煤基喷气燃料中甲基十氢化萘与十氢化萘替代化合物的热氧化稳定性研究

　　为解决高气动热负荷下喷气燃料热管理难题，研究人员系统探究了煤基燃料中甲基十氢化萘(HTF)与十氢化萘(顺/反式)及其混合物的热氧化行为。通过PetroOxy和JFTOT技术，发现反式十氢化萘抗氧化性最优，甲基十氢化萘因过氧化物分解受阻呈现独特稳定性，混合体系中顺式十氢化萘含量显著影响氧化进程。该研究为高稳定性燃料设计提供了关键理论支撑。

　　

随着航空器面临的气动热负荷日益增加，喷气燃料在高温环境下的热稳定性成为关键瓶颈。当燃料温度升至423 K时，溶解氧（约70 ppm）会引发自由基二聚反应，导致管壁沉积物堆积，进而堵塞喷嘴、降低热交换效率。传统研究多聚焦于十氢化萘，但对煤基燃料中广泛存在的甲基十氢化萘及其混合体系的氧化机制认识不足。

为解决这一难题，来自榆林的研究团队在《Fuel》发表论文，系统研究了氢化煤焦油燃料(HTF，主要含甲基十氢化萘)与不同构型十氢化萘（顺式、反式及混合体）的热氧化特性。通过PetroOxy氧耗分析、JFTOT沉积评估及批量反应器实验，揭示了甲基取代和立体构型对双环烷烃稳定性的深层影响。

研究采用三大关键技术：1) PetroOxy仪测定诱导期(IP)量化氧化稳定性；2) 批量反应器结合GC-MS追踪氧化产物动态变化；3) JFTOT模拟实际工况评估沉积倾向。样本包括实验室蒸馏提纯的顺/反十氢化萘（纯度>97%）、市售混合十氢化萘（cis:trans=4:6）及工业提供的HTF燃料。

【主要结果】

1. 材料特性分析
   HTF中甲基十氢化萘占比达76.3%，其IP(152.91 min)显著高于顺式十氢化萘(52.73 min)，但低于反式十氢化萘(82.78 min)，证实甲基取代可提升稳定性但不及反式构型。

2. 热氧化动力学
   氧化活性顺序为：顺式十氢化萘>混合体>HTF>反式十氢化萘。甲基十氢化萘过氧化物分解能垒较高，使其在长期氧化中表现优于反式十氢化萘。混合实验显示，含20%顺式十氢化萘时HTF初始氧化速率提升37%，但含量增至50%时甲基十氢化萘氧化被显著抑制。

3. 沉积行为
   JFTOT测试表明，纯HTF沉积量仅为顺式十氢化萘的1/3。混合体系中，反式十氢化萘的加入使沉积产物中醛酮类减少20%，而顺式十氢化萘促进聚合反应，导致沉积物碳数分布向C₂₀₊
   偏移。

【结论与意义】
该研究首次阐明甲基十氢化萘在煤基燃料热稳定性中的双重作用：甲基位阻延缓过氧化物(ROOH)分解，但叔碳氢易被夺取引发链式反应。反式十氢化萘因空间位阻效应展现最优抗氧化性，而顺式构型通过加速链传播（chain propagation）显著影响混合体系氧化进程。实践层面，建议燃料设计中控制顺式十氢化萘含量<30%，并优先选用反式构型与甲基十氢化萘复配。理论层面，提出的"构型-取代协同效应"模型为高稳定性燃料分子设计提供了新思路。

这项工作由国家自然科学基金（22025802、22308257）支持，Wang Miao等研究者通过多尺度实验揭示了双环烷烃氧化机制，相关成果对开发新一代耐高温航空燃料具有重要指导价值。