CN114410282A - 一种基于离子液体的低温导热油及其制备方法 - Google Patents

一种基于离子液体的低温导热油及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离子液体的低温导热油及制备方法，按重量份数计包括：离子液体低共熔组分90～98份、清洁分散剂2～10份；离子液体低共熔组分为二元或多元离子液体混合物形成的共晶。本发明具有较高的安全性，产物毒性小，可获得的原料广，价格低廉；制备的导热油热稳定性好，凝固温度可低至‑100℃，低温粘度小，蒸气压极低，热效率高，冷量传递效率优良，且低温性能优异。除了上述性能优势之外，还具有10年以上使用寿命、不易结焦的优点，并能减少污染物排放，节能环保，用途广泛，还可用作超低温电解液及其他低温工作流体等。

Description

一种基于离子液体的低温导热油及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热油技术领域，具体涉及一种基于离子液体的低温导热油及其制备方法。
背景技术
导热油为热载体油，也称热导油、热煤油等，是一种热量的传递介质。由于其具有加热均匀、调温控温准确、能在低蒸汽压下产生高温和低温、传热效果好、节能、输送和操作方便等特点，近年来被广泛应用于能源工业、石油化工、生活系统、精细化工等各大领域。
化纤制造、制药、精细化工等领域需要用到超低温导热油(＜-40℃)。常规低温导热油最低温度通常在-30℃左右，因此较难适应市场需求。普通导热油由于原材料自身性质限制等因素，很难再有低温的进一步突破。高原地区每年最低气温可以达到-60℃。极端低温环境对军事装备提出极高的要求。常规用于润滑和散热的导热油会受冷冻成固体，而且蒸发速度快，远不能满足武器装备所需要的高机动性能。因此，开发一款超低温且综合性能优异的导热油迫在眉睫。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种凝固温度可低至-100℃、成本较低、使用寿命长的基于离子液体的低温导热油及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种基于离子液体的低温导热油，按重量份数计包括离子液体低共熔组分90～98份、清洁分散剂2～10份；其中，离子液体低共熔组分，亦即低共熔离子液体，为二元或多元离子液体混合物形成的共晶。
进一步的，所述离子液体混合物为质子型和非质子型离子液体中的一类或两类构成。
进一步的，所述离子液体低共熔组分中至少含有以下阳离子中的一种：杂环吡啶鎓离子、哌啶鎓离子、吡咯烷鎓离子、咪唑鎓离子、三氮唑鎓离子、苯并咪唑鎓离子、苯并三氮唑鎓离子、膦基阳离子、季鏻阳离子、胺基阳离子、季铵阳离子、三乙醇胺阳离子、四乙醇铵阳离子、胍基阳离子。
进一步的，所述离子液体低共熔组分中至少含有以下阴离子中的一种：甲基磺酸根离子、三氟甲基磺酸根离子、双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子、双(氟磺酰)亚胺阴离子、双(全氟乙磺酰)亚胺阴离子、硫氰酸根离子、二氰胺离子、三氰基离子、乙酸根离子、饱和脂肪酸根离子、三氟乙酸根离子、氟磺酸根离子、硫酸氢根离子、硫酸根离子、对烷基苯磺酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、全氟丁基磺酸根离子、全氟辛基磺酸根离子、环状全氟烷基磺酰亚胺阴离子和卤素离子中的一种或两种及以上。
进一步的，所述清洁分散剂为γ-丁内酯、石油磺酸盐、合成磺酸盐、硫磷化聚异丁烯盐、烷基水杨酸盐、环烷酸盐、烯基丁二酚亚胺、硫化烷基酚盐中的一种、两种及以上以任意比例构成的混合物。
进一步的，离子液体低共熔组分为三辛基胺甲基磺酸盐、三甲基丁基铵双(三氟甲磺酰)亚胺盐混合构成；其中三辛基胺甲基磺酸盐为三辛基胺和甲基磺酸按等摩尔比混合制备得到。
一种基于离子液体的低温导热油的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌1～7h充分混合均匀；
步骤2：在常压常温状态下放置2～8h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的离子液体低共熔组分中的氢键供体与氢键受体形成了氢键，能够显著降低共熔组分的凝固点；本发明中的低共熔组分氢键作用较强，形成的低共熔组分凝固点较低以适应实际需求；
(2)本发明具有较高的安全性、产物毒性小，可获得的原料广，价格低廉；
(3)本发明导热油热稳定性好、低温粘度小、蒸气压极低、热效率高、冷量传递效率高、低温性能优异，并且使用寿命长，不易结焦、能减少污染物排放、安全环保、用途广泛。
附图说明
图1为本发明中离子液体低共熔组分原理示意图。
图2为本发明实施例得到的导热油主要成分的差示扫描量热曲线。
具体实施方式
下面结合具体的附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种基于离子液体的低温导热油，按重量份数计包括离子液体低共熔组分90～98份、清洁分散剂2～10份；其中，离子液体低共熔组分为二元或多元离子液体混合物形成的共晶。
所述离子液体混合物为质子型和非质子型离子液体中的一类或两类构成。离子液体低共熔组分中至少含有以下阳离子中的一种：杂环吡啶鎓离子、哌啶鎓离子、吡咯烷鎓离子、咪唑鎓离子、三氮唑鎓离子、苯并咪唑鎓离子、苯并三氮唑鎓离子、膦基阳离子、季鏻阳离子、胺基阳离子、季铵阳离子、三乙醇胺阳离子、四乙醇铵阳离子、胍基阳离子。离子液体低共熔组分中至少含有以下阴离子中的一种：甲基磺酸根离子(CH3SO3 -)、三氟甲基磺酸根离子(CFS3O3 -)、双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子、双(氟磺酰)亚胺阴离子、双(全氟乙磺酰)亚胺阴离子、硫氰酸根离子(SCN-)、二氰胺离子(DCA-)、三氰基离子(TCM-)、乙酸根离子、饱和脂肪酸根离子、三氟乙酸根离子、氟磺酸根离子、硫酸氢根离子、硫酸根离子、对烷基苯磺酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、全氟丁基磺酸根离子、全氟辛基磺酸根离子、环状全氟烷基磺酰亚胺阴离子和卤素离子中的一种或两种及以上。离子液体低共熔组分为至少包含一种上述阳离子和一种上述阴离子构成的电中性熔融盐。
清洁分散剂为γ-丁内酯、石油磺酸盐、合成磺酸盐、硫磷化聚异丁烯盐、烷基水杨酸盐、环烷酸盐、烯基丁二酚亚胺、硫化烷基酚盐中的一种、两种及以上以任意比例构成的混合物。
一种基于离子液体的低温导热油的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌1～7h充分混合均匀；
步骤2：在常压常温状态下放置2～8h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
离子液体是室温范围或100℃以内呈现为液态的熔融盐，也可以是使用温度下为液态的熔融盐。阳离子通常为有机结构。阳离子的正电荷位为N、P、S等原子为主。按其阳离子前驱体是否为布朗斯特碱，可分为质子型离子液体(protic ionic liquid)与非质子型离子液体(aprotic ionic liquid)。质子型离子液体是由布朗斯特碱与布朗斯特酸反应制备得到，其正电荷位的中心原子带质子。而非质子型离子液体则可以看成是对应的质子型离子液体的正电荷位的中心原子的质子都由相应的烷基等基团取代。
图1为离子液体低共熔组分的原理示意图。如图所示，低共熔温度(Te)是低共熔组分的一个重要物理参数。由于低共熔组分中的氢键供体与氢键受体形成了氢键的缘故，氢键作用越强，低共熔组分的凝固点通常越低。与组成低共熔组分的氢键供体和氢键受体纯组分各自的熔点相比，低共熔组分的凝固点通常可下降20～120℃。
实施例1
按照以下方法制备基于离子液体的低温导热油：
步骤1：离子液体低共熔组分按重量份数计包括三氟乙酸吡啶盐45份、苯并咪唑鎓双(三氟甲磺酰)亚胺盐45份。清洁分散剂为石油磺酸盐和合成磺酸盐总计10份。向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌2h充分混合均匀。
步骤2：在常压常温状态下放置2～8h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
经测试该实施例得到的低温导热油其凝固点可以达到-76℃，显著低于现有商业化导热油产品的凝固点；如矿物油凝固点为-30℃左右。
对该实施例得到的导热油进行测试所得性能指标如表1所示：
表1.实施例1性能指标
Figure BDA0003504258250000041
实施例2
按照以下方法制备基于离子液体的低温导热油：
步骤1：离子液体低共熔组分按重量份数计包括1-己基-3-甲基咪唑硫酸氢盐47份、哌啶乙酸盐47份。清洁分散剂为合成磺酸盐6份。向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌3h混合均匀。
步骤2：在常压常温状态下放置5h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
经测试该实施例得到的低温导热油其凝固点可以达到-59℃，显著低于现有商业化导热油产品的凝固点。
实施例3
按照以下方法制备基于离子液体的低温导热油：
步骤1：离子液体低共熔组分按重量份数计包括四乙基四氟硼酸铵48份、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐48份。清洁分散剂为硫磷化聚异丁烯盐4份。向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌4h混合均匀。
步骤2：在常压常温状态下放置4h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
经测试该实施例得到的低温导热油其凝固点可以达到-61℃，显著低于现有商业化导热油产品的凝固点。
实施例4
按照以下方法制备基于离子液体的低温导热油：
步骤1：离子液体低共熔组分按重量份数计包括咪唑全氟丁基磺酸盐49份、咪唑环状全氟烷基磺酰亚胺盐49份。清洁分散剂为烷基水杨酸盐2份。向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌5h混合均匀。
步骤2：在常压常温状态下放置3h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
经测试该实施例得到的低温导热油其凝固点可以达到-70℃，显著低于现有商业化导热油产品的凝固点。
实施例5
按照以下方法制备基于离子液体的低温导热油：
步骤1：离子液体低共熔组分按重量份数计包括三辛基胺甲基磺酸盐80份(三辛基胺与甲基磺酸按等摩尔混合制备得到)和三甲基丁基铵双(三氟甲磺酰基)亚胺盐16份。清洁分散剂为烷基水杨酸盐4份。向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌3h混合均匀。
步骤2：在常压常温状态下放置2h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
图2为本实施例得到的导热油主要成分的差示扫描量热曲线。从图中可以看出其凝固点可以达到-86.2℃。
三辛基胺甲基磺酸盐和三甲基丁基铵双(三氟甲磺酰基)亚胺盐共熔。由于三辛基胺甲基磺酸盐的阳离子是氢键给体，三甲基丁基铵双(三氟甲磺酰基)亚胺盐的阴离子是氢键受体，两者存在氢键相互作用，使得其共熔组分凝固点很低，且整体的粘度也进一步降低。此外，因为双(三氟甲磺酰基)亚胺阴离子中的N存在电荷离域将负电荷传递给S和O及三氟甲基基团，降低了和阳离子的相互作用，导致导热油整体的粘度降低。此外，通过三元或多元离子液体混合所得低共熔体系的凝固温度可进一步降低，使得凝固点可低于-100℃。
适合本发明的离子液体阳离子和阴离子分别如表2和表3所示：
表2.阳离子
Figure BDA0003504258250000061
Figure BDA0003504258250000071
表3.阴离子
Figure BDA0003504258250000072
Figure BDA0003504258250000081
本发明具有较高的安全性，产物毒性小，可获得的原料广，价格低廉；制备的导热油热稳定性好，低温粘度小，蒸气压极低，热效率高，冷量传递效率优良，且低温性能优异。除了上述性能优势之外，还具有10年以上使用寿命、不易结焦的优点，并能减少污染物排放，节能环保，用途广泛，还可用作超低温电解液等。

Claims (8)

1.一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，按重量份数计包括：离子液体低共熔组分90～98份、清洁分散剂2～10份；离子液体低共熔组分为二元或多元离子液体混合物形成的共晶。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，所述离子液体中液体低共熔组分为质子型和非质子型中的一类或两类构成的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，所述离子液体低共熔组分中至少含有以下阳离子基团中的一种：杂环吡啶鎓离子、哌啶鎓离子、吡咯烷鎓离子、咪唑鎓离子、三氮唑鎓离子、苯并咪唑鎓离子、苯并三氮唑鎓离子、膦基阳离子、季鏻阳离子、胺基阳离子、季铵阳离子、三乙醇胺阳离子、四乙醇铵阳离子、胍基阳离子。
4.根据权利要求1所述的一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，所述离子液体低共熔组分中至少含有以下阴离子基团中的一种：甲基磺酸离子、三氟甲基磺酸根离子、双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子、双(氟磺酰)亚胺阴离子、双(全氟乙磺酰)亚胺阴离子、硫氰酸根离子、二氰胺离子、三氰基离子、乙酸根离子、饱和脂肪酸根离子、三氟乙酸根离子、氟磺酸根离子、硫酸氢根离子、硫酸根离子、对烷基苯磺酸根离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、全氟丁基磺酸根离子、全氟辛基磺酸根离子、环状全氟烷基磺酰亚胺阴离子和卤素离子中的一种或两种及以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，所述清洁分散剂为γ-丁内酯、石油磺酸盐、合成磺酸盐、硫磷化聚异丁烯盐、烷基水杨酸盐、环烷酸盐、烯基丁二酚亚胺、硫化烷基酚盐中的一种、两种及以上以任意比例构成的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种基于离子液体的低温导热油，其特征在于，离子液体低共熔组分为三辛基胺甲基磺酸盐、三甲基丁基铵双(三氟磺酰基)亚胺盐混合构成；其中三辛基胺甲基磺酸盐为三辛基胺和甲基磺酸按等摩尔比混合制备得到。
7.如权利要求1～6所述一种基于离子液体的低温导热油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：向熔融的离子液体低共熔组分中加入清洁分散剂，机械搅拌1～7h充分混合均匀；
步骤2：在常压常温状态下放置2～8h，即可得到所需基于离子液体的低温导热油。
8.根据权利要求7所述的一种基于离子液体的低温导热油的制备方法，其特征在于，所述步骤1中机械搅拌1～7h混合。
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