compounds in the gel fuel samples are flammable. Finally, droplet combustion experiments which widely used in investigating combustion characteristics were done in HDK series. The phenomena happened in the combustion process is the function of $C_{DMSO}$ which results the shell thickness. It changes from abrupt explosion and puffing in a lower $C_{DMSO}$ sample which has a thicker outer layer to ligament bursting and secondary droplet formation in a higher $C_{DMSO}$ sample which has a thinner outer layer. The shell thickness is also correlated to $T_f$ value which results the differences of combustion behavior of samples.

본 연구에서는 저분자량유기젤화제(low molecular mass organic gelator, LMOG)인 1,3:2,4-Dibenzylidene-D-sorbitol (DBS)을 이용한 젤 형성을 연구했다. 화장품 및 의료용품에 쓰이는 DBS는 다양한 용액과 중합체 안에서 낮은 농도(<5 wt.%)에서도 수소 결합을 통한 자가 조립으로 나노피브릴 젤 네트워크를 형성한다. DBS의 젤화에 대한 예측은 한센 용해 인자(Hansen soluility parameter, HSP)를 통해 결정되었다. DBS의 한센 용해 인자는 실험적으로 결정되었으며 그 값은 ($\delta_D, \delta_P, \delta_H$)=(17.8,13.6,6.4) ($J^{0.5} cm^{-1.5}$)이다. DBS는 HSP 값의 차이로 인해 케로신과 젤을 형성하지 않는다는 것을 발견했으며, 이를 해결하기 위해 소량의 헥산올이 케로신에 조용매로 첨가되었다. 본 연구에서는 헥산올 첨가량을 20에서 50 wt.%로 조절하고 DMSO를 4에서 10% 조절하여 DBS의 자가 조립을 연구했다. 형태학적 연구는 SEM을 이용해 수행되었다. 젤화제와 용매의 친화성은 한센 3차원 공간에서 젤화제와 용매의 HSP 값들간의 거리($R_o$)로 계산했다. 시료는 9와 14 사이의 $R_o$의 젤화 시간에 따라 instant gel (IG) ($R_o < 12.25$), slow gel (SG) ($12.25 \leq Ro \leq 13$), 그리고 insoluble region (I) ($R_o > 13$)으로 분류되었다. 또한 HSP를 이용한 시료의 상전이 온도 ($T_f$) 예측 방법이 개발되었다. 위의 정량적 방법 이외에도 젤 시료의 열가역적 특성을 연구하기 위한 램프 온도 유동학 실험이 수행되었다. 실험적으로 결정된 HDK의 상전이 온도는 $149 \pm 3.1^circ C (HDK1)$에서 $137 \pm 7.4^circ C$(HDK4)이었으며, Hex의 상전이 온도는 $140 \pm 3.5^circ C$ (Hex20)에서 $107 \pm 11.4^circ C$ (Hex50)이었다. 이 결과는 무극성 혹은 약한 극성의 화합물의 경우에 대한 정량적 예측과 일치하였다. 미세구조 분석을 통해 3차원 나노피브릴 형태를 알 수 있었고, 이는 용매의 극성에 의존한다. 구조는 용매의 극성에 따라 그물 형태에서 줄 형태의 나선 섬유 다발로 변한다. 또한 시료의 발열량은 봄베 열량계를 이용하여 측정하였다. 순수 케로신과 젤 연료 시료의 발열량 차이는 케로신 농도 ($C_K$) 차이에 비해 크지 않은 것을 확인했는데, 이는 젤 시료에 쓰인 다른 화합물 또한 가연성이기 때문이었다. 마지막으로 HDK에 대해 액적 연소 실험을 수행했다. 연소 과정 중에 일어난 현상은 막 두께를 결정하는 $C_{DMSO}$에 의존했다. 막 두께가 두꺼운 작은 $C_{DMSO}$ 값에서는 액적의 폭발과 증기가 관찰되었고, 얇은 막 두께인 큰 $C_{DMSO}$에서는 막의 파열과 2차 액적 형성이 관찰되었다. 막 두께는 또한 시료의 상전이 온도에 따라서도 다른 연소 거동을 보였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MAE 18023
형태사항 v, 51 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 아르디안토 쿠르니아완
지도교수의 영문표기 : Seung Wook Baek
지도교수의 한글표기 : 백승욱
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과,
서지주기 References : p. 46-49
주제 Gel propellant
gelation
rheology
droplet combustion
organogelator
젤 추진제
젤 형성
유변학
액적 연소
유기젤화제
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