CN105973489A - 一种低表面粘附性的液态金属及其在温度计中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低表面粘附性的液态金属，所述液态金属由最外层水膜、中间氧化层和内部液态合金组成，其中最外层水膜厚度为1‑12μm。本发明通过对液态金属表面进行附着一层一定厚度的水膜，同时选择合适的液态金属配方，制备出了一种在玻璃上低表面粘附性的液态金属，还提供了一种应用该液态金属制备温度计的工艺。使用该液态金属制成的温度计不仅流动性极佳、能够有效指示温度，而且环保,无毒无害、成本低廉，可有效取代水银温度计。

Description

一种低表面粘附性的液态金属及其在温度计中的应用

技术领域

本发明涉及一种镓基液态金属，具体涉及一种表面粘附性极低的镓基液态金属及其在温度计中的应用。

背景技术

在人体疾病诊断过程中，水银温度计因其价格低廉、使用便利、结果准确得到了最为广泛的应用。水银温度计的使用历史悠久，其制备工艺技术成熟，测量的结果准确、稳定，能够广泛应用于医院和家庭。水银温度计的主要缺陷来自于其主要的温度指示材料——汞，汞对人体有剧毒和危害，属于危化品，由于汞的蒸汽压非常低，一旦水银温度计破碎，会立即形成汞蒸气若划伤人体或者人体吸入汞，则会造成不可逆的损伤。

目前，许多新的温度计产品已经逐渐推广使用，如电子温度计。然而电子温度计并未能在医院和家庭中广泛被接收，一方面，电子温度计虽然没有毒性，但是电子温度计的原理是通过测量半导体材料在不同温度下的电阻来确定温度值，半导体材料在36-42℃范围内的电阻改变小，在此范围内读出的温度值难以精确认定；另一方面，电子温度计需要定期更换电池，而且存在失效的风险。除此之外，还有红外线温度计等产品，与电子温度计一样，这些新产品虽然安全性更高，但是成本较高、售价不菲，难以大量普及。如果能够采用一种新的安全的材料对水银温度计中的有毒汞进行替代，则可解决现在的问题。

镓基液态合金为典型的低熔点合金，在室温状态下能够保持液态，在医疗器械领域中的水银替代、尖端制冷领域的关键制冷介质等方面具有广泛的而应用。利用镓基液态金属替代水银作为感温液制备温度计具有数据精准、响应速度快、价格低廉和环保等优势。然而，液态金属直接应用于温度计的制造时存在一个非常大的问题：当镓基液态金属在制备温度计的过程中，其表面易于形成各类不均匀的氧化物导致液态金属表面粘附性增强，使液态金属在制备和使用过程中易铺展于温度计表面、难以按照需求重新配置形状、几乎阻止了液态金属在温度计内的自由流动。

发明内容

本发明通过对液态合金表面进行附着一层一定厚度的水膜，同时选择合适的液态金属配方，制备出了一种低表面粘附性的液态金属，还提供了一种应用该液态金属制备温度计的工艺。使用该液态金属制成的温度计不仅流动性极佳、能够有效指示温度，而且无毒无害、成本低廉，可有效取代水银温度计。

本发明中的效果通过以下方案进行实现：

本发明中提供的低表面粘附性的液态金属由最外层水膜、中间氧化层和内部液态合金组成，其中最外层水膜厚度为1-12μm。

进一步优选，外层水膜厚度为1-3μm。

应用于本发明中的内部液态合金为镓基液态金属，优选其组成及质量百分含量为：镓59-68%、铟19-25%、锡10-14%、铋0.5-3%；

或者：镓59-68%、铟19-25%、锡10-14%、铋0.5-3%、锑0.1-0.5%。

本发明中还提供一种制备上述低表面粘附性液态金属的方法，包括如下步骤：

步骤一，将去离子水注入干净的玻璃容器中；

步骤二，再将液态合金加入至玻璃容器中，液态合金与去离子水的质量比为（120-160）:1，水膜在液态合金液柱和玻璃容器壁之间形成；

步骤三，将步骤二中得到的表面初步形成水膜的液态合金进行加热，加热温度为75-90℃，封闭玻璃容器保温1-2小时，待表面水膜和液态合金本体表面之间形成氧化物膜层，即得所需液态金属。该步骤中，加热温度优选为80-82℃。

通过本发明提供的制备方法制备得到的低表面粘附性的液态金属可以取代水银温度计中的水银作为温度指示材料。

镓基液态金属无毒无害，流动性佳，然而直接应用于温度计制造过程中，则会出现该液态金属容易挂壁、流动不畅的现象。究其原因，是来自于镓基液态金属本身的特性，镓基液态金属表面能高，在固体表面易铺展，尤其是玻璃表面，接触角极小。为了使液态金属能够像汞一样，拥有良好的流动性的同时降低其表面能，使其与玻璃接触时的接触角提升，本发明中采用了在液态金属表面包覆一层水膜的工艺。液态金属与水直接接触时，水会自主包覆在液态金属表面，本发明中首先通过控制液态金属与去离子水的质量比和搅动方式，使液态金属的表面初步附上一层均匀的水膜，然后，对初步附上水膜的液态金属进行加热保温，使液态金属中的镓与水产生氧化反应，在液态金属本体与表面水膜之间形成一层均匀氧化镓层。该氧化镓层性质稳定、表面能低，与玻璃表面完全不浸润，而且该氧化镓层紧密包覆于液态金属本体表面，可有效防止在温度计的制备过程或者后续成型的温度计的使用过程中液态金属本体粘附于温度计内壁的情况发生。本发明的发明人在实践中发现，本发明中的镓基液态金属在玻璃表面的接触角一般为12-20°，利用本发明中的方法制备的低表面粘附性的液态金属在玻璃表面的接触角可增至130-132°，与汞在玻璃表面的接触角非常接近。

应用本发明中的低表面粘附性的液态金属制备温度计的方法如下：

步骤一，取长度为15cm、一端开口另一端为0.12ml空腔的玻璃管作为温度计主体，洗净、干燥，并使用紫外线灯照射10-15分钟；

步骤二，将玻璃管和装有液态金属的密闭容器置于密闭空间中，将玻璃管开口端插入液态金属中，对该密闭空间抽真空至真空度小于10^-1Pa；

步骤三，将密闭空间的环境温度升至80-90℃，往密闭容器中通入1个大气压的高纯氮气，利用压力将液态金属压至玻璃管中至填满，保温0.5-1小时，然后将环境温度降至室温；

步骤四，将装填完毕的玻璃管从密闭容器中取出，使多余液态金属自然溢出，封闭开口端；

步骤五，按照不同温度下液态金属的液面制作并安装刻度表。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明中的液态金属表面粘附性低，不易在玻璃表面铺展，流动性好。

2、本发明中的低表面粘附性液态金属制备工艺简单、成本低，适合大规模推广使用。

3、使用本发明中的低表面粘附性液态金属制成的温度计安全无毒、使用方法与传统的水银温度计无差别，可有效取代水银温度计。

具体实施方式

实施例

1、液态合金的制备

首先制备5种不同成分的液态合金，成分组成及质量百分含量为：

①镓59.3%、铟24.8%、锡14.0%、铋1.9%

②镓64.3%、铟20.1%、锡13.4%、铋2.2%

③镓61.3%、铟23.8%、锡13.2%、铋1.2%、锑0.5%

④镓62.4%、铟22.2%、锡12.4%、铋2.6%、锑0.4%

⑤镓68.0%、铟19.1%、锡10.0%、铋2.7%、锑0.2%

液态合金的制备工艺为：

步骤一，合金原料选用纯度大于99.9%的合金粉末原料，按照配方称取合金原料；

步骤二，将除了镓以外的合金原料在制备容器中混合均匀，加热超过200℃以后再倒入金属镓，加热至240℃，直到原料充分融化混合；

步骤三，将步骤二中的合金原料搅拌均匀后保温2小时，然后自然冷却至室温，即得所需液态金属。

2、低表面粘附性液态金属的制备

制备方法为：

步骤一，将去离子水注入干净的玻璃容器中；

步骤二，再将液态合金加入至玻璃容器中，液态合金与去离子水的质量比为135:1，将混合液沿着同一方向进行搅拌，使液态合金表面与去离子水充分接触，直至液态合金表面不与玻璃容器内壁进行粘附，即初步形成水膜；

步骤三，将步骤二中得到的表面初步形成水膜的液态合金进行加热，加热温度为82℃，封闭玻璃容器保温1.5小时，待表面水膜和液态合金本体表面形成氧化物膜层，即得所需液态金属。

利用上述制备方法得到的液态金属表面外层水膜为2μm。测试实施例中5种不同配方的液态金属在玻璃表面的接触角，均在130-135°之间，其中配方③、④、⑤接触角优于配方①、②，多次测试可稳定在132-135°范围内。故在温度计制备工艺中，采用较佳配方⑤进行。

3、利用制得的低表面粘附性液态金属制备温度计

制备方法为：

步骤一，取长度为15cm、一端开口另一端为0.12ml空腔的玻璃管作为温度计主体，洗净、干燥，并使用紫外线灯照射15分钟；

步骤二，将玻璃管和装有液态金属的密闭容器置于密闭空间中，将玻璃管开口端插入液态金属中，对该密闭空间抽真空至真空度小于10^-1Pa；

步骤三，将密闭空间的环境温度升至85℃，往密闭容器中通入1个大气压的高纯氮气，利用压力将液态金属压至玻璃管中至填满，保温0.5小时，然后将环境温度降至室温；

步骤四，将装填完毕的玻璃管从密闭容器中取出，使多余液态金属自然溢出，封闭开口端。在该步骤中也可将装填完毕的玻璃管置于液态水中，使多余的液态金属自行逸散至水中；

步骤五，按照不同温度下液态金属的液面制作并安装刻度表。

由本实施例中方法制备的液态金属温度计安全无毒、液态金属指示剂流动性佳、不粘附玻璃表面，温度指示效果好，价格低廉，适合推广使用。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种低表面粘附性的液态金属，其特征在于：所述液态金属由最外层水膜、中间氧化层和内部液态合金组成，其中最外层水膜厚度为1-12μm。

2.如权利要求1所述低表面粘附性的液态金属，其特征在于：外层水膜厚度为1-3μm。

3.如权利要求1所述低表面粘附性的液态金属，其特征在于：所述内部液态合金为镓基液态合金。

4.如权利要求3所述低表面粘附性的液态金属，其特征在于：所述内部液态合金的组成及质量百分含量为：镓59-68%、铟19-25%、锡10-14%、铋0.5-3%。

5.如权利要求3所述低表面粘附性的液态金属，其特征在于：所述内部液态合金的组成及质量百分含量为：镓59-68%、铟19-25%、锡10-14%、铋0.5-3%、锑0.1-0.5%。

6.一种制备权利要求1-5任一所述低表面粘附性液态金属的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，将去离子水注入干净的玻璃容器中；

步骤二，再将液态合金加入至玻璃容器中，液态合金与去离子水的质量比为（120-160）:1，水膜在液态合金液柱和玻璃容器壁之间形成；

步骤三，将步骤二中得到的表面初步形成水膜的液态合金进行加热，加热温度为75-90℃，封闭玻璃容器保温1-2小时，待表面水膜和液态合金本体表面之间形成氧化物膜层，即得所需液态金属。

7.如权利要求5所述低表面粘附性液态金属的制备方法，其特征在于：步骤三中，加热温度为80-82℃。

8.一种如权利要求1-5任一所述低表面粘附性液态金属在温度计中的应用，其特征在于：所述液态金属取代水银温度计中的水银。

9.如权利要求8所述低表面粘附性液态金属在温度计中的应用，其特征在于温度计的制备方法如下：

步骤一，取长度为15cm、一端开口另一端为0.12ml空腔的玻璃管作为温度计主体，洗净、干燥，并使用紫外线灯照射10-15分钟；

步骤二，将玻璃管和装有液态金属的密闭容器置于密闭空间中，将玻璃管开口端插入液态金属中，对该密闭空间抽真空至真空度小于10^-1Pa；

步骤三，将密闭空间的环境温度升至80-90℃，往密闭容器中通入1个大气压的高纯氮气，利用压力将液态金属压至玻璃管中至填满，保温0.5-1小时，然后将环境温度降至室温；

步骤四，将装填完毕的玻璃管从密闭容器中取出，使多余液态金属自然溢出，封闭开口端；

步骤五，按照不同温度下液态金属的液面制作并安装刻度表。