BR112017012738B1 - Estabilização de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal - Google Patents
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Abstract
Uma composição inclui uma fase contínua de água, álcool, ou uma mistura de água e álcool; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I) ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
Description
[0001] Esta divulgação se refere às composições estabilizadas que compreendem nanopartículas de nitreto de boro hexagonal.
[0002] Fluidos de transferência de calor são usados em muitas aplicações, particularmente como líquidos refrigerantes ou anticongelantes. Os exemplos de uso de fluidos de transferência de calor incluem a remoção ou troca do calor excessivo de motores de combustão interna estacionários e automotivos, calor gerado pelos motores elétricos e geradores, calor de processo e calor de condensação (por exemplo, em refinarias e instalações de geração de vapor), calor de equipamento eletrônico, ou calor gerado em sistemas de célula de combustível. Em cada aplicação, a condutividade térmica e a capacidade calorífica do fluido de transferência de calor é importante.
[0003] Historicamente, a água foi o fluido preferido quando da consideração de transferência de calor. Entretanto, a água é frequentemente misturada com depressores do ponto de congelamento (por exemplo, álcoois como glicóis ou sais) para se obter propriedades anticongelantes. Comparadas com a água pura, estas misturas têm uma capacidade de transferência de calor diminuída, mas são ainda preferidas em relação aos líquidos como óleos orgânico, óleo de silicone, ou ésteres sintéticos.
[0004] Os fluidos de transferência de calor com condutividades térmicas mais altas são desejáveis. Embora os fluidos com base em água e com base em água/glicol dominem o mercado, eles nem sempre dão desempenho suficiente de transferência de calor. Em particular, as aplicações e equipamento eficientes em energia requerem o desenvolvimento de fluidos de transferência de calor com condutividades térmicas significantemente mais altas do que são presentemente disponíveis.Fluidos com sólidos em suspensão podem exibir condutividades térmicas mais altas. Os sólidos têm maiores condutividades térmicas do que os fluidos. Por exemplo, o cobre, alumínio, óxido de cobre e óxido de silício sólidos têm respectivamente condutividades térmicas de 401 W/m.K, 237 W/m.K, 76,5 W/m.K e 1,38 W/m.K, respectivamente. Ao contrário, os fluidos água, monoetileno glicol, e óleo típico têm condutividades térmicas de 0,613 W/m.K, 0,252 W/m.K, e 0,107 W/m.K, respectivamente. Muitos estudos teóricos e experimentais das condutividades térmicas eficazes das dispersões que contêm partículas sólidas foram conduzidos desde o trabalho teórico de Maxwell publicado em 1881.
[0005] A incorporação de nanopartículas em fluidos pode fornecer condutividades térmicas mais altas. O uso de nanopartículas foi proposto em fluidos tais como água, etileno glicol, e óleo de motor para produzir uma nova classe de fluidos engenheirados (nanofluidos) com capacidades de transferência de calor melhoradas. Ver S.U.-S. Choi, ASME Congress, San Francisco, CA, 12 a 17 de novembro de 1995. As medições da condutividade térmica nos fluidos contendo nanopartículas de Al2O3 e CuO foram relatadas. Ver S.U.-S. Choi et al., ASME Transactions 280, Vol. 121, Maio de 1999. Nanofluidos, contendo apenas uma pequena quantidade de nanopartículas, têm condutividades térmicas substancialmente mais altas comparados com os mesmos fluidos sem nanopartículas.
[0006] Entretanto, a estabilidade insuficiente das nanopartículas dispersas, incluindo as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal, tem impedido a aplicação de nanofluidos como fluidos de transferência de calor. Até o presente momento, estudos que se referem à estabilidade têm focalizado na seleção do tamanho da partícula e distribuição do tamanho da partícula e técnicas de dispersão. SUMÁRIO
[0007] São aqui divulgadas composições estáveis contendo nanopartículas de nitreto de boro hexagonal, métodos de preparar as composições estabilizadas, e métodos de trocar calor utilizando as composições como fluidos de transferência de calor.
[0008] Em uma primeira forma de realização, uma composição compreende uma fase contínua selecionada do grupo consistindo de água, álcool, e uma mistura de água e álcool; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I)
[0009] ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
[0010] Em uma segunda forma de realização, uma composição compreende uma fase contínua de água; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I)
[0011] ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
[0012] Em uma forma de realização, um método de trocar calor compreende a. gerar calor em um motor de combustão interna automotivo; b. passar uma corrente através de um lado de um trocador de calor; c. passar uma composição para outro lado do trocador de calor; e d. transferir o calor da corrente para a composição no trocador de calor. No método, a composição compreende uma fase contínua selecionada do grupo consistindo de água, álcool, e uma mistura de água e álcool; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I)
[0013] ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
[0014] Como aqui usadas, as formas singulares “um,” “uma,” e “o/a” incluem referentes plurais a menos que o contexto claramente imponha de outro modo.
[0015] Em uma primeira forma de realização, uma composição compreende uma fase contínua selecionada do grupo consistindo de água, álcool, e uma mistura de água e álcool; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I)
[0016] ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
[0017] Em uma segunda forma de realização, uma composição compreende uma fase contínua de água; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I)
[0018] ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
[0019] O composto tendo a formula (I) é um copolímero de tribloco tendo um bloco hidrofóbico central de polipropileno glicol circundado pelos blocos hidrofílicos de polietileno glicol. Os presentes inventores observaram que fluidos contendo nanopartículas de nitreto de boro hexagonal exibem condutividade térmica aumentada, mas não são adequadamente estáveis nas altas temperaturas tipicamente encontradas nas aplicações de transferência de calor, por exemplo, entre cerca de 70°C e cerca de 110°C ou entre cerca de 85°C e cerca de 110°C. Os presentes inventores descobriram que a incorporação do copolímero de tribloco tendo um bloco hidrofóbico central de polipropileno glicol circundado pelos blocos hidrofílicos de polietileno glicol em uma fase contínua com base em água, uma com base em álcool, ou uma com base em água/álcool contendo nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas pode estabilizar a dispersão de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal na fase contínua na temperatura ambiente e em temperaturas elevadas. Assim, a incorporação do copolímero de tribloco pode fornecer uma composição tendo não apenas condutividade térmica substancial, mas também estabilidade melhorada, tornando-a adequada para o uso como um fluido de transferência de calor.
[0020] Por exemplo, a composição pode ser estável por 12 horas na temperatura ambiente. Como um outro exemplo, a composição pode ser estável por 12 horas em uma temperatura entre cerca da temperatura ambiente e cerca de 85°C. Como ainda um outro exemplo, a composição pode ser estável por 12 horas em uma temperatura entre cerca de 70°C e cerca de 110°C ou entre cerca de 85° e cerca de 110°C.
[0021] Os sais adequados do composto tendo a fórmula (I) incluem sais de metal alcalino, amônio, e sais de amina.
[0022] A composição geralmente contém uma quantidade maior (isto é, pelo menos 80 % em vol) da fase contínua (isto é, água, álcool, ou uma mistura de água e álcool). Em uma forma de realização, a composição contém pelo menos 85 % em vol da fase contínua. Em uma outra forma de realização, a composição contém pelo menos 90 % em vol da fase contínua. Em uma outra forma de realização, a composição contém pelo menos 95 % em vol da fase contínua.
[0023] O álcool atua como um depressor do ponto de congelamento se propriedades anticongelantes são desejadas. Quando a fase contínua é álcool ou uma mistura de água e álcool, o álcool pode ser um glicol. O glicol pode ser etileno glicol, dietileno glicol, propileno glicol, dipropileno glicol, trietileno glicol, tetraetileno glicol, pentaetileno glicol, hexaetileno glicol, dipropileno glicol, tripropileno glicol, tetrapropileno glicol, pentapropileno glicol, hexapropileno glicol, mono etileno glicol, ou mono propileno glicol. O álcool alternativamente pode ser selecionado de metanol, etanol, propanol, butanol, furfurol, tetraidrofurfurila, furfurila etoxilada, éter dimetílico de glicerol, sorbitol, 1,2,6 hexanotriol, trimetilolpropano, metoxietanol, e glicerina. Em uma forma de realização, metanol, etanol, propanol, butanol, furfurol, tetraidrofurfurila, furfurila etoxilada, etileno glicol, dietileno glicol, trietileno glicol, 1,2- propileno glicol, 1,3-propileno glicol, dipropileno glicol, butileno glicol, glicerol, éter monoetílico de glicerol, éter dimetílico de glicerol, sorbitol, 1,2,6-hexanotriol, trimetilolpropano, metoxietanol, ou misturas dos mesmos são utilizadas.
[0024] Em uma forma de realização particular, a fase contínua é uma mistura de água e etileno glicol. Em uma outra forma de realização particular, a fase contínua é uma mistura de água e etileno glicol em uma razão de 50/50 % em vol.
[0025] As nanopartículas de nitreto de boro hexagonal são cilíndricas na forma e seu tamanho pode variar. Devido à forma cilíndrica das nanopartículas de nitreto de boro hexagonal, a sua altura em combinação com o seu raio ou diâmetro descreve seu tamanho. Por exemplo, as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal podem ter um diâmetro médio entre cerca de 50 nm e cerca de 350 nm e uma altura média entre cerca de 5 nm e cerca de 20 nm. Como um outro exemplo, as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal podem ter uma altura de folha média entre cerca de 5 nm e cerca de 20 nm e um raio de folha médio entre cerca de 50 nm e cerca de 350 nm.
[0026] A concentração das nanopartículas de nitreto de boro hexagonal na composição pode variar. Em uma forma de realização, as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre cerca de 0,0001 % em vol e cerca de 10 % em vol. Em uma outra forma de realização, as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre cerca de 0,005 % em vol e cerca de 0,5 % em vol. Ainda em uma outra forma de realização, as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre cerca de 0,05 % em vol e cerca de 0,2 % em vol.
[0027] No composto tendo a fórmula (I), em uma forma de realização, n é um número inteiro entre 80 e 120 e y é um número inteiro entre 50 e 75. Em uma forma de realização particular, n é 100 e y é 65.
[0028] A concentração do composto tendo a fórmula (I) na composição pode variar. Em uma forma de realização, o composto tendo a fórmula (I) está presente na composição em uma concentração entre cerca de 0,0001 % em vol e cerca de 1 % em vol. Em uma outra forma de realização, o composto tendo a fórmula (I) está presente na composição em uma concentração entre cerca de 0,2 % em vol e cerca de 0,7 % em vol. Em uma forma de realização particular, o composto tendo a fórmula (I) está presente na composição em uma concentração de cerca de 0,1 % em vol.
[0029] Nem a condutividade térmica nem a capacidade térmica da composição é significantemente impactada pela presença de uma quantidade pequena de aditivos comuns. Os aditivos apropriados incluem um sal de metal alcalino como um depressor do ponto de congelamento, um inibidor de congelamento, um inibidor de incrustação, um estabilizante, um antioxidante, um tampão, um desespumante, um corante, ou uma mistura dos mesmos. A composição pode conter um ou mais aditivos para uma quantidade de aditivo total de cerca de 0,01 % em peso a cerca de 10 % em peso. Por exemplo, um ou mais inibidores de corrosão podem estar presentes na composição em uma concentração entre cerca de 0,2 % em peso e cerca de 10 % em peso. Os exemplos de sais de metal alcalino incluem um sal de um ácido ou mistura de ácidos selecionados do grupo consistindo de ácido acético, ácido propiônico, ácido succínico, betaína e misturas dos mesmos. Os exemplos de inibidores de corrosão incluem um ácido carboxílico alifático ou um sal do mesmo, um ácido carboxílico aromático ou um sal do mesmo, um triazol, um tiazol, um silicato, um nitrato, um nitrito, um borato, um fosfato molibdato, ou um sal de amina. Os exemplos de antioxidantes incluem fenóis, tais como 2,6-di-t-butil metilfenol e 4,4’-metil-eno-bis(2,6-di-t-butilfenol); aminas aromáticas, tais como p,p- dioctilfenilamina, monooctildifenilamina, fenotiazina, 3,7-ioctilfenotiazina, fenil-1- naftilamina, fenil-2-naftilamina, alquilfenil-1-naftatalaminas e alquil-fenil-2-naftal- aminas, assim como compostos contendo flúor, por exemplo ditiofosfatos, fosfitos, sulfetos e sais de ditiometal, tais como benzotiazol, estanho-dialquilditiofosfatos e diarilditiofosfatos de zinco.
[0030] O pH da composição pode estar entre cerca de 7 e cerca de 11,5. Em uma forma de realização, o pH da composição está entre cerca de 8,5 e cerca de 10,5.
[0031] A composição pode ser preparada dispersando-se as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal na fase contínua (isto é, água, álcool, ou uma mistura de água e álcool). As nanopartículas de nitreto de boro hexagonal podem ser dispersas antes ou depois de adicionar o composto tendo a fórmula (I) à fase contínua. Qualquer meio conhecido na técnica para a dispersão das nanopartículas de nitreto de boro hexagonal pode ser usado. Em uma forma de realização, as nanopartículas são dispersas pela sonificação.
[0032] Também é aqui divulgado um método de trocar calor utilizando uma composição como aqui divulgada como um fluido de transferência de calor. O método de trocar calor compreende passar uma corrente através de um lado de um trocador de calor; passando uma composição como aqui divulgada através de um outro lado do trocador de calor; e transferindo o calor da corrente para a composição no trocador de calor. Em uma forma de realização, o método compreende ainda gerar o calor em um motor de combustão interna automotivo. Em uma outra forma de realização, o método compreende ainda gerar o calor em um motor de combustão interna estacionário. Ainda em uma outra forma de realização, o método compreende ainda gerar o calor em um motor elétrico ou gerador. Em uma outra forma de realização, o método compreende ainda gerar o calor pela condensação ou uma reação química, por exemplo, em uma refinaria, um instalação de geração de vapor, ou uma célula de combustível.
[0033] Os nanofluidos contendo nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas foram preparados nos Exemplos 5 a 8 e Exemplos Comparativos 1 a 4 e 9 a 11. As partículas de nitreto de boro hexagonal micronizadas foram adicionadas ao isopropanol e sonificadas durante 1 hora. As partículas de nitreto de boro hexagonal foram depois centrifugadas a 2000 RPM durante 10 minutos. As partículas não esfoliadas foram separadas no fundo. As nanopartículas de nitreto de boro hexagonal esfoliadas no isopropanol foram filtradas e secas. As nanopartículas de nitreto de boro hexagonal foram redispersas em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) com ou sem sonificação e com ou sem o seguinte copolímero de tribloco:
[0034] Um nanofluido foi preparado com 0,1 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol). Exemplo Comparativo 2
[0035] Um nanofluido foi preparado com 0,05 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol). Exemplo Comparativo 3
[0036] Um nanofluido foi preparado com 0,2 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol). Exemplo Comparativo 4
[0037] Um nanofluido foi preparado com 0,5 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol). Exemplo 5
[0038] Um nanofluido foi preparado com 0,1 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal e 0,1 % em vol de copolímero de tribloco em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0039] Um nanofluido foi preparado com 0,1 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal e 0,2 % em vol de copolímero de tribloco em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0040] Um nanofluido foi preparado com 0,05 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal e 0,1 % em vol de copolímero de tribloco em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0041] Um nanofluido foi preparado com 0,2 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal e 0,1 % em vol de copolímero de tribloco em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0042] Um nanofluido foi preparado com 0,1 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0043] Um nanofluido foi preparado com 0,2 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de etileno glicol/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0044] Um nanofluido foi preparado com 0,2 % em vol de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal em uma solução de Halvoline® XLC/água (50/50 % em vol) pela sonificação.
[0045] Os nanofluidos foram armazenados tanto na temperatura ambiente quanto a 85°C e as suas estabilidades foram observadas visualmente depois de 12 horas em ambas as temperaturas. As estabilidades dos nanofluidos são apresentadas na tabela abaixo. O termo “estável” significa que nenhum precipitado foi observado. O termo “não estável” significa que o precipitado foi observado no recipiente contendo o nanofluido.
[0046] Os resultados na tabela mostram que o copolímero de tribloco estabilizou as dispersões de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal nos nanofluidos dos Exemplos 5 a 7 tanto na temperatura ambiente quanto em uma temperatura elevada de 85°C e a dispersão de nanopartículas de nitreto de boro hexagonal no nanofluido do Exemplo 8 na temperatura ambiente. Ao contrário, os nanofluidos dos Exemplos Comparativos 1 a 4 e 9 a 11 sem o copolímero de tribloco não foram estáveis tanto na temperatura ambiente quanto a 85°C.
[0047] Embora a composição e métodos aqui divulgados fossem descritos com referência às formas de realização específicas, este pedido é intencionado a abranger estas várias mudanças e substituições que podem ser feitas por aqueles de habilidade comum na técnica sem divergir do espírito e escopo das reivindicações anexas.
Claims (20)
1. Composição, caracterizada pelo fato de que compreende: uma fase contínua selecionada do grupo consistindo de água, álcool, e uma mistura de água e álcool; nanopartículas de nitreto de boro hexagonal dispersas na fase contínua; e um composto tendo uma fórmula (I) ou um sal do mesmo, em que n é um número inteiro entre 50 e 200 e y é um número inteiro entre 20 e 200.
2. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que n é um número inteiro entre 80 e 120 e y é um número inteiro entre 50 e 75.
3. Composição de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que n é 100 e y é 65.
4. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal têm uma altura de folha média entre 5 nm e 20 nm e um raio de folha médio entre 50 nm e 350 nm.
5. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal têm um diâmetro médio entre 50 nm e 350 nm e uma altura média entre 5 nm e 20 nm.
6. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a fase contínua é água ou água e etileno glicol.
7. Composição de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a fase contínua é água e etileno glicol em uma razão de 50/50 % em vol.
8. Composição de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a fase contínua é água.
9. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a composição compreende ainda um aditivo selecionado do grupo consistindo em um sal de metal alcalino como um depressor do ponto de congelamento, um inibidor de corrosão, um inibidor de incrustação, um estabilizante, um antioxidante, um tampão, um desespumante, um corante, e misturas dos mesmos.
10. Composição de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o inibidor de corrosão é selecionado do grupo consistindo de um ácido carboxílico alifático ou um sal do mesmo, um ácido carboxílico aromático ou um sal do mesmo, um triazol, um tiazol, um silicato, um nitrato, um nitrito, um borato, um fosfato molibdato, um sal de amina, e misturas dos mesmos.
11. Composição de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o inibidor de corrosão está presente na composição em uma concentração entre 0,2 % em peso e 10 % em peso.
12. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a composição é estável por 12 horas a uma temperatura variando entre temperatura ambiente e 85oC.
13. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre 0,0001 % em vol e 10 % em vol.
14. Composição de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre 0,005 % em vol e 0,5 % em vol.
15. Composição de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que as nanopartículas de nitreto de boro hexagonal estão presentes na composição em uma concentração entre 0,05 % em vol e 0,2 % em vol.
16. Composição de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizada pelo fato de que o composto tendo a fórmula (I) está presente na composição em uma concentração entre 0,0001 % em vol e 1 % em vol.
17. Composição de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de que o composto tendo a fórmula (I) está presente na composição em uma concentração entre 0,2 % em vol e 0,7 % em vol.
18. Método para preparar uma composição como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de que compreende dispersar nanopartículas de nitreto de boro hexagonal na fase contínua antes ou após adicionar o composto tendo a fórmula (I) à fase contínua.
19. Método de trocar calor, caracterizado pelo fato de que compreende: a. gerar calor em um motor de combustão interna automotivo; b. passar uma corrente através de um lado de um trocador de calor; c. passar uma composição através de um outro lado do trocador de calor; e d. transferir o calor da corrente para a composição no trocador de calor, em que a composição é a composição como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 17.
20. Uso de uma composição como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de ser como um fluido de transferência de calor.
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