CN106701043A - 水性有机载冷/导热介质及其制备方法 - Google Patents

水性有机载冷/导热介质及其制备方法 Download PDF

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刘志刚
张承武
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Abstract

一种水性有机载冷/导热介质及制备方法，它是由丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和去离子水为基液，以丁二酸、己二酸、三羧酸、二乙醇胺、三乙醇胺、三(二甲胺基)膦、巯基苯并噻唑、苯并三氮唑、六乙基亚磷酰三胺、聚合度8000聚马来酸酐为复配缓蚀阻垢剂，分别加入和分段加热搅拌溶解制成。制备的水性有机载冷/导热介质，对多金属系统具有优异的缓蚀阻垢性能，有效防止电化学腐蚀和热腐蚀。储备碱度大于20ml使介质具有稳定的PH值从而保证介质性能的长效性；导热系数稍优于导热油，可以实现在‑40—210℃温度范围内正常工作，低温下可以作为载冷剂和防冻剂，高温下可作为导热液。具有高温下性能稳定，低温下粘度低，缓蚀阻垢性能长效且环境友好以及导热系数良好的特点。

Description

水性有机载冷/导热介质及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机材料领域，具体涉及一种水性有机载冷/导热介质。
背景技术
目前，工业生产中重要的加热油炉导热介质为导热油，载冷剂多为空气和水。
导热油具有沸点高，闪点高，调温控制准确，能在低蒸汽压下产生高温，传热效果好，节能，输送和操作方便等特点，近年来被广泛用于各种间接传热领域。虽然导热油的优点很多，但同样存在着很多致命的缺点。（1）易结焦。结焦现象发生后不仅阻碍导热油的流动，降低热传导效率增加燃料消耗，而且会造成管道局部过热变形引起爆炸的可能。（2）易腐蚀。在导热油系统封氮效果不良，在有氧气存在的情况下易氧化成植酸及胶质物粘附输油管，不仅会堵塞系统管路，同时易造成导热油呈酸性而造成管道腐蚀，增加系统运行泄漏的风险。而且由于其成分复杂，添加缓蚀阻垢剂来解决其腐蚀问题尤为困难，目前尚没有在导热油中添加缓蚀剂解决其腐蚀性的成功案例。（3）更换频繁。一般导热油需要2年更换，即使相对质量好、运行维护合理的工况下不会超过3年。（4）运行环境对水的含量要求非常严格，少量水分就能给系统运行带来巨大危害。
目前载冷剂多为空气和水，如中央空调、滑冰场、制冷盘管除霜等。空气具有流动性好，适用温度范围宽、成本低的优点，但由于空气的比热容小，导致制冷速度慢，而且由于空气在温度变化时容易产生冷凝水，与空气中的氧气混合后容易对管路形成氧化腐蚀。水具有流动性好、比热容高的优点，但其使用温度必须在0℃以上，如果系统循环不畅，极易局部形成低温区致水结冰，从而使管路发生爆裂。
丙二醇的冰点很低（-59℃），但与水混合后其沸点降低，即使是少量的水也会使其冰点大幅度降低；一缩二乙二醇、二缩三乙二醇在化工行业应用较多，但常用作为溶剂、萃取剂、干燥剂以及化工合成，其沸点高、低温性能好的特点在中高温导热介质领域的应用还未见相关报道，其具有沸点高的特点，但同样其冰点也相对较高，在-8℃左右。根据拉乌尔定律，丙二醇、一缩二乙二醇和二缩三乙二醇与水混合后，可利用丙二醇低冰点的特性及一缩二乙二醇、二缩三乙二醇沸点高的特性混合成具有冰点低（可以达到-50℃）、沸点高（可以达到240℃）的混合液，物理性能和化学性质稳定，粘度小流动性好，对人体和环境无毒副作用。三种醇类基础液均为水性，更有利于管路、系统换热面内壁的清洗与介质更换。优选缓蚀剂，可有效抑制多元醇在高温下的酸化；借助于化学作用和物理吸附，缓蚀剂能够在系统材质表面形成一层保护膜，有效阻隔系统材质与介质中氧气接触，从而达到缓蚀的效果。优选阻垢剂，可对进入介质的系统材质离子进行捕捉形成络合物，有效防止结垢现象发生。二乙醇胺和三乙醇胺为有机弱碱，与缓蚀剂中有机酸可形成弱酸弱碱性有机物，使得碱性缓慢释放，在保证初始碱性的前提下，可以保证足够的储备碱度。
目前，有进口产品可以达到以上指标，但使用温度局限于180℃以下，且价格非常昂贵。基于以上几点，开发一种中高温下性能稳定，低温流动性良好，使用温度宽泛，缓蚀阻垢性能长效且环境友好的水性导热/载冷介质及其制备方法，将对拓宽传热介质的应用领域和功能具有巨大的推动作用。
发明内容
本发明的目的是发明一种中高温下性能稳定，低温流动性良好，使用温度宽泛，缓蚀阻垢性能长效且环境友好的水性导热/载冷介质。
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇60-70份，一缩二乙二醇6-15份，二缩三乙二醇6-15份，去离子水4-10份，以丁二酸0.2-0.8份，己二酸0.2-1份，三羧酸0.05-0.2份，二乙醇胺0.1-0.6份，三乙醇胺1-5.5份，巯基苯并噻唑0.1-0.3份、苯并三氮唑0.5-1份，六乙基亚磷酰三胺0.1-0.5份，聚合度8000聚马来酸酐0.01-0.2份组成。
本方案的具体特点还有，一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇65份，一缩二乙二醇12份，二缩三乙二醇12份、去离子水5份，以丁二酸0.4份，己二酸0.7份，三羧酸0.1份，二乙醇胺0.5份，三乙醇胺3.5份，巯基苯并噻唑0.15份、苯并三氮唑0.35份，六乙基亚磷酰三胺0.25份，聚合度8000聚马来酸酐0.05份组成。
本发明还提供了一种水性有机载冷/导热介质的制备方法，它包括以下步骤：
（1）采用聚四氟乙烯电动搅拌器搅拌，将丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和去离子水按一定配比搅拌混合均匀成基础液，将二乙醇胺和三乙醇胺按一定配比溶于基础液，目的是得到碱性基础液，同时保证成品足够的储备碱度。
（2）然后将碱性基础液在电加热套内加热至50-55℃后，恒温保持1.5小时，然后分别加入丁二酸、己二酸、三羧酸、巯基苯并噻唑、苯并三氮唑至完全溶解。
（3）最后加入六乙基亚磷酰三胺和聚合度8000聚马来酸酐，持续搅拌并以10℃/h升温速度，加热至90℃，至所有添加成分完全溶解，得到水性有机载冷/导热介质。
所需仪器设备包括聚四氟电动搅拌器，电子天平（精度0.0001g），电加热套。
本方案的有益效果是以克劳修斯-克拉贝龙方程为理论基础，选用丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和去离子水混合为基础液，是利用丙二醇冰点低（-59℃）和一缩二乙二醇（245℃）、二缩三乙二醇沸点高（285℃）的特点，然后加入去离子水，在大大降低粘度改善其流动性的基础上，得到冰点为-40℃，沸点为210℃的四元混合基础液。丁二酸、己二酸、三羧酸由于分子链长度不同可以在系统材质表面形成一层相互填补的保护膜防止材质表面腐蚀，尤其对钢、铸铁、焊锡有良好的吸附效果；二乙醇胺、三乙醇胺可以为介质提供持久的碱性环境；巯基苯并噻唑、苯并三氮唑可以对铜、锌具有优异的缓蚀效果，对钢、铸铁、铝、焊锡的缓蚀效果良好；六乙基亚磷酰三胺具有缓蚀和阻垢的双重作用，对铝、焊锡的缓蚀效果优异，与聚合度8000聚马来酸酐复配成阻垢率非常高的阻垢剂。
具体实施方式
实施例1：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇55份，一缩二乙二醇17份，二缩三乙二醇17份，去离子水2份，以丁二酸0.8份，己二酸0.3份，三羧酸0.1份，二乙醇胺0.3份，三乙醇胺6份，巯基苯并噻唑0.1份、苯并三氮唑1份，六乙基亚磷酰三胺0.3份，聚合度8000聚马来酸酐0.1份组成。
上述水性有机载冷/导热介质的制备方法是：将丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和去离子水按一定配比加入到烧杯中，采用聚四氟乙烯电动搅拌器搅拌，搅拌混合均匀成基础液，将二乙醇胺和三乙醇胺按一定配比溶于基础液，目的是得到碱性基础液，同时保证成品足够的储备碱度；然后将装有碱性基础液的烧杯在电加热套内加热至50-55℃后，恒温保持1.5小时后，分别加入丁二酸、己二酸、三羧酸、巯基苯并噻唑、苯并三氮唑至完全溶解；最后加入六乙基亚磷酰三胺和聚合度8000聚马来酸酐，持续搅拌并以10℃/h升温速度加热至90℃，至所有添加成分完全溶解。得到水性有机载冷/导热介质。
所需仪器设备包括四氟电动搅拌器、电子天平（精度0.0001g）、电加热套。所述四氟电动搅拌器搅速度为90-120r/min。
测试结果显示，
（1）冰点：-32℃，沸点247℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢增加15mg、黄铜增加3.5mg、紫铜减少7mg、铸铁增加19mg、焊锡增加22mg、铸铝减少17mg；测试完成后导热介质内有少许絮状物出现，阻垢效果一般；
（3）-30℃粘度：406.82mPa·s；
（4）PH值：9.3。
结论：冰点不足，缓蚀阻垢性能一般，粘度高低温流动性差，碱性足。
实施例2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇62份，一缩二乙二醇15份，二缩三乙二醇15份，去离子水3.2份，以丁二酸0.2份，己二酸0.3份，三羧酸0.05份，二乙醇胺0.25份，三乙醇胺3.18份，巯基苯并噻唑0.1份、苯并三氮唑0.6份，六乙基亚磷酰三胺0.1份，聚合度8000聚马来酸酐0.02份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-37℃，沸点225℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢增加6mg、黄铜减少3.5mg、紫铜减少1mg、铸铁增加16mg、焊锡增加19mg、铸铝减少20mg；测试完成后导热介质内有少许絮状物出现，阻垢效果一般；
（3）-30℃粘度：191.05mPa·s；
（4）PH值： 8.5。
结论：冰点不足，缓蚀阻垢性能一般，粘度偏高流动性差，碱性适当。
实施例3：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇64份，一缩二乙二醇14份，二缩三乙二醇14份，去离子水4份，以丁二酸0.25份，己二酸0.5份，三羧酸0.07份，二乙醇胺0.2份，三乙醇胺2份，巯基苯并噻唑0.1份、苯并三氮唑0.7份，六乙基亚磷酰三胺0.14份，聚合度8000聚马来酸酐0.03份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-39℃，沸点218℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢增加3mg、黄铜减少2.5mg、紫铜减少1mg、铸铁增加2mg、焊锡增加1.6mg、铸铝减少2.2mg；测试完成后导热介质内有少许絮状物出现，阻垢效果良好；
（3）-30℃粘度：188.13mPa·s；
（4）PH值： 8.4。
结论：冰点不足，缓蚀阻垢性能良好，粘度稍高流动性一般，碱性适当。
实施例4：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇65份，一缩二乙二醇12份，二缩三乙二醇12份、去离子水5份，以丁二酸0.4份，己二酸0.7份，三羧酸0.1份，二乙醇胺0.5份，三乙醇胺3.5份，巯基苯并噻唑0.15份、苯并三氮唑0.35份，六乙基亚磷酰三胺0.25份，聚合度8000聚马来酸酐0.05份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-40℃，沸点211℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢减少1mg、黄铜减少0.5mg、紫铜减少0.5mg、铸铁增加1mg、焊锡增加1.6mg、铸铝减少2.2mg；测试完成后导热介质依然清澈，阻垢效果优异；
（3）-30℃粘度：168.51mPa·s；
（4）PH值： 9。
结论：冰点低沸点高，缓蚀阻垢性能优异，粘度小低温流动性好，碱性足。位最优实施例。
实施例5：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇68份，一缩二乙二醇9份，二缩三乙二醇9份，去离子水7份，以丁二酸0.6份，己二酸0.6份，三羧酸0.15份，二乙醇胺0.35份，三乙醇胺3.79份，巯基苯并噻唑0.25份、苯并三氮唑0.9份，六乙基亚磷酰三胺0.3份，聚合度8000聚马来酸酐0.06份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-42℃，沸点199℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢减少1.8mg、黄铜减少0.7mg、紫铜减少0.5mg、铸铁增加2mg、焊锡增加4.6mg、铸铝减少4.0mg；测试完成后导热介质依然清澈，阻垢效果良好；
（3）-30℃粘度：154.41mPa·s；
（4）PH值： 9.1。
结论：冰点低，沸点不足，缓蚀阻垢性能良好，粘度偏高流动性差，碱性适当。
实施例6：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇70份，一缩二乙二醇6份，二缩三乙二醇6份，去离子水10份，以丁二酸0.8份，己二酸1份，三羧酸0.2份，二乙醇胺0.55份，三乙醇胺5.5份，巯基苯并噻唑0.29份、苯并三氮唑1份，六乙基亚磷酰三胺0.5份，聚合度8000聚马来酸酐0.16份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-44℃，沸点175℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢减少1.5mg、黄铜减少0.8mg、紫铜减少0.5mg、铸铁增加0.7mg、焊锡增加2.8mg、铸铝减少6.4mg；测试完成后导热介质依然清澈，阻垢效果良好；（3）-30℃粘度：140.51mPa·s；
（4）PH值：9.4。
结论：冰点不足，沸点不足，缓蚀阻垢性能良好，粘度低流动性好，碱性足。
实施例7：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
一种水性有机载冷/导热介质，它包括按重量份计的如下组分：丙二醇75份，一缩二乙二醇3份，二缩三乙二醇3份，去离子水13份，以丁二酸0.8份，己二酸1份，三羧酸0.2份，二乙醇胺0.5份，三乙醇胺2份，巯基苯并噻唑0.2份、苯并三氮唑1份，六乙基亚磷酰三胺0.2份，聚合度8000聚马来酸酐0.1份组成。
它的制备方法是同实施例1，不再赘述。
测试结果显示，
（1）冰点：-49℃，沸点121℃；
（2）缓蚀阻垢性能：参考（GB29743-2013玻璃器皿测试方法），在180℃环境下，持续336h后测试腐蚀结果分别为：碳钢减少16mg、黄铜减少7.1mg、紫铜减少5.7mg、铸铁增加24mg、焊锡增加28mg、铸铝增加36mg；测试完成后导热介质有絮状物及细微颗粒出现，阻垢效果一般；
（3）-30℃粘度：121.55mPa·s；
（4）PH值：8.3。
结论：冰点不足，沸点过低，缓蚀阻垢性能差，粘度低流动性好，碱性稍弱。

Claims (3)

1.一种水性有机载冷/导热介质，其特征是它包括以重量份计的如下组分：丙二醇60-70份，一缩二乙二醇6-15份，二缩三乙二醇6-15份，去离子水4-10份，以丁二酸0.2-0.8份，己二酸0.2-1份，三羧酸0.05-0.2份，二乙醇胺0.1-0.6份，三乙醇胺1-5.5份，巯基苯并噻唑0.1-0.3份、苯并三氮唑0.5-1份，六乙基亚磷酰三胺0.1-0.5份，聚合度8000聚马来酸酐0.01-0.2份组成。
2.根据权利要求1所述的水性有机载冷/导热介质，其特征是它是由按重量份计丙二醇65份，一缩二乙二醇12份，二缩三乙二醇12份、去离子水5份，以丁二酸0.4份，己二酸0.7份，三羧酸0.1份，二乙醇胺0.5份，三乙醇胺3.5份，巯基苯并噻唑0.15份、苯并三氮唑0.35份，六乙基亚磷酰三胺0.25份，聚合度8000聚马来酸酐0.05份组成。
3.一种如权利要求1所述的水性有机载冷/导热介质的制备方法，其特征是它包括以下步骤：
（1）采用聚四氟乙烯电动搅拌器搅拌，将丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇和去离子水按一定配比搅拌混合均匀成基础液，将二乙醇胺和三乙醇胺按一定配比溶于基础液，目的是得到碱性基础液，同时保证成品足够的储备碱度；
（2）然后将碱性基础液在电加热套内加热至50-55℃后，恒温保持1.5小时，然后分别加入丁二酸、己二酸、三羧酸、巯基苯并噻唑、苯并三氮唑至完全溶解；
（3）最后加入六乙基亚磷酰三胺和聚合度8000聚马来酸酐，持续搅拌并以10℃/h升温速度，加热至90℃，至所有添加成分完全溶解，得到水性有机载冷/导热介质。
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