CN1282446A - 食用级介电流体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种食用级、可生物降解的介电组合物和方法,其中单独包含不饱和烃,或包含不饱和烃与食用级天然或合成烃的共混物,其被加工成除去极性污染物,并且还包含抗氧化剂。
Description
本发明涉及一种用于食用级、可生物降解的介电流体的新组合物，以及该流体的制备方法。
背景技术
介电流体经常用于变压器、电开关齿轮、自含式和导管式电缆以及其它需要流体的设备部件，这些流体为耐火和耐氧化的，并且包括中等良好的热交换性和电性能。然而，介电流体经常被限制用于例如与较高粘度流体相容的设备中。这些材料是不能生物降解的，并且如果它们泄漏或被意外溢出具有潜在的环境危害。
另外，现有技术的介电流体通常不是“食用级”资格的，“食用级”分类是要经USDA H1批准并符合FDA规则21 CFR 178.3620(b)之要求，并且没有PCB(聚氯化联苯)，不存在苯或多核芳族化合物。
因此，期望开发和取得一种非毒性可生物降解/环境安全的介电流体，其可以起直接代替上述流体的作用。这种新的流体必须满足目前流体的强制性性能规范(如粘度、颜色、含水量、介电强度和功率系数)，并且必须能够在约-50至约100℃范围的温度内运转。
现有技术中介电流体的一些上述不足可以归因于人们认为流体中较宽范围分子量的类型是所需的。这种常规的认识以US专利4，284，522(’522专利)为例，该专利公开了一种组合物和方法，用于形成介电流体组合物，其中将不同分子量的天然及合成烃类选择性共混，以便达到平缓的分子量分布。根据’522专利，较宽的分子量分布改进了介电流体的物理和化学性能。然而，尽管较宽范围分子量的化合物可能改进了流体的某些特性，但对流体的各种其它物理和化学参数有不利影响，例如它损害了流体组合物的流动特性。
在另一篇介电流体的公开文献US专利4，082，866中，讲述了应当避免具有末端烯键的化合物。在US专利4，033，854中讲述了高精制油不会显出介电流体所需要的性能，除非加入一种芳族烃。同样，US专利4，072，620讲述了必需要芳族化合物来保持满意程度的氢气吸收性，其是电晕电阻的指标。芳族化合物的存在或添加将不允许这些材料具备食用级的资格。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种新的制备食用级、可生物降解的介电流体的生产方法。
本发明的另一个目的是提供一种新的食用级、可生物降解的介电流体，该介电流体在使用温度下显出低粘度。
本发明的再一个目的是提供一种新的食用级、可生物降解的介电流体，该介电流体显出改进的热交换性和杰出的电性能。
本发明的还一个目的是一种新的食用级、可生物降解的介电流体，该介电流体包括提高的烃气吸收性。
本发明的又一个目的是提供一种新的食用级、可生物降解的介电流体，该介电流体可用于为使用常规介电流体流体而设计的设备。
本发明的再一个目的是提供一种新的食用级、可生物降解的介电流体，该介电流体的生产是经济可行的。
在一个优选的实施方案中，本发明的目的和优点是通过提供包括使用含至少约50％烯式特征的不饱和(即未氢化的)聚α烯烃或普通α烯烃及其异构体、特别是较高重量级份的组合物和方法来实现的。这些化合物先前一般被用作反应性烯烃的中间体，并且含有末端烯键。由于该物料在完全低于0℃的温度下保持液态，它们被用于制造其低温流动性呈临界的衍生物。
然而，本发明者注意到这些化合物还具有低粘度、低倾点、和有价值的负脱气趋势，说明这些化合物出人意料地是可用于共混到具有显著改进性能的介电流体中的合适底料。另外，这些可市售获得的材料也满足食用级规范测试，即FDA规则21 CFR 178．3610(2)规定的最小赛波特色度和紫外线吸收限度。这些非毒性、食用级、可生物降解的流体还显出了具有低功率系数、电应力下杰出的耐放气性(gassing)、高水耐受性、没有泵抽问题并且可与聚丁烯、烷基苯或矿物油相容，进一步有助于其作为介电流体的组分使用。
前述烯烃和精制油的共混物也可以在本发明的实践中使用。流体中各种类型分子的百分比不是关键，只要所得混合物具有所需的流动性能和良好的介电性能即可。对这些附加组分的唯一要求是所添加的精制油必须具有USDA H1许可，并且经FDA 21 CFR 178.3620的同意和可以根据21 CFR使用。这种类型的油的非详尽例子包括(但不限制于此)天然和合成的烃类，如低粘度氢化聚α烯烃(PAO)；工业级白色矿物油；以及其它加工除去至少基本上所有不期望芳族化合物(如果没有全部除去的话)和消除至少基本上所有硫、氮和氧化合物的油。
总体来说，这些材料可以作为稀释添加剂和作为组分共混和配合到各种润滑剂中，制造成与常规烃介电流体具有改进相容性的流体。它们为透明和透亮的，并且不含芳族化合物，从而使它们为非毒性、具有低成雾性和极低温度下的流动性和非常快的水分离。
上述单独的烯烃或者烯烃共混物还可以与食用级聚丁烯共混，来产生具有卓越氢气吸收性的低倾点流体，这对本领域技术人员来说应当是显而易见的。
通过将它们与本领域技术人员已知的吸收介质接触，除去不饱和物或共混物中的极性污染物。接触方法可以用淤浆形式的吸收介质来完成，或者通过让流出物经过渗滤型装置。在接触过程之后，用抗氧化剂补强流体。
因此，制造本发明介电流体的组合物和方法明显优于现有技术。首先，该组合物和方法提高了所得流体的氢气吸收性，并且使其可作为由USDA H1批准的“食用级”类型的介电流体使用。其次，本发明的组合物及其方法，相比目前可获得的石油产品或聚丁烯流体，还保持了使用温度下的较低粘度。这种较低粘度允许在电缆和其它为使用常规流体如烷基苯而设计的电设备中使用本发明的流体。第三，本发明的组合物及其方法，可获得具有高介电强度和低解离损失的介电流体。发明详述
本发明涉及制备具有低粘度和倾点为约-15℃以下的食用级、可生物降解的介电流体。该介电流体具有高介电强度和低解离损失。总体来说，该介电流体由商购的不饱和烃来制备，即合成生产的烃，其中具有窄分子量范围的烃类或正常α烯烃及其异构体，特别是用于金属加工流体的较高重量级份，即C14、C16和C18烃，从其中除去至少基本上所有(如果不是所有的话)的极性污染物，例如通过与吸收介质接触。向该物料添加选自食用级饱和烃如工业白油、或饱和聚α烯烃、和/或市售不饱和烃如普通α烯烃的食用级饱和或不饱和烃。然后，向该加工的烃添加抗氧化剂。
总的来说，该介电流体是可生物降解的，并且由可商购获得的得自石油的天然不饱和链烷烃来制备。一种可适合本发明使用的烃是购自Chevron的Synfluid Dimer C10，其是一种癸烯的二聚物。任何较低分子量的不饱和聚α烯烃(C16-C24)均可以单独或者以混合物的形式使用，这对具有本领域现状知识的技术人员来说应当是显而易见的。另一组适合本发明使用的烃是获自Chevron的Gulftenes，特别是C14-C18。
将这些市售的烃用本领域技术人员已知的适宜吸收介质即漂白土加工，来除去极性污染物。接触过程可以用淤浆形式的吸收介质来完成，或者通过让流出物经过渗滤型装置。同样，可以使用任何其它本领域技术人员已知可除去至少基本上所有极性污染物的方法，其并不背离本发明的范围。
在除去极性污染物之后，用食用级抗氧化剂补强处理后的烯烃类石油流出物。本发明实践中所用的抗氧化剂是任何已知可用于介电流体的抗氧化剂。优选的抗氧化剂是受阻酚，使用浓度为小于约2.0％体积，优选约0.05-约0.50％体积。
受阻酚化合物优选是2，6-二叔丁基化对甲酚。或者是，可以使用食用级的能够增加石油和/或合成油氧化稳定性的多种相关化合物之任何一种。可用于这里的可商购获得的氧化抑制剂的实例包括(但不限于此)TenoxBHT，Eastman化学公司，Kingsport，Tennessee制造；和CAO-3，PMCSpecialties，Fords，New Jersey制造。
通常来说，当向烯烃添加饱和组分时，抗氧化剂与饱和组分，聚α烯烃(PAO)或工业白油，一起添加。优选的可生物降解的PAO’s是α癸烯的低分子量低聚物(主要是二聚物至四聚物)。低分子量在低温下是有益的，其中PAO’s显出杰出的性能，并且它们获得具有杰出水解稳定性的良好共混原料。含抗氧化剂的PAO’s的氧化稳定性非常类似于石油基产品。
可用于本发明实践的工业白油可通过本领域技术人员已知的精炼工艺的最新技术来生产，例如高压操作的多步加氢处理工艺，或者一步或两步加氢裂解与脱蜡、或加氢异构化接着严格加氢处理的组合。这些方法的任何一种都可提供显著的产品纯度。该加工过程将所有不期望的芳族化合物转变成了所需的链烷烃和环烷烃，并且完全消除了硫、氮和氧化合物。该物料具有非常良好的低温流动性和非常快的水分离。可用于本发明实践的一种这样的物料是可从Calumet商购获得的商标名为Caltech 60的白油。
根据本发明方法制造的最终产品可显出-15℃以下的倾点(按ASTM标准法D97)。该流体具有大于约30Kv、优选大于约35Kv的高介电强度；和25℃下小于约0.01％、优选小于约0.08％、和100℃下小于约0.30％、优选小于约0.25％的低解离损失；以及40℃下小于约15cSt的粘度。
优选实施方案的描述
以下实施例将举例说明本发明。它们不是以任何方式对权利要求进行限制。
下表列出了实施例中所用的油的特性。表1
实施例1
| 组分 | 倾点℃ | 粘度@40℃，cSt | 粘度@100℃，cSt | 闪点COC | 食用级 | 放气性ASTM-2300B | 色度赛波特 | 可生物降解 |
| 十二烷基苯 | -50℃ | 4.30-7.37 | ＜2.2 | ＞130℃ | 否 | -30μl／min | +29 | 是 |
| 工业白油(Caltech 60) | -65℃ | 9.5 | 2.4 | 143℃ | 是 | +34μl／min | +30 | 是 |
| 不饱和PAO癸烯二聚物(Chevron C10二聚物) | -73℃ | 4.9 | 1.7 | 161℃ | 是 | -38.1μl／min | +30 | 是 |
| 不饱和α烯烃(ChevronGulftene 14 | -13℃ | 1.85 | 0.89 | 107℃ | 是 | -80μl／min | +30 | 是 |
| 聚丁烯Amoco L10 | -50℃ | 23.3 | 3.8 | 141℃ | 是 | -58.5μl／min | +28 | 否 |
由购自Chevron的天然得自石油的不饱和烃制备生物可降解的、食用级介电流体。通过与漂白土接触，处理倾点-73℃的含67％烯烃的癸烯二聚物原料(其表示不饱和和饱和PAO的纯混合物)，以除去极性污染物和任何过氧化物。吸收介质在渗滤型装置中。
然后对介电流体进行以下试验，检验其优越的热交换特性。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 48Kv
解离因数
@100℃ 0.071％
介电常数 约2
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 -73℃
闪点 161℃
粘度
@40℃ 4.9cSt
@100℃ 1.69cSt
比重 ．802
放气趋势 -38μl/min
实施例2
制备60％实施例1的烯烃与40％称为Caltech 60的Calumet工业白油的共混物，并且通过与渗滤型装置中的漂白土接触处理，以除去极性污染物和任何过氧化物。然后对介电流体进行以下试验，检验其优越的热交换特性。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 40Kv
解离因数
@100℃ 0.014％
介电常数 约2
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 -65℃
闪点 153℃
粘度
@40℃ 5.88cSt
@100℃ 2.04cSt
比重 0.835
放气趋势 -20μl/min
实施例3
制备40％实施例1的烯烃与60％称为Caltech 60的Calumet工业白油的共混物，并且通过与渗滤型装置中的漂白土接触处理，以除去极性污染物和任何过氧化物。然后对介电流体进行以下试验，检验其优越的热交换特性。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 50.4Kv
解离因数
@100℃ 0.058％
介电常数 约2
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 ＜65℃
闪点 150℃
粘度
@40℃ 6.67cSt
@100℃ 1.999cSt
比重 0.853
放气趋势 -6μl/min实施例4
由购自Chevron的天然得自石油的不饱和烃制备生物可降解的、食用级介电流体。通过与漂白土接触，处理倾点7℃的含92.0％最小量烯烃含量的普通α烯烃原料，以除去极性污染物和任何过氧化物。吸收介质在渗滤型装置中。测定以下性能。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 54Kv
解离因数
@100℃ 0.023％
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 ＜-7℃
闪点 132℃
粘度
@40℃ 2.82cSt
@100℃ 1.149cSt
比重 0.785
实施例5
制备30％实施例4的烯烃与70％称为Caltech 60的Calumet工业白油的共混物，并且通过与渗滤型装置中的漂白土接触处理，以除去极性污染物和任何过氧化物。然后对介电流体进行以下试验，检验其优越的热交换特性。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 42Kv
解离因数
@100℃ 0.025％
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 -21℃
闪点 140℃
粘度
@40℃ 5.75cSt
@100℃ 1.843cSt
比重 0.856
放气趋势 -46μl/min
实施例6
由购自Chevron的天然得自石油的不饱和烃制备生物可降解的、食用级介电流体。通过与漂白土接触，处理倾点-12.2℃的含93.0％最小量烯烃含量的普通α烯烃原料，以除去极性污染物和任何过氧化物。吸收介质在渗滤型装置中。测定以下性能。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 58Kv
解离因数
@100℃ 0.024％
介电常数 约2
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 ＜-12.2 ℃
闪点 107℃
粘度
@40℃ 1.85cSt
@100℃ 0.891cSt
比重 0.775实施例7
制备20％实施例6的烯烃与80％称为Caltech 60的Calumet 工业白油的共混物，并且通过与渗滤型装置中的漂白土接触处理，以除去极性污染物和任何过氧化物。然后对介电流体进行以下试验，检验其优越的热交换特性。
试验 结果
外观 没有可见颗粒
介电击穿 50.2Kv
解离因数
@100℃ 0.039％
介电常数 约2
含水量 20ppm
PCB含量 不可检测
酸值 ＜0.01 Mg KOH/g
倾点 ＜-43℃
闪点 140℃
粘度
@40℃ 6.075cSt
@100℃ 1.873cSt
比重 0.864
放气趋势 -78μl/min
前面的描述是出于举例说明的目的，而不是限制本发明保护范围。后者由以下的权利要求书所定义，其应当按本发明允许尽可能宽地理解。按照上述的详细描述本领域技术人员可以作出很多变化。例如，介电组合物中可以加入抗氧化剂如2，6-二叔丁基对甲酚。所有这种显而易见的改变都属于本发明的保护范围。
上述提及的专利、规则和试验方法均引入这里作为参考。
Claims (20)
1．制备食用级、可生物降解的介电组合物的方法，该方法包括处理不饱和的烃，以除去至少基本上一部分的极性污染物，可选地向所说的处理过的不饱和烃添加抗氧化剂，并且可选地添加与所说的第一种不饱和烃不同的第二种食用级饱和或不饱和烃。
2．权利要求1的方法，其中所说的抗氧化剂包括受阻酚化合物。
3．权利要求2的方法，其中所说的受阻酚化合物包括2，6-二叔丁基对甲酚。
4．权利要求2的方法，其中向所说第一种处理过的不饱和烃的受阻酚的量为约0.05-约0.5％体积。
5．权利要求1的方法，其中所说的第二种烃选自工业白油、饱和聚α烯烃及其混合物。
6．权利要求5的方法，其中向所说组合物添加的所说第二种烃的量为约30-约90％重量。
7．权利要求1的方法，其中所说的第一种烃包括得自石油的烃。
8．权利要求1的方法，其中所说的组合物的倾点为小于约-15℃。
9．权利要求1的方法，其中所说的组合物的介电强度大于约35Kv，解离损失25℃下小于约0.08％并且100℃下小于约0.25％，并且40℃下粘度小于约15cSt。
10．权利要求l的方法，其中所说的第一种烃的处理包括将所说的烃与吸收介质接触。
11．权利要求9的方法，其中所说的吸收介质包括漂白土。
12．权利要求9的方法，其中所说的接触包括在淤浆中接触或在渗滤装置中接触。
13．权利要求10的方法，其中所说的不饱和烃包含末端烯基。
14．一种食用级、可生物降解的介电组合物，该组合物包含基本上不含极性污染物的得自石油的不饱和烃、和食用级抗氧化剂。
15．权利要求15的食用级、可生物降解介电组合物，其中所说的抗氧化剂包括食用级受阻酚化合物。
16．权利要求15的食用级、可生物降解介电组合物，还包含不同于所说得自石油的不饱和烃的第二种食用级饱和或不饱和烃。
17．权利要求15的组合物，其中所说的组合物的倾点为小于约-15℃。
18．权利要求15的组合物，其中所说的组合物的介电强度大于约35Kv，解离损失25℃下小于约0.08％并且100℃下小于约0.25％，并且40℃下粘度小于约15cSt。
19．通过权利要求1的方法生产的食用级、可生物降解的介电组合物。
20．使用绝缘油的电设备，其中所说的绝缘油包含基本上不含极性污染物的不饱和烃。
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