CN114163980B - 一种冷却液组合物、冷却液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种冷却液组合物、冷却液及其制备方法和应用。相对于100重量份的冷却液组合物，冷却液组合物包含如下重量份的成分：金属腐蚀抑制剂1～8份、纳米粒子0.1～5份、分散剂0.2～5份、1，2‑丙二醇90～95份以及助剂1～8份；所述纳米粒子包含纳米氧化铜和碳纳米管，所述纳米氧化铜和所述碳纳米管的重量比为1：(2～4)；其中，所述纳米粒子的粒径为10～50nm。本公开提供的冷却液具有环保、高沸点和高传热效率等特点，并具有优异的金属腐蚀抑制性，适用于重负荷车辆和苛刻工况下的长期使用。
Description
技术领域
本公开涉及冷却液技术领域，具体地，涉及一种冷却液组合物、冷却液及其制备方法和应用。
背景技术
发动机冷却液是带走发动机废热，维持发动机在正常温度区间工作的重要介质。传统发动机冷却液采用水乙二醇基液，并添加缓蚀剂等成分，以维持冷却液防冻、防沸和防腐蚀能力。随着发动机技术和发动机性能的不断提高，发动机的工作温度越来越高，产热量越来越大，发动机冷却液的热负荷呈现明显上升的趋势。对军用车辆、重载客货车等大功率车辆，以及在高原、沙漠等恶劣环境使用的车辆而言，发动机冷却液热负荷急剧增加，传统的水乙二醇冷却液极易沸腾，进而影响发动机冷却液传热能力，无法保证发动机的正常工作。
丙二醇基无水冷却液采用丙二醇基液，沸点可达180℃以上，可以保证发动机冷却液在重载高负荷和低气压情况下也不易产生沸腾，可以维持发动机正常工作。同时，丙二醇相比乙二醇具有低毒和易生物降解的特点，更加符合环保要求，因而，丙二醇基无水冷却液在重负荷车辆和在高原低气压地区行驶的车辆中逐渐得到认可。但是，丙二醇基无水冷却液的传热能力较差，这极大限制了丙二醇基无水冷却液的使用。
发明内容
本公开的目的是提供一种具备高效传热能力的环保型的冷却液组合物、冷却液及其制备方法和应用，该方法制备的冷却液具有环保、高沸点和高传热效率的优势，适用于高负荷和苛刻工况下车辆发动机的长期使用。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种冷却液组合物，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物包含如下重量份的成分：
所述纳米粒子包含纳米氧化铜和碳纳米管，所述纳米氧化铜和所述碳纳米管的重量比为1：(2～4)；其中，所述纳米粒子的粒径为10～50nm。
可选地，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物包含如下重量份的成分：
所述纳米氧化铜的粒径为20～30nm，所述碳纳米管的粒径为10～20nm。
可选地，所述分散剂、所述纳米粒子与所述金属腐蚀抑制剂的重量比为1：(2～5)：(5～10)。
可选地，所述分散剂包括乙二醇单乙醚和/或丙烯酸丁酯；优选地，所述分散剂包含乙二醇单乙醚和丙烯酸丁酯，所述乙二醇单乙醚与所述丙烯酸丁酯的重量比为1：(2～4)。
可选地，所述金属腐蚀抑制剂选自双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑中的一种或几种；优选地，所述金属腐蚀抑制剂由双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑组成，其中，所述双(对-羧苯基)苯基氧化膦、所述壬二酸与所述甲基苯并三氮唑的重量比为1：(1～4)：(2～7)。
可选地，所述助剂为乙醇；所述冷却液组合物还包含消泡剂和/或pH调节剂；
相对于100重量份的冷却液组合物，所述消泡剂的含量为0.01～0.1重量份，所述pH调节剂的含量为0～1.2重量份；
优选地，所述消泡剂为PE6100；所述pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。
可选地，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物由以下重量份的组分组成：
本公开第二方面提供一种采用本公开第一方面所述的冷却液组合物制备冷却液的方法，该方法包括：将所述冷却液组合物混合；
优选地，该方法包括如下步骤：将所述纳米粒子、分散剂、助剂和1，2-丙二醇混合，然后加入金属腐蚀抑制剂和pH调节剂进行搅拌，再加入消泡剂进行搅拌；
优选地，加入所述pH调节剂以控制所述冷却液的pH在7.5～11.0。
本公开第三方面提供一种采用本公开第二方面所述的方法制备得到的冷却液。
本公开第四方面提供本公开第三方面所述的冷却液的用途，所述用途为在高负荷和苛刻工况下车辆发动机中的长期使用。
通过上述技术方案，本公开提供了一种环保型丙二醇基无水冷却液组合物，该冷却液组合物可以获得纳米粒子均匀分散的具有高沸点、优异金属腐蚀抑制性和高传热性的冷却液，大大提高发动机冷却液的传热效率，解决传统丙二醇基无水冷却液传热能力较差的问题。本公开提供的冷却液适用于重负荷车辆及高原、沙漠等苛刻工况下使用，为发动机冷却系统的轻量化和紧凑化设计打下基础。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开第一方面提供一种冷却液组合物，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物包含如下重量份的成分：
所述纳米粒子包含纳米氧化铜和碳纳米管，所述纳米氧化铜和所述碳纳米管的重量比为1：(2～4)；其中，所述纳米粒子的粒径为10～50nm。
本公开提供的冷却液组合物，通过将特定比例和特定粒径的纳米氧化铜和碳纳米管混合粒子引入丙二醇基无水冷却液中，大大提高传统发动机冷却液的传热效率，增强冷却液的防沸和高传热性。
在本公开的一种实施方式中，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物包含如下重量份的成分：
所述纳米氧化铜的粒径为20～30nm，所述碳纳米管的粒径为10～20nm。
上述实施方式中，通过对纳米粒子的粒径进一步限定，可进一步提高冷却液的导热系数，使其具有更好的传热性能和稳定性，提高冷却液的综合性能。
在本公开的一种实施方式中，所述分散剂、所述纳米粒子与所述金属腐蚀抑制剂的重量比为1：(2～5)：(5～10)。
在上述实施方式中，通过选用优选比例的分散剂、纳米粒子与金属腐蚀抑制剂，可使纳米粒子均匀分散于1，2-丙二醇中，避免因混合纳米粒子聚集沉降导致的传热效率降低的问题，增强了冷却液的传热性能。
在本公开的一种实施方式中，所述分散剂包括乙二醇单乙醚和/或丙烯酸丁酯；优选地，所述分散剂包含乙二醇单乙醚和丙烯酸丁酯，所述乙二醇单乙醚与所述丙烯酸丁酯的重量比为1：(2～4)。
在上述实施方式中，通过选用优选组合和比例的分散剂，可以使纳米粒子更加均匀、稳定地分散于1，2-丙二醇中，有效解决了纳米粒子容易聚集沉淀的问题，增强了冷却液的传热性能。
在本公开的一种实施方式中，所述金属腐蚀抑制剂选自双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑中的一种或几种；优选地，所述金属腐蚀抑制剂由双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑组成，其中，所述双(对-羧苯基)苯基氧化膦、所述壬二酸与所述甲基苯并三氮唑的重量比为1：(1～4)：(2～7)。
在上述实施方式中，通过加入优选比例的双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑缓蚀剂，能够获得具有优异金属腐蚀抑制性的高效传热冷却液，使其对铸铝、焊锡、铜、铝合金、黄铜、钢、铸铁等金属材料都有很好的保护作用，保证冷却液长期使用。
在本公开的一种实施方式中，所述助剂为乙醇，所述冷却液组合物还包含消泡剂和/或pH调节剂；相对于100重量份的冷却液组合物，所述消泡剂的含量为0.01～0.1重量份，所述pH调节剂的含量为0～1.2重量份；
优选地，所述消泡剂为PE6100；所述pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。
在上述实施方式中，通过加入优选比例的消泡剂和酸碱调节剂，能够获得具有优异抗泡性和对橡胶具有良好相容性的冷却液。
在本公开的一种实施方式中，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物包含如下重量份的成分：
在上述实施方式中，通过采用优选比例的组分，能够得到环保型丙二醇基无水冷却液，该冷却液不仅具有优异的非金属材料相容性、金属腐蚀抑制性，同时还具有较高的沸点和传热效率。
本公开第二方面提供一种采用本公开第一方面所述的冷却液组合物制备冷却液的方法，该方法包括：将所述冷却液组合物混合；
优选地，该方法包括如下步骤：将所述纳米粒子、分散剂、助剂和1，2-丙二醇混合，然后加入金属腐蚀抑制剂和pH调节剂进行搅拌，再加入消泡剂进行搅拌；
优选地，加入所述pH调节剂以控制所述冷却液的pH在7.5～11.0。
本公开的方法步骤简单、操作方便，可以制备出高效传热能力的环保型丙二醇基无水冷却液。
本公开第三方面提供一种采用本公开第二方面所述的方法制备得到的冷却液。
本公开第四方面提供本公开第三方面所述的冷却液的用途，所述用途为在高负荷和苛刻工况下车辆发动机中的长期使用。
本公开的方法过程简单、易于工业化，可以制备得到高沸点、高传热性和具有优异金属腐蚀抑制性的丙二醇基无水冷却液，适用于重负荷车辆及高原、沙漠等苛刻工况下使用，也为发动机冷却系统的轻量化和紧凑化设计打下基础。其中，苛刻工况指的是比汽车或发动机通常工作状况更为严苛和复杂的工作环境或工作状态，如极寒、高温、高海拔、高温差等恶劣环境，以及重载、高速、高负荷、长时间运行等工作状态。
下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。本公开中，所述重量份可以是mg、g、kg等本领域公知的重量单位，也可以是其倍数，如1/10、1/100、10倍、100倍等。
下述实施例和对比例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
粘度(20℃)的测试方法为：按照药典15版第四部0633黏度测定法第三法规定的方法进行测试，使用Thermo ScientificTMHAAKETMMARSTM40流变仪测得；
导热系数(20℃)的测试方法为：按照ASTM D2717规定的方法进行测试，使用西安夏溪电子科技有限公司的型号为TC300L的导热系数测量仪测得；
比热(20℃)的测试方法为：按照ASTM E1269规定的方法进行测试，使用德国耐驰NETZSCH的型号为STA 449F3的同步热分析仪测得；
密度(20℃)的测试方法为：按照GB/T 2013规定的方法进行测试，使用奥地利安东帕Anton Paar的型号为DMA 4500M的数字式密度计测得。
下述实施例和对比例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到，其中纳米氧化铜购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，碳纳米管购买自国药集团化学试剂有限公司。
本公开中，以下实施例和对比例所提供的冷却液的制备方法步骤如下：按照配比将分散剂加入1，2-丙二醇中搅拌10～20分钟，然后加入纳米粒子超声30分钟以上，然后加入助剂搅拌10～20分钟，然后依次加入金属腐蚀抑制剂、酸碱调节剂和消泡剂搅拌30～60分钟；其中，加入酸碱调节剂的量需控制冷却液的pH在7.5～11.0。
实施例1
本实施例提供的冷却液组合物(总质量100kg)的组成为：
实施例2
本实施例提供的冷却液组合物(总质量100kg)的组成为：
实施例3
本实施例提供的冷却液组合物(总质量100kg)的组成为：
实施例4
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：乙二醇单乙醚为0.2份，丙烯酸丁酯为0.3份，其他组成和配比与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：双(对-羧苯基)苯基氧化膦为0.2份，壬二酸为1份，甲基苯并三氮唑为1.8份，其他组成和配比与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供的冷却液组合物(总质量100kg)的组成为：
实施例7
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：纳米氧化铜的粒径为35～50nm，碳纳米管的粒径为30～40nm，其他组成和配比与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：纳米氧化铜的粒径为35～50nm，其他组成和配比与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：碳纳米管的粒径为30～40nm，其他组成和配比与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：将乙二醇单乙醚和丙烯酸丁酯替换成相同用量的十二烷基苯磺酸钠，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：将碳纳米管和纳米氧化铜去除，替换成相同用量的1，2-丙二醇，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：将碳纳米管去除，替换成相同用量的1，2-丙二醇，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：将纳米氧化铜去除，替换成相同用量的1，2-丙二醇，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：将纳米氧化铜替换成相同用量的纳米氧化铝，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：纳米氧化铜为0.1份，碳纳米管为0.9份，其他组成和配比与实施例1相同。
对比例6
本对比例提供一种冷却液组合物，区别仅在于：纳米氧化铜为0.5份，碳纳米管为0.5份，其他组成和配比与实施例1相同。
测试例
20℃下，按照ASTM D1384规定的测试方法对上述实施例和对比例进行玻璃器皿腐蚀试验，试验结果列于表1，表1还列出了以上实施例和对比例的导热系数增加率和传热增强百分比，导热系数增加率和传热增强百分比的定义如下式所示：
其中努塞尔数的计算公式为：努塞尔数＝0.023×Re0.8×Pr0.33(根据Dittus-Boelter方程)，雷诺数(Re)和普朗特数(Pr)是在20℃下进行测定得到，
雷诺数(Re)＝密度(kg/m3)×流速(设为1m/s)×配管直径(设为0.01m)÷粘度(Pa·s)；
普朗特数(Pr)＝粘度(Pa·s)×比热(J/(kg·K))÷热导率(W/(m·K))。
表1冷却液试验结果
通过表1的测试结果可知，本公开实施例1～10提供的丙二醇基无水冷却液组合物通过选用优选比例的碳纳米管和纳米氧化铜，制备得到的冷却液具有环保和高传热效率的优势，适用于高负荷和苛刻工况下车辆发动机的长期使用；而对比例1～6提供的丙二醇基无水冷却液组合物未采用优选比例的碳纳米管和纳米氧化铜，制备得到的冷却液仅部分性能可以达到本公开实施例1～10提供的冷却液水平，因此本公开实施例1～10提供的丙二醇基无水冷却液组合物相比于对比例1～6提供的产物性能更优异。
实施例1与实施例4的数据对比可知，优选地，乙二醇单乙醚与丙烯酸丁酯的重量比为1：(2～4)时，本公开制备的冷却液中的纳米粒子能长期稳定分散于冷却液中，冷却液的传热性能更优异；实施例1与实施例5的数据对比可知，优选地，双(对-羧苯基)苯基氧化膦、壬二酸与甲基苯并三氮唑的重量比为1：(1～4)：(2～7)时，本公开制备的冷却液对铸铝、铸铁、焊锡、钢、铜等金属材料均有良好的防腐蚀作用，冷却液的传热性能更优异；实施例1与实施例6的数据对比可知，优选地，分散剂、纳米粒子与金属腐蚀抑制剂的重量比为1：(2～5)：(5～10)时，本公开制备的冷却液中的纳米粒子能长期稳定分散于冷却液中，冷却液的传热性能更优异；实施例1与实施例7、8、9的数据对比可知，优选地，纳米氧化铜的粒径为20～30nm，碳纳米管的粒径为10～20nm时，本公开制备的冷却液的导热系数增加，冷却液的传热性能更优异；实施例1与实施例10的数据对比可知，优选地，分散剂包含乙二醇单乙醚和丙烯酸丁酯时，本公开制备的冷却液中的纳米粒子能长期稳定分散于冷却液中，冷却液的传热性能更优异。
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (5)
1.一种冷却液组合物，其特征在于，相对于100重量份的冷却液组合物，所述冷却液组合物由以下重量份的组分组成：
所述纳米氧化铜和所述碳纳米管的重量比为1：（2~4）。
2.采用权利要求1所述的冷却液组合物制备冷却液的方法，其特征在于，该方法包括：将所述冷却液组合物混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：将纳米粒子、分散剂、助剂和1，2-丙二醇混合，然后加入金属腐蚀抑制剂和pH调节剂进行搅拌，再加入消泡剂进行搅拌；
所述纳米粒子为纳米氧化铜和碳纳米管，所述分散剂为乙二醇单乙醚和丙烯酸丁酯，所述助剂为乙醇，所述金属腐蚀抑制剂为双（对-羧苯基）苯基氧化膦、壬二酸和甲基苯并三氮唑，所述pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾，所述消泡剂为PE6100。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加入所述pH调节剂以控制所述冷却液的pH在7.5~11.0。
5.采用权利要求2~4中任意一项所述的方法制备得到的冷却液。
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