BR102015000066A2 - processo para misturas de óleo vegetal biodegradáveis com nitreto de boro hexagonal (h-bn) sonicado para aplicação em transformadores elétricos - Google Patents

Abstract

processo para misturas de ou-3o vegetal b1odeoradáve1s com nitreto de boro hexagol\lal(h-bn) sonícado para aplicação em tr/\nsformadores elétricos. a presente patente, pertencente a área de ciência dos materiais e mais especificamente de nanotecnologia, refere-se ao processo para obtenção das misturas de óleo vegetal biodegradáveis com nitreto de boro hexagonal (h-bn) de forma a aumentar a transferência térmica dos óleos base vegetais biodegradáveis e normatizados e manter o alto nível de isolação elétrica. a solução inventiva se destaca como benefício para as áreas de média e alta tensão, de microeletrônica e de refrigeração, particularmente na fabricação de transformadores e equipamentos elétricos que usam óleos vegetais biodegradáveis como isolantes elétricos e como fluidos para transferência de calor.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

Pedido de Patente de Invenção para “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NITRETO DE BORO HEXAGONAL (h-BN) SONICADO PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMADORES ELÉTRICOS”, aqui denominado processo de óleo nanocompósito com nanopartículas de h-BN para transformadores elétricos.

Campo da invenção [001] A presente patente de invenção pertencente a área de ciência dos materiais e mais especificamente de nanotecnologia, refere-se o processo para obtenção da mistura de óleo vegetal com nitreto de boro hexagonal (h-BN) de forma a aumentar a transferência térmica dos óleos vegetais e manter o alto nível de isolação elétrica. A solução inventiva se destaca como benefício para as áreas de média e alta tensão, de microeletrônica e de refrigeração, particularmente na fabricação de transformadores elétricos que usam óleos vegetais biodegradáveis como isolantes elétricos e como fluidos para transferência de calor.

Campo de aplicação [002] Tradicionalmente utiliza-se como refrigerante dielétrico para uso em equipamentos elétricos e de distribuição de energia elétrica os óleos minerais derivados do petróleo bruto. Há cerca de 70 anos os óleos minerais foram substituídos em alguns equipamentos elétricos por líquidos não inflamáveis tais como fluidos de askarel, líquido sintético, eletricamente isolante e não combustível - bifenil policlorado — PCB (do inglês "polychorinated biphenyl") que há cerca de 30 anos foram reconhecidos como líquidos ambientalmente perigosos e consequentemente proibidos de serem produzidos e comercializados. Foi quando se procurou novos líquidos isolantes que substituíssem os bifenóis policlorados, e há cerca de duas décadas surgiram os óleos vegetais isolantes, não tóxicos, não inflamáveis, de baixo custo e ambiental mente muito seguros por serem biodegradáveis em curto espaço de tempo.

[003] Os óleos vegetais isolantes embora ecologicamente corretos presentam a condutividade térmica inferior a do óleo mineral, sendo um fator que afeta negativamente o seu desempenho nos equipamentos elétricos frente ao tradicional óleo mineral ainda em largo uso.

[004] A mistura de óieo vegetal com nitreto de boro hexagonal (h-BN) que aumenta a transferência térmica dos óleos vegetais é um isolante elétrico que pode ser utilizado com vantagens em relação aos óleos minerais nos equipamentos elétricos como transformadores de potência, transformadores de distribuição, reatores, disjuntores elétricos, religadores, seccionalizadores, reguladores de tensão, chaves seccionadoras, disjuntores, em equipamentos eletro-eletrônicos e de refrigeração, com aplicabilidade direta em programas de redução de custos fabris e de aplicações tanto no Brasil como no exterior.

Antecedentes da invenção [005] Os materiais nanoestruturados são caracterizados por terem um tamanho uma granulometria (zona cristaiina contínua) inferior a 100 nm podendo atingir espessuras de cerca de 1 nm. Por terem um tamanho reduzido, suas propriedades em geral são diferentes dos materiais de granulometria micrométrica.

[006] Materiais sólidos apresentam maior condutividade do que os fluidos convencionais, e o uso dos nanofluidos para aumentar a transferência de calor tem dado bons resultados em diversas aplicações; nestes, partículas sólidas ultrafinas como óxidos, cerâmica de nitretos e carbonetos, metais, semicondutores, nanotubos de carbono e materiais compostos estão em suspensão nos fluidos, proporcionando elevar os níveis de condutividade térmica.

[007] Recentes avanços com materiais em camadas permitem a síntese em grande escala de vários materiais bidimensionais (2D). Materiais bidimensionais são boas opções, pois exibem propriedades versáteis com excelente condutividade térmica e estabilidade mecânica, além de notável inércia química. Enquanto material isolante elétrico com alto nível de condutividade térmica, o nitreto de boro hexagonal (h-BN) supera os outros nanoparticulados (ZHI, C. Y.; et al., 2010; Yu, J.; et al, 2010).

[008] Outros estudos teóricos indicam, no entanto, que altos níveis de condutividade térmica somente podem ser obtidos nos planos (002) do nitreto de boro hexagonal (h-BN), e o nitreto de boro hexagonal (h-BN) esfoliado proporciona a máxima exposição para estes planos (002) (ZHI, C. Y.; et al.; 2009).

[009] A transferência de calor usando fluidos é um fenômeno complexo, com vários fatores como a estabilidade do fluido, composição, viscosidade, carga superficial, interface e morfologia das partículas dispersas influenciando os resultados.

[010] A melhora na condutividade térmica não pode ser alcançada aumentando a quantidade das partículas sólidas além do limite, pois o aumento na concentração destas aumenta a viscosidade com efeito adverso nas propriedades do fluido. Portanto, a procura de novas nanopartículas que consigam aliar a alta condutividade térmica com baixas concentrações das partículas é importante (CHOI, S. U. S., 2009). Mesmo assim, as partículas que aumentam a condutividade térmica sem aumentar a condutividade elétrica são principalmente as partículas cerâmicas, e as partículas cerâmicas convencionais frequentemente apresentam problemas de dispersão ou de sedimentação, não tendo boa dispersividade.

[011] Em pesquisa no banco de patentes do Instituto Nacional da Propriedade Industrial - INPI não foi encontrado qualquer processo no campo da invenção de nanocompósitos térmicos a base de nitreto de boro hexagonal (h-BN) e método de fabricação.

[012] No banco de patentes dos Estados Unidos da América destaca-se a patente US 8,501,024 que aborda o método de fabricação de nitreto de boro hexagonal (h-BN) em pelo menos uma única camada, o exemplo de realização inclui a suspensão de BN multicamada por uma abertura em uma estrutura de suporte onde é realizada a erosão com íons reativos sobre o BN para produzir uma única camada de nitreto de boro hexagonal (h-BN) suspensa na lacuna da estrutura de suporte; a patente US 8,840,803 refere-se a um fluido nanocompósito com nanopartículas isolantes elétricas e termicamente condutoras, o método de fabricação do fluido com as nanopartículas BN é feita em suspensão com um solvente, surfactante, ou em uma combinação destes, combinando as nanopartículas ao meio fluido, que pode ser água deionizada, óleo, óleo sintético, óleo destilado, ou uma combinação que compreende pelo menos uma das substâncias anteriores, e que, quando presente o solvente é removido para formar o fluido de nanocompósito, em uma outra realização um vedante termicamente condutor e eletricamente isolante compreende um elastômero e as nanopartículas BN dispostas no elastômero, na finalização dos métodos é disposto um eletrodo que através de descarga elétrica do fluido nanocompósito corta o elemento de fundo.

[013] A patente US 8,840,803 apresenta inovação em relação a fluidos nanocompósitos com nanopartículas isolantes elétricas e termicamente condutoras, a patente US 8,501,024 também apresenta inovação em relação a obtenção do nitreto de boro hexagonal (h-BN), no entanto, ambos os processos citados nas patentes norte-americanas não abordam de forma específica a obtenção do óleo vegetal nanocompósito para uso em transformadores elétricos.

[014] Outro problema observado na literatura e no estado da arte atual é que embora existam citações teóricas e experimentações aplicáveis de que nanofolhas bidimensionais de nitreto de boro hexagonal (h-BN) esfoliados em álcool isopropílico e redisperso em óleo mineral, dão ganhos significativos de condutividade térmica sem perda da isolação elétrica aos óleos minerais para uso em transformadores, inexiste de modo objetivo citações teóricas e o uso de técnicas similares em relação aos óleos vegetais para transformadores.

[015] O óleo vegetal isolante difere do óleo mineral isolante convencional e de outros fluidos resistentes ao fogo, por ser um produto agrícola derivado de óleos vegetais em vez de refinado de reservas de petróleo ou sintetizado a partir de precursores orgânicos. Oleos vegetais tipicamente compreendem glicerídeos misturados, formados da combinação de um poliol tal como a glicerina tendo um numero de hidroxila que foram esterificados, com um número igual de moléculas de ácido graxo, sua composição e consequentemente suas propriedades diferem das do óleo mineral que é uma mistura complexa de hidrocarbonetos parafínicos e naftalênicos. Além disso, os óleos vegetais para transformadores e equipamentos elétricos na realidade é uma mistura de três ou mais diferentes óleos vegetais com aditivos de diferentes classes: antimicrobianos - que inibem o crescimento de micróbios; baixa temperatura - que garante que o óleo esteja líquido mesmo em baixas temperaturas (menores que -20°C); e oxidantes - que visam melhorar a expulsão de oxigênio.

[016] Outro problema ainda a ser considerado é que no Brasil o uso dos óleos vegetais para equipamentos elétricos devem seguir as especificações, e os métodos de ensaio preconizados pela norma técnica NBR15422 da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT.

[017] Tendo em vista os aspectos e problemas apresentados nos processos existentes e no estado da arte atual, e no propósito de superá-losé que na presente patente de invenção foi desenvolvido um novo processo para obtenção da mistura de óleo vegetal normatizado com nitreto de boro hexagonal (h-BN), de forma a aumentar sua transferência térmica e manter o alto nível de isolação elétrica para aplicação particularmente na fabricação de transformadores elétricos que já utilizam óleos vegetais biodegradáveis.

Fundamento base do invento [018] O nitreto de boro é um composto da família III-V, que apresenta quatro diferentes fases: hexagonal (h-BN), romboédrico (r-BN), wurtzite (w-BN) e cúbico (c-BN). Cada uma dessas estruturas possui características e propriedades bastante diferentes. As primeiras duas fases são compostas de ligação sp2 e as outras, de ligação sp3.

[019] O nitreto de boro hexagonal (h-BN) é um pó fino, macio e branco disposto em camadas altamente deslizantes, parecido com a grafite. A estrutura hexagonal é tida como única em propriedades físicas e químicas, como, por exemplo, baixa densidade, alta condutividade térmica, baixa expansão térmica, alta resistência mecânica, dureza elevada, resistência à corrosão e ponto de fusão alto próximo a 2600°C. Além disso, possui a capacidade de lubrificar em um longo intervalo de temperaturas, já que seu coeficiente de atrito é mantido até 900°C. Para a aplicação como aditivo em óleos para transformadores possui propriedades importantes como inércia química, não tóxico e capacidade de encapsular substâncias. Seu uso está relacionado com sua estrutura cristalina porque as suas moléculas se dispõem em camadas, que deslizam umas sobre as outras, assim como a grafite conferindo lubricidade.

[020] Experimentos diversos mostram que o nitreto de boro hexagonal (h-BN) é um material que não apresenta propriedades significativas frente à radiação visível (Vis) e ultravioleta (UV), uma vez que ele é transparente às mesmas. Porém sua propriedade de absorção na faixa da radiação infravermelha (IV) converte-o num importante material para as formulações relacionadas ao calor.

Formulações e forma de execução [021] O processo de sonicação e centrifugação do nitreto de boro hexagonal (h-BN) para mistura ao óleo vegetal é explicada por meio do exemplo a seguir.

[022] Preparo de solução com concentração 5,00 mg/ml, utilizando 1.000 ml de álcool isopropílico e 5,0 g de h-BN; procede-se experimentalmente: adicionar o h-BN aos poucos no meio líquido misturando com um bastão de vidro; após a adição de todo h-BN a mistura deve ser colocada em um agitador magnético por 10 minutos; em seguida colocar a mistura em um béquer de 1.100 ml, no aparelho de ultrasom interno (USI), na potência de 100 W, por um tempo de 3 h; depois colocar a mistura em tubos de ensaios plásticos fechados e os tubos na centrifuga em uma rotação de 1.500 rpm durante 30 minutos; posteriormente a mistura deve ser filtrada com bomba a vácuo utilizando filtro de papel fechado; depois a parte sólida de h-BN sonicado contido no filtro de papel deverá ser seco inicialmente em capela ligada por um período mínimo de 12 horas; em seguida o h-BN sonicado contido no filtro de papel deverá ser colocado em estufa à vácuo na temperatura de 40°C por um período de 30 minutos; e por fim o último passo será desaglomerar o pó sonicado, submetendo o mesmo a desaglomeração em um moinho tipo almofariz (tipo pilão de porcelana), para separação das partículas de h-BN; o h-BN deverá ser armazenado em embalagem plástica identificada. Esse processo deverá fornecer pelo menos 4.0 g de h-BN sonicado.

Descrição do processo de invenção [023] O processo de preparação da mistura de óleo vegetal normatizado com nitreto de boro hexagonal (h-BN) para uso em transformadores elétricos é explicado por meio do exemplo a seguir.

[024] Preparo da mistura com concentração 0,10 % em massa, utilizando 919,08 g de óleo vegetal normatizado e comercializado a granel e 0,920g de h-BN sonicado e anteriormente descrito; procede-se experimentalmente: em um béquer de 1.100 ml adicionar aos poucos no óleo vegetal o h-BN sonicado, por exemplo, colocar aproximadamente 200 ml de óleo e aproximadamente 1/5 do pó de h-HB e assim sucessivamente até que todo pó seja adicionado ao óleo; a mistura do h-BN deve ser feita com um bastão de vidro; após a adição de todo h-BN ao óleo vegetal, a mistura óleo/h-BN deve ser colocada em um agitador magnético por 10 minutos; em seguida colocar a mistura óleo/h-BN no aparelho de ultrasom interno (USI), na potência de 100 W, por um tempo de 3 h; após o processo de sonicação, a mistura deve ser colocada em um recipiente fechado, e identificada como ✓ óleo/h-BN. E importante salientar que o óleo vegetal a ser nanoaditivado não deve ficar em contato com a atmosfera para não absorver umidade e ter alterado suas propriedades isolantes.

Resultados obtidos na mistura óleo/h-BN

[025] Na tabela a seguir são apresentadas as principais propriedades do óleo nanocompósito com nanoparticulas de h-BN para transformadores elétricos obtido pelo processo descrito e explicado na presente patente de invenção e comparado com as características de referência do óleo vegetal normatizado e comercializado a granel utilizado como base, estas características apenas demonstram que o óleo/h-BN atende os requisitos normatizados de um óleo isolante para transformadores e equipamentos elétricos.

Tabela dos parâmetros de transferência com ensaios referendados na NBR15422/ABTN

Característica Unidade Referência Óleo/h-BN

Rigidez Dielétrica kV mínimo 40 49 Viscosidade a 40°C cSt mínimo 1 32,9 Fator de Potência a 100°C % máximo 48 17 índice de neutralização mg KOH/g máximo 0,3 0,03 Teor de água ppm máximo 400 222 Densidade relativa a 20/4°C - máximo 0,96 0,92 [026] As condições de referências do ensaio foram feitas em: temperatura ambiente 20°C, temperatura do óleo/h-BN 20°C, umidade relativa 45% e tensão elétrica 13800 Volts.

[027] A melhoria da condutividade térmica obtida no óleo nanocompósito com nanoparticulas de h-BN para transformadores elétricos obtido pelo processo descrito e explicado na presente patente de invenção e comparado com as características também medidas no óleo vegetal normatizado e comercializado a granel utilizado como base pode ser visualizada na tabela a seguir.

Tabela da condutividade térmica média (K w/m. °K) com ensaios referendados na NBR15422/ABNT / / Temperatura Inicial(°C) Oleo vegetal Oleo/h-BN 25 0,2357 0,1893 50 0,1627 0,1937 60 0,1540 0,1943 70 0,1565 0,1840 80 não realizada 0,1937 [028] Fica portanto mostrado que o processo apresentado na presente patente de invenção traz melhoria na condutividade térmica do óleo/h-BN em relação ao óleo vegetal base, sobretudo nas faixas de temperatura de maior interesse de operações nos transformadores elétricos e nos equipamentos elétricos de média e alta tensão, temperaturas na faixa de 50°C a 80°C.

[029] Logicamente, o “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NITRETO DE BORO HEXAGONAL (h-BN) SONICADO PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMADORES ELÉTRICOS”, objeto da presente patente de invenção, com tal processo de preparação, pode ser obtida em outras proporções, para atender diferentes e específicas necessidades, sem a perda da inovação aqui apresentada.

[030] Desta forma, como descrito, o processo de óleo nanocompósito com nanopartículas de h-BN para transformadores e equipamentos elétricos se constitui num avanço tecnológico na área de transmissão e distribuição de energia elétrica, proporcionando uma solução para redução de custos fabris e como vetor a utilização dos óleos vegetais biodegradáveis junto ao Setor Elétrico Nacional com ganhos significativos ao meio ambiente e a toda a sociedade.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. -‘PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NÍTRETO DE BORO HEXAGON A L( h-BN") SONÍCADO PARA APLICAÇÃO EM TRANS FOR MA I)()R ES E LÍ TR ICC )S” caracterízado por preparar ura fluido minoeompósito compreendendo: um meio fluido à base de óleo vegeta! biodegradável e normalizado para uso em transformadores elétricos, e uma composição de nanopartíeulas de ui ire to de boro hexagona! {h-BN) que são eletricamente isolantes e térmica mente condutoras, preparadas através de um processo de soníeaçào e eentri fugaçâ o do nitreto de boro hexagona 1 {h-BN) adquirido comercialmente, que após ser acrescida através de um processo de mistura ao fluido base forma a mistura de óleo vegetal biodegradável com nitreto de boro hexagonaI(h-BN > sonicado.

2. “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NÍTRETO DE BORO HEXAGON AL('h-BN) SONICADO PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMADORES ELETRÍCOS” de acordo com a reivindicação 1. caracterizado por o nitreto de boro hexagona! íh-BN) sonicado ser preparado através de um processo de sonicaçõo e eentrifugaçào do nitreto de boro hexagona! (h-BN) adquirido comercial mente.

3. " PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NITRETO DE BORO HE XAGONA L(.lvBN) SONÍCADO PARA APLICAÇÃO EM TR A N S F C) R λ Ί A DC )RES EL E T R í C OS" de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por o niireto de boro liexag o na 1 { h - B N > so n i e a d o e s t a r e m n ni a c o n c e n t r a ç à o prefereneialmeoie de 5,00 mg/mí em álcool isopropíüeo.

4. “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NITEBTO DE BORO HEXAGONAÜh-BN) SONIC ADO PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMADORES ELÉTRICOS" de acordo com a reiviiulicaçòes 1, 2 e 3, caracterizado por as nanoparticulas do niireto de boro hexagonal (li-BN) so π içado serem eletricamente i sol antes e térmica mente condutoras.

5. “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM MTRETO DE BORO HEXAGONAL(hEBN) SÔNICA IX) PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMA DOR í iS ELETRICOS" de acordo com a reivindicações I- 2, caracterizado por as nanopartícuías do niireto de boro hexagonal (h-BN) soniçado serem misturadas ao fluido base de óleo vegetal biodegradável e normalizado por um processo de mistura que utiliza agitador magnético e aparelho d e ultra som intern o (LSI), de fo r m a a s e o b t e r m i s t u r a s d e ó i e o vegetal biodegradáveis com niireto de boro hexagonaí(b-bni soniçado.

6. “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL, BIODEGRADÁVEIS COM NITREFO DE BORO HEXAÜÜNAL(h-BN) SONICADO PARA APLICAÇÃO EM T R A NSFOR.M ADORES ELETRlCOS" de acordo com a reivindicações I. 2 e 5, caracterizado por as misturas de óleo vegetal biodegradáveis com nitreio de boro hexagonal(h-bn) sônica do ser obtida a partir do nitrelo de boro hexagonal (h-BN) sonic ado numa eoneenlração preferencial mente dc 0,10 % em massa,

7. “PROCESSO PARA MISTURAS DE ÓLEO VEGETAL BIODEGRADÁVEIS COM NITRETO DE BORO 1 · IL X A G O N A L {h - B N) SONIC ADO PARA APLICAÇÃO EM TRANSFORMADORES ELETR3COS*’ de acordo com a reivindicações I, 2, 3. 5 e 6 caracterizado por as misturas de óleo vegetal biodegradáveis com nkreto de boro hexagonal(h-bn) Süitieado obtidas atender os requisitos normalizados de um óleo isolante para transformadores e equipamentos elétricos e apresentar maior condutividade térmica quando comparada a do óleo base tipo vegetal biodegradável e normatizado, sobretudo nas faixas de temperatura de maior interesse de operações dos transformadores elétricos e dos equipamentos elétricos de média, e alta tensão, temperaturas na faixa de 50°C a 80CC,