CN113913163A - 一种热传导介质及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化工领域，尤其涉及一种热传导介质及其制备方法与应用；具体地说，涉及一种在直流电压作用下能够在铝、铜等金属电极上形成绝缘膜的导电介质。所述热传导介质包括有机酸、醇类化合物、唑类化合物和去离子水；其中，所述有机酸选自1,4‑环己烷二羧酸、2,4,6‑三(氨基己酸基)‑1,3,5‑三嗪、异辛酸、苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种；所述有机酸占所述热传导介质总质量的0.16％～10％；所述热传导介质为碱性。本发明的热传导介质具有优异的自阻能力，即在直流电作用下可以在铝、铜等金属表面形成绝缘膜，主动阻断电流，防止动力电池偶发性短路难题。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，尤其涉及一种热传导介质及其制备方法与应用；具体地说，涉及一种在直流电压作用下能够在铝、铜等金属电极上形成绝缘膜的导电介质。
背景技术
热管理涉及到工业及汽车行业等多个领域，而其使用的热传导介质多种多样。比如，氢燃料电池发动机需要使用超纯水作为温控介质、或者使用电导率小于5uS/cm的乙二醇水溶液作为温控介质；然而，使用超纯水或者超纯的乙二醇水溶液，虽然一定程度上满足了电导率的要求，但随着使用时间的增长会产生阴阳离子，进而导致电导率急剧增加从而丧失绝缘的作用。使用超纯水或者超纯乙二醇水溶液，其绝缘的机理主要依靠温控介质最初的绝缘性。在汽车工业中，采用发动机冷却液进行发动机的温控介质，具有很好防冻、防腐，以及使用寿命长等优点，但发动机冷却液的电导率一般在1000～4000uS/cm之间，直接应用可能导致其在直流电的作用下电解，产生氢气和氧气，造成燃烧危险，更严重的甚至直接发生爆炸事故。在逆变器等行业也存在此类危险的情况。因此，亟需开发一种具有自阻性能的热传导介质，解决在直流电压作用下、因热传导介质具有导电性而短路，进而产生氢气和氧气的技术难题。
CN101768428A公开了一种全有机型发动机冷却液，由乙二醇、脂肪羧酸、三元羧酸、安息香酸、三(2-乙基己酸)膦酸酯、唑类化合物、消泡剂及去离子水组成，该发动机冷却液能有效防止发动机冷却系统内所接触的所有金属和非金属材料的腐蚀，对各种金属均有突出的防腐蚀效果。但三(2-乙基乙酸)膦酸酯易导致磷酸盐沉淀，直接影响介质的导热性能，并且含磷冷却液污染环境。同时，上述发动机冷却液在直流电的作用下会发生电解，产生氢气和氧气。
CN107245328A公开了一种环保的长效、耐腐蚀、导热效果优良的有机酸型发动机冷却液及其制备方法；所述的有机酸型发动机冷却液由下述重量份配比的原料制成：低碳醇40～60份，去离子水50份，纳米碳化硅2～5份，苯甲酸钠0.1～5份，有机酸0.1～2份，苯三唑0.1～5份，分散剂0.1～2份，消泡剂0.05～0.2份，颜料0.0005～0001份，pH调节剂—调节pH至7.5～9.0。但上述发动机冷却液在直流电的作用下会发生电解，产生氢气和氧气。此外，上述发动机冷却液采用纳米碳化硅以提升传热能力，但是本领域人员公知纳米材料尤其是纳米碳化硅在溶液中易出现聚集、析出、沉积等问题，从而导致传热性能下降，不能长周期作为冷却液介质使用。
CN104559947A公开了一种环保防腐蚀有机酸型防冻液，其中各组分的重量份为醇类物质35～70份、缓蚀剂0.1～0.5份、表面活性剂0.1～1份、稳定剂0.1～1份、pH缓蚀剂0.1～0.5份、染料0.001～0.001份、去离子水30～65份；该防冻液沸点高，冰点低，防腐蚀能优越，质量稳定，能够长期保存和使用，且不含胺类、硝酸盐、磷酸盐等对环境和人体有害的物质，绿色环保，对环境友好。但上述发动机冷却液在直流电的作用下电解，产生氢气和氧气。并且，上述发动机冷却液有效成分含量较低，不能达到有效地缓蚀性能，按照实施例3配置溶液，并SH/T 0521-99标准开展水泵穴蚀试验，其结果为3级，不满足不小于8级的要求。
CN101688108A公开了具有改进的热稳定性的无毒的抗冻剂组合物；所述抗冻剂组合物包含50～99wt％的二醇基凝固点降低剂，其中所述二醇基凝固点降低剂选自亚烷基二醇、二醇单醚、甘油和它们的混合物；0.01～10wt％的至少一种以下物质：2-乙基己酸、异壬酸和3，5，5-三甲基己酸；和0.01～5wt％的至少一种以下物质：辛酸、壬酸、癸酸、十一烷酸、十二烷酸、新癸酸、苯甲酸、2-羟基苯甲酸、对-叔丁基苯甲酸和它们的混合物。但上述发动机冷却液含有至少一种硼酸盐、硅酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐、铬酸盐、磷酸盐，因此上述发动机冷却液本身因为含有亚硝酸盐、磷酸盐甚至铬酸盐等有毒物质，不符合环保要求，并且未见其实施例中有自阻性能，会在直流电作用下发生电解，产生氢气和氧气。
综上所述，目前还未见关于具有自阻性能热传导介质(即在直流电的作用下能够在金属表面形成绝缘膜的介质)的报道，因此亟需研发一种具有自阻性能的热传导介质，解决动力电池等非接触温控系统因热传导介质短路发生爆炸和起火的难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种热传导介质及其制备方法与应用。
作为本发明的第一目的，提供了一种热传导介质；该热传导介质具有优异的自阻性能，即在直流电作用下可以在铝、铜等金属表面形成绝缘膜，旨在解决因为热传导介质导电性而造成偶发动力电池正负极短路问题。
具体而言，所述热传导介质包括有机酸、醇类化合物、唑类化合物和去离子水；
其中，所述有机酸选自1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪、异辛酸、苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种；所述有机酸占所述热传导介质总质量的0.16％～10％；
所述热传导介质为碱性。
本发明意外发现，由有机酸、醇类化合物、唑类化合物和去离子水组成的热传导介质具有自阻性能；然而，本发明发现，由上述各组分组成的热传导介质虽然具备一定程度的自阻性能，但仍然不能有效解决因为热传导介质导电性而造成偶发动力电池正负极短路的问题。进一步地，本发明对上述各组分进行探究、发现，不同种类的有机酸、以及有机酸的用量对热传导介质的自阻性能影响较大；本发明意外发现，当有机酸为1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪、异辛酸、苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种、且有机酸占热传导介质总质量的0.16％～10％时，热传导介质具有较好的自阻性能；同时，本发明还发现，采用pH调节剂将热传导介质调节为碱性，其自阻性能最佳；在直流电的作用下，作为导体的上述热传导介质，具有在金属表面形成绝缘膜的能力，绝缘膜能够有效防止氢气和氧气的产生，杜绝了起火甚至爆炸事故的发生。
作为上述技术方案的优选，本发明发现，当所述热传导介质的pH值为7.5～11.0时，所述热传导介质的自阻性能最佳；进一步地，以氢氧化钠、氢氧化钾、三乙醇胺中的一种或几种为pH调节剂尤为理想。
为了进一步提高热传导介质的自阻性能，本发明针对醇类化合物和唑类化合物进行筛选，在大量的实验研究和测试实验的基础上，本发明确定了醇类化合物和唑类化合物的最佳选择，使之能够与特定的上述有机酸协同配伍，在直流电作用下能够迅速在铝、铜等金属表面形成绝缘膜，从而起到保护作用。
作为上述技术方案的优选，所述醇类化合物选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；
作为上述技术方案的优选，所述唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、促进剂M中的一种或几种；优选为甲基苯并三氮唑；
当所述醇类化合物和唑类化合物为上述选择时，其与特定的上述有机酸配伍，不仅具有优异的防腐蚀性能，更为重要的是能够在直流电的作用下直接在铝和铜金属表面形成绝缘膜，从而防止电解氢气和氧气的产生。
为了更进一步提高热传导介质的自阻性能，本发明针对上述热传导介质各组分的用量进行探究，确定了最优配比；具体如下：
作为上述技术方案的优选，所述热传导介质包括如下重量份的组分：
进一步地，所述热传导介质包括如下重量份的组分：
更进一步地，所述热传导介质包括如下重量份的组分：
作为最佳的技术方案，所述热传导介质包括如下重量份的组分：
其中，所述有机酸选自1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪、异辛酸、苯甲酸中的一种或几种；所述醇类化合物选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；所述唑类化合物为甲基苯并三氮唑；
所述热传导介质的pH值为为7.5～11.0。
作为本发明的第二目的，提供了上述热传导介质的制备方法，包括如下步骤：
1)将20～50％的去离子水的pH值调节为7.5～11.0后，向其中加入唑类化合物，待唑类化合物完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入醇类化合物，待醇类化合物完全溶解后，升温至40～80℃，加入有机酸；待有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌至清澈透明，得混合液。
本发明发现，上述步骤1)中，唑类化合物在碱性的去离子水中能够溶解完全，并且通过调节去离子水的pH值为7.5～11.0可保障得到碱性的第一溶液；同时，上述步骤2)中，待醇类化合物完全溶解于去离子水中后，升温至40～80℃后再加入有机酸，可使醇类化合物和有机酸分别完全溶解于去离子水中，从而得到酸性的第二溶液；进一步地，上述步骤3)中，碱性的第一溶液和酸性的第二溶液混合后发生化学反应，从而得到混合液。
作为上述技术方案的优选，所述制备方法还包括将所述混合液的pH值调节为7.5～11.0的步骤。
本发明中，将上述混合液的pH值调节为7.5～11.0之间，即得所述热传导介质；通过上述方法制备得到的热传导介质能够在直流电作用下在铝、铜等金属表面形成绝缘膜。
作为本发明的第三目的，提供了上述热传导介质在非接触式的温控系统中的应用；优选在动力电池非接触式的温控系统中的应用。
本发明提供的热传导介质尤其适合用于动力电池非接触式的温控系统，能够解决动力电池因导热介质导电而发生短路的问题；该热传导介质也适用于如电控、电机等汽车工业以及其他工业领域采用非接触式的温控系统中。
本发明的有益效果：
本发明的热传导介质具有优异的自阻能力，即在直流电作用下可以在铝、铜等金属表面形成绝缘膜，主动阻断电流，防止动力电池偶发性短路。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为8.5。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将30％的去离子水的pH值调节为8.5后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入乙二醇，搅拌50min至乙二醇完全溶解后，升温至80℃，随后加入1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪，搅拌50min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌90min至溶液清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为8.5。
实施例2
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为7.5。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将35％的去离子水的pH值调节为7.5后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入乙二醇，搅拌30min至乙二醇完全溶解后，升温至75℃，加入1,4-环己烷二羧酸、异辛酸、苯甲酸，搅拌50min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌110min至清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为7.5。
实施例3
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为7.9。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将40％的去离子水的pH值调节为7.9后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入乙二醇、丙二醇，搅拌50min至乙二醇和丙二醇完全溶解后，升温至65℃，加入1,4-环己烷二羧酸、异辛酸、苯甲酸，搅拌35min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌60min至清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为7.9。
实施例4
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为9.5。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将45％的去离子水的pH值调节为9.5后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入乙二醇，搅拌35min至乙二醇完全溶解后，升温至70℃，加入1,4-环己烷二羧酸、异辛酸、苯甲酸，搅拌30min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌100min至清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为9.5。
实施例5
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为10.5。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将35％的去离子水的pH值调节为10.5后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入乙二醇、丙二醇、丙三醇，搅拌50min至醇类化合物完全溶解后，升温至50℃，加入1,4-环己烷二羧酸、异辛酸、苯甲酸，搅拌50min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌190min至清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为10.5。
实施例6
本实施例提供一种热传导介质，包括如下重量份的组分：
所述热传导介质的pH值为9.0。
所述热传导介质的制备方法如下：
1)将40％的去离子水的pH值调节为9.0后，向其中加入甲基苯并三氮唑，待甲基苯并三氮唑完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入丙二醇，搅拌30min至丙二醇完全溶解后，升温至75℃，加入1,4-环己烷二羧酸、异辛酸、苯甲酸，搅拌35min至有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌80min至清澈透明，得混合液；
4)将所述混合液的pH值调节为9.0。
对比例1
本对比例提供一种热传导介质，与实施例1的区别在于：将1,4-环己烷二羧酸替换为辛二酸、将2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪替换为柠檬酸。
对比例2
本对比例提供一种热传导介质，与实施例1的区别在于：将乙二醇替换为乙醇、将甲基苯并三氮唑替换为咪唑。
对比例3
本对比例提供一种热传导介质，与实施例1的区别在于：热传导介质的pH值为6.5。
试验例1
本试验例针对实施例1～6和对比例1～3的热传导介质性能进行测试；其中，自阻性能试验方法中两个电极之间距离50mm，浸入热传导介质的深度均为30mm，在电极上增加24V或者其他非零数值的直流电压，观察初始电流到电流为0的时间；
具体测试结果如表1所示；
表1实施例1～6和对比例1～3的热传导介质性能测试结果
| 检验项目 | 电导率，uS/cm | 自阻性能(24V)，min |
| 实施例1 | ＞1000 | 0.8 |
| 实施例2 | ＞1000 | 1.2 |
| 实施例3 | ＞1000 | 1.0 |
| 实施例4 | ＞1000 | 0.6 |
| 实施例5 | ＞1000 | 0.8 |
| 实施例6 | ＞1000 | 2.0 |
| 对比例1 | ＞1000 | ＞60 |
| 对比例2 | ＞1000 | ＞30 |
| 对比例3 | ＞1000 | ＞21 |
经检测，本发明所提供的的热传导介质的性能指标如表2所示；
表2本发明的热传导介质性能检验结果
| 检验项目 | 单位 | 标准要求 | 性能指标 |
| 自阻性能 | min | 不大于10 | 0.1～10 |
综上，通过自阻性能测试方法可知，本发明的热传导介质具有优异的自阻性能，在直流电流作用下能快速在铝、铜金属表面形成绝缘膜，主动阻断电流，防止动力电池偶发性短路。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种热传导介质，其特征在于，包括有机酸、醇类化合物、唑类化合物和去离子水；
其中，所述有机酸选自1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪、异辛酸、苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种；所述有机酸占所述热传导介质总质量的0.16％～10％；
所述热传导介质为碱性。
2.根据权利要求1所述的热传导介质，其特征在于，所述热传导介质的pH值为7.5～11.0；优选以氢氧化钠、氢氧化钾、三乙醇胺中的一种或几种为pH调节剂。
3.根据权利要求1或2所述的热传导介质，其特征在于，所述醇类化合物选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；
和/或，所述唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、促进剂M中的一种或几种；优选为甲基苯并三氮唑。
4.根据权利要求1～3任一项所述的热传导介质，其特征在于，包括如下重量份的组分：
5.根据权利要求4所述的热传导介质，其特征在于，包括如下重量份的组分：
6.根据权利要求5所述的热传导介质，其特征在于，包括如下重量份的组分：
7.根据权利要求6所述的热传导介质，其特征在于，包括如下重量份的组分：
其中，所述有机酸选自1,4-环己烷二羧酸、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪、异辛酸、苯甲酸中的一种或几种；所述醇类化合物选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或几种；所述唑类化合物为甲基苯并三氮唑；
所述热传导介质的pH值为为7.5～11.0。
8.权利要求1～7任一项所述热传导介质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将20～50％的去离子水的pH值调节为7.5～11.0后，向其中加入唑类化合物，待唑类化合物完全溶解后，得第一溶液；
2)向剩余的去离子水中加入醇类化合物，待醇类化合物完全溶解后，升温至40～80℃，加入有机酸；待有机酸完全溶解后停止加热，得第二溶液；
3)将所述第一溶液和所述第二溶液混合后，搅拌至清澈透明，得混合液。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，还包括将所述混合液的pH值调节为7.5～11.0的步骤。
10.权利要求1～7任一项所述热传导介质在非接触式的温控系统中的应用；优选在动力电池非接触式的温控系统中的应用。
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