ES2856032T3

ES2856032T3 - Estabilización de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal

Info

Publication number: ES2856032T3
Application number: ES15907985T
Authority: ES
Inventors: Serge Lievens; Vera Radojcic; Sandip Agarwal; Michael Fuerstman
Original assignee: Arteco NV
Current assignee: Arteco NV
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: EP3221260A1; EP3221260A4; RU2017120795A; RU2017120795A3; EP3221260B1; BR112017012738B1; CA2967462C; ZA201704459B; CA2967462A1; BR112017012738A2; RU2701831C2

Abstract

Composición que comprende: una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una m ezcla de agua y alcohol; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I) **(Ver fórmula)** o una sal del m ism o, donde n es un núm ero entero entre 50 y 200 e y es un número entero entre 20 y 200.

Description

DESCRIPCIÓN

Estabilización de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal

ÁMBITO TECNOLÓGICO

[0001] Este documento se refiere a composiciones estabilizadas que comprenden nanopartículas de nitruro de boro hexagonal.

INTRODUCCIÓN

[0002] Los fluidos calo portad o res se utilizan en muchas aplicaciones, particularmente como refrigerantes o anticongelantes. Entre los ejemplos de uso de fluidos caloportadores se incluyen la eliminación o el intercambio de exceso de calor de motores de combustión interna estacionarios y de automóviles, calor generado por motores y generadores eléctricos, calor de proceso y calor de condensación (por ejemplo, en refinerías y plantas de generación de vapor), calor de equipos electrónicos o calor generado en sistemas de células de combustible. En cada aplicación, son importantes la conductividad térmica y la capacidad térmica del fluido caloportador.

[0003] Tradicionalmente, el agua ha sido el fluido preferido al tener en cuenta la transferencia de calor. Sin embargo, el agua se suele mezclar con agentes de descenso crioscópico (por ejemplo, alcoholes como glicoles o sales) para obtener propiedades anticongelantes. En comparación con el agua pura, estas mezclas tienen una menor capacidad caloportadora, pero aún así se prefieren a líquidos como aceites orgánicos, aceite de silicona o ésteres sintéticos.

[0004] Los fluidos caloportadores con conductividades térmicas más altas son deseables. Aunque los fluidos a base de agua y a base de agua/glicol dominan el mercado, no siempre ofrecen un rendimiento caloportador suficiente. En particular, las aplicaciones y equipos energéticamente eficientes requieren el desarrollo de fluidos caloportadores con conductividades térmicas significativamente más altas que las disponibles actualmente. Los fluidos con sólidos en suspensión pueden poseer conductividades térmicas más altas. Los sólidos tienen mayores conductividades térmicas que los fluidos. Por ejemplo, los sólidos cobre, aluminio, óxido de cobre y óxido de silicio tienen respectivamente conductividades térmicas de 401 W/m.K, 237 W/m.K, 76,5 W/m.K y 1,38 W/m.K, respectivamente. Por el contrario, los fluidos agua, monoetilenglicol y aceite típico tienen conductividades térmicas de 0,613 W/m.K, 0,252 W/m.K y 0,107 W/m.K, respectivamente. Se han realizado muchos estudios teóricos y experimentales de las conductividades térmicas efectivas de las dispersiones que contienen partículas sólidas desde la obra teórica de Maxwell publicada en 1881.

[0005] La incorporación de nanopartículas en fluidos puede proporcionar conductividades térmicas más altas. Se propuso el uso de nanopartículas en fluidos como agua, etilenglicol y aceite de motor para producir una nueva clase de fluidos de ingeniería (nanofluidos) con capacidades caloportadoras mejoradas. Véase S.U.-S. Choi, ASME Congress, San Francisco, CA 12-17 de noviembre, 1995. Se han realizado mediciones de conductividad térmica en fluidos que contienen nanopartículas de CuO yAhO³. Véase S.U.-S. Choi y col, ASME Transactions 280, Vol. 121, mayo de 1999. Los nanofluidos, que contienen solo una pequeña cantidad de nanopartículas, tienen conductividades térmicas sustancialmente más altas en comparación con los mismos fluidos sin nanopartículas.

[0006] Sin embargo, la escasa estabilidad de las nanopartículas dispersas, incluidas las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal, ha impedido la aplicación de nanofluidos como fluidos caloportadores. Hasta ahora, los estudios relacionados con la estabilidad se han centrado en la selección del tamaño de partícula y las técnicas de distribución y dispersión del tamaño de partícula.

[0007] En el documento US 20131200299 A1 se describe un fluido nanocompuesto que comprende: un medio fluido y una composición de nanopartículas que comprende nanopartículas que son eléctricamente aislantes y térmicamente conductoras, especialmente nanopartículas de nitruro de boro.

[0008] En el documento CN102787005A se describe un componente de procesamiento para cortar materiales duros y quebradizos, que comprende nitruros de boro hexagonales, constituyentes de solución y agentes tensioactivos.

RESUMEN

[0009] En el presente documento se describen composiciones estables que contienen nanopartículas de nitruro de boro hexagonal, métodos para preparar las composiciones estabilizadas y métodos para intercambiar calor utilizando las composiciones como fluidos caloportadores.

[0010] En una primera forma de realización, una composición comprende una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una mezcla de agua y alcohol; na no partículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

o una sal del mismo, donde n es un número entero entre 50 y 200 e y es un número entero entre 20 y 200.

[0011] En una segunda forma de realización, una composición comprende una fase continua de agua; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

[0012] En una forma de realización, un método de intercambio de calor comprende a. generar calor en un motor de combustión interna de automóvil; b. hacer pasar una corriente a través de un lado de un intercambiador de calor; c. hacer pasar una composición a través de otro lado del intercambiador de calor; y d. transferir el calor de la corriente a la composición en el intercambiador de calor. En el método, la composición comprende una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una mezcla de agua y alcohol; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0013] Como se usa en este documento, las formas singulares "un", "una" y "el/la” incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

[0014] En una primera forma de realización, una composición comprende una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una mezcla de agua y alcohol; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

[0015] En una segunda forma de realización, una composición comprende una fase continua de agua; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

[0016] El compuesto con la fórmula (I) es un copolímero tribloque que tiene un bloque hidrófobo central de polipropilenglicol rodeado por bloques hidrófilos de polietilenglicol. Los presentes inventores han observado que los fluidos que contienen nano partículas de nitruro de boro hexagonal poseen una conductividad térmica aumentada, pero no son adecuadamente estables a las temperaturas elevadas que se encuentran normalmente en aplicaciones de trasferencia de calor, por ejemplo, entre aproximadamente 70 °C y aproximadamente 110 °C o entre aproximadamente 85 °C y aproximadamente 110 °C. Los presentes inventores han descubierto que la incorporación del copolímero tribloque que tiene un bloque hidrófobo central de polipropilenglicol rodeado por bloques hidrófilos de polietilenglicol a una fase continua a base de agua, a base de alcohol o a base de agua/alcohol que contiene nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas puede estabilizar la dispersión de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal en fase continua a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Por tanto, la incorporación del copolímero tribloque puede proporcionar una composición que no solo tiene una conductividad térmica sustancial, sino también una estabilidad mejorada, lo que la hace adecuada para su uso como fluido caloportador.

[0017] Por ejemplo, la composición puede ser estable durante 12 horas a temperatura ambiente. Como otro ejemplo, la composición puede ser estable durante 12 horas a una temperatura entre aproximadamente la temperatura ambiente y aproximadamente 85 °C. Como otro ejemplo más, la composición puede ser estable durante 12 horas a una temperatura entre aproximadamente 70 °C y aproximadamente 110 °C o entre aproximadamente 85 °C y aproximadamente 110 °C.

[0018] Las sales adecuadas del compuesto con la fórmula (I) incluyen sales de metales alcalinos, de amonio y de amina.

[0019] La composición generalmente contiene una cantidad considerable (es decir, al menos un 80 % en volumen) de la fase continua (es decir, agua, alcohol o una mezcla de agua y alcohol). En una forma de realización, la composición contiene al menos un 85 % en volumen de la fase continua. En otra forma de realización, la composición contiene al menos un 90 % en volumen de la fase continua. En una forma de realización adicional, la composición contiene al menos un 95 % en volumen de la fase continua.

[0020] El alcohol actúa como un agente de descenso crioscópico si se desean propiedades anticongelantes. Cuando la fase continua es alcohol o una mezcla de agua y alcohol, el alcohol puede ser un glicol. El glicol puede ser etilenglicol, dietilenglicol, propilenglicol, dipropilenglicol, trietilenglicol, tetraetilenglicol, pentaetilenglicol, hexaetilenglicol, dipropilenglicol, tripropilenglicol, tetrapropilenglicol, pentapropilenglicol, hexapropilenglicol monoetilenglicol o monopropilenglicol. El alcohol puede seleccionarse alternativamente de entre metanol, etanol, propanol, butanol, furfurol, tetrahidrofurfurilo, furfurilo etoxilado, dimetiléter de glicerol, sorbitol, 1,2,6 hexanotriol, trimetilolpropano, metoxietanol y glicerina. En una forma de realización, se utilizan metanol, etanol, propanol, butanol, furfurol, tetrahidrofurfurilo, furfurilo etoxilado, etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, 1,2-propi l engli col, 1,3-propilenglicol, dipropilenglicol, butilenglicol, glicerol, monoetiléter de glicerol, dimetiléter de glicerol, sorbitol, 1,2,6-hexanotriol, trimetilolpropano, metoxietanol o mezclas de los mismos.

[0021] En una forma de realización particular, la fase continua es una mezcla de agua y etilenglicol. En otra forma de realización particular, la fase continua es una mezcla de agua y etilenglicol en una proporción del 50/50 % en volumen.

[0022] Las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal tienen forma cilíndrica y su tamaño puede variar. Debido a la forma cilíndrica de las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal, su altura en combinación con su radio o diámetro describe su tamaño. Por ejemplo, las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal pueden tener un diámetro medio de entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 350 nm y una altura media de entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 20 nm. Como otro ejemplo, las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal pueden tener una altura de lámina media de entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 20 nm y un radio de lámina medio de entre aproximadamente 50 nm y aproximadamente 350 nm.

[0023] La concentración de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal en la composición puede variar. En una forma de realización, las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal están presentes en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,0001 % en volumen y aproximadamente un 10 % en volumen. En otra forma de realización, las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal están presentes en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,005 % en volumen y aproximadamente un 0,5 % en volumen. En otra forma de realización más, las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal están presentes en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,05 % en volumen y aproximadamente un 0,2 % en volumen.

[0024] En el compuesto con la fórmula (I), en una forma de realización, n es un número entero entre 80 y 120 e y es un número entero entre 50 y 75. En una forma de realización particular, n es 100 e y es 65.

[0025] La concentración del compuesto con la fórmula (I) en la composición puede variar. En una forma de realización, el compuesto con la fórmula (I) está presente en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,0001 % en volumen y aproximadamente un 1 % en volumen. En otra forma de realización, el compuesto con la fórmula (I) está presente en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,2 % en volumen y aproximadamente un 0,7 % en volumen. En una forma de realización particular, el compuesto con la fórmula (I) está presente en la composición en una concentración de aproximadamente un 0,1 % en volumen.

[0026] Ni la conductividad térmica ni la capacidad térmica de la composición se ven afectadas significativamente por la presencia de una pequeña cantidad de aditivos comunes. Los aditivos apropiados incluyen una sal de metal alcalino como un agente de descenso crioscópico, un inhibidor de la corrosión, un inhibidor de la incrustación, un estabilizador, un antioxidante, una solución amortiguadora, un antiespumante, un tinte o una mezcla de los mismos. La composición puede contener uno o más aditivos para una cantidad total de aditivo de aproximadamente un 0,01 % en peso a aproximadamente un 10 % en peso. Por ejemplo, uno o más inhibidores de la corrosión pueden estar presentes en la composición en una concentración de entre aproximadamente un 0,2 % en peso y aproximadamente un 10 % en peso. Los ejemplos de sales de metales alcalinos incluyen una sal de un ácido o mezcla de ácidos seleccionados del grupo que consiste en ácido acético, ácido propiónico, ácido succínico, betaína y mezclas de los mismos. Los ejemplos de inhibidores de la corrosión incluyen un ácido carboxílico alifático o una sal del mismo, un ácido carboxílico aromático o una sal del mismo, un triazol, un tiazol, un silicato, un nitrato, un nitrito, un borato, un molibdato de fosfato o una sal de amina. Los ejemplos de antioxidantes incluyen fenoles, tales como 2,6-di-t-butil metilfenol y 4,4'-metil-eno-bis(2,6-di-t-butilfenol); aminas aromáticas, tales como p,p-dioctilfenilamina, monooctildifenilamina, fenotiazina, 3,7-ioctilfenotiazina, fenil-1-naftilamina, fenil-2-naftilamina, alquilfenil-1-naftalaminas y alquil-fenil-2-a-naftalaminas y alquil-fenil-2-anaftalaminas, así como compuestos que contienen azufre, por ejemplo ditiofosfatos, fosfitos, sulfuros y sales ditiometales, tales como benzotiazol, dialquilditiofosfatos de estaño y diarilditiofosfatos de zinc.

[0027] El pH de la composición puede estar entre aproximadamente 7 y aproximadamente 11,5. En una forma de realización, el pH de la composición está entre aproximadamente 8,5 y aproximadamente 10,5.

[0028] La composición se puede preparar mediante dispersión de las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal en la fase continua (es decir, agua, alcohol o una mezcla de agua y alcohol). Las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal pueden dispersarse antes o después de añadir el compuesto con la fórmula (I) a la fase continua. Puede usarse cualquier medio conocido en la técnica para la dispersión de las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal. En una forma de realización, las nanopartículas se dispersan mediante sonicación.

[0029] También se describe en el presente documento un método de intercambio de calor utilizando una composición como se describe en el presente documento como fluido caloportador. El método de intercambio de calor comprende hacer pasar una corriente a través de un lado de un intercambiador de calor; pasar una composición como se describe en este documento a través de otro lado del intercambiador de calor; y transferir el calor de la corriente a la composición en el intercambiador de calor. En una forma de realización, el método comprende además generar calor en un motor de combustión interna de automóvil. En otra forma de realización, el método comprende además generar calor en un motor de combustión interna estacionario. En otra forma de realización más, el método comprende además generar el calor en un motor o generador eléctrico. En una forma de realización adicional, el método comprende además generar el calor por condensación o una reacción química, por ejemplo, en una refinería, una planta de generación de vapor o una célula de combustible.

EJ EMPLOS

Preparación de nanofluidos

[0030] Se prepararon nanofluidos que contenían nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en los ejemplos 5-8 y los ejemplos comparativos 1-4 y 9-11. Se añadieron partículas de nitruro de boro hexagonal de tamaño micrométrico a isopropanol y se sometieron a ultrasonidos durante 1 hora. Las partículas de nitruro de boro hexagonal se centrifugaron luego a 2000 r.p.m. durante 10 minutos. Las partículas no exfoliadas se separaron en la parte inferior. Las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal exfoliadas en el isopropanol se filtraron y se secaron. Las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal se redispersaron en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) con o sin sonicación y con o sin el siguiente copolímero tribloque:

Ejemplo comparativo 1

[0031] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,1 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen).

Ejemplo comparativo 2

[0032] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,05 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen).

Ejemplo comparativo 3

[0033] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,2 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen).

Ejemplo comparativo 4

[0034] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,5 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen).

Ejemplo 5

[0035] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,1 % en volumen y copolímero tribloque al 0,1 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Ejemplo 6

[0036] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,1 % en volumen y copolímero tribloque al 0,2 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Ejemplo 7

[0037] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,05 % en volumen y copolímero tribloque al 0,1 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicatrión.

Ejemplo 8

[0038] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,2 % en volumen y copolímero tribloque al 0,1 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Ejemplo comparativo 9

[0039] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,1 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Ejemplo comparativo 10

[0040] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,2 % en volumen en una solución de etilenglicol/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Ejemplo comparativo 11

[0041] Se preparó un nanofluido con nanopartículas de nitruro de boro hexagonal al 0,2 % en volumen en una solución Halvoline® XLC/agua (50/50 % en volumen) mediante sonicación.

Pruebas de estabilidad

[0042] Los nanofluidos se almacenaron tanto a temperatura ambiente como a 85 °C y sus estabilidades se observaron visualmente después de 12 horas a ambas temperaturas. Las estabilidades de los nanofluidos se establecen en la tabla siguiente. El término "estable" significa que no se observó ningún precipitado. El término "no estable" significa que se observó un precipitado en el recipiente que contenía el nanofluido.

[0043] Los resultados de la tabla muestran que el copolímero tribloque estabilizó las dispersiones de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal en los nanofluidos de los ejemplos 5-7 tanto a temperatura ambiente como a una temperatura elevada de 85 °C y la dispersión de nanopartículas de nitruro de boro hexagonal en el nanofluido del Ejemplo 8 a temperatura ambiente. Por el contrario, los nanofluidos de los ejemplos comparativos 1-4 y 9-11 sin el copolímero tribloque no fueron estables ni a temperatura ambiente ni a 85 °C.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Composición que comprende:

una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una mezcla de agua y alcohol; nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)

2. Composición según la reivindicación 1, en la que n es un número entero entre 80 y 120 e y es un número entero entre 50 y 75.

3. Composición según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que n es 100 e y es 65.

4. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal tienen una altura de lámina media de entre 5 nm y 20 nm y un radio de lámina medio de entre 50 nm y 350 nm.

5. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal tienen un diámetro medio de entre 50 nm y 350 nm y una altura media de entre 5 nm y 20 nm.

6. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la fase continua es agua o agua y etilenglicol.

7. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la fase continua es agua y etilenglicol en una proporción del 50/50 % en volumen.

8. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la composición comprende además un aditivo, seleccionado del grupo que consiste en una sal de metal alcalino como un agente de descenso crioscópico, un inhibidor de la corrosión, un inhibidor de la incrustación, un estabilizador, un antioxidante, una solución amortiguadora, un antiespumante, un tinte y mezclas de los mismos

9. Composición según la reivindicación 8, en la que el inhibidor de la corrosión se selecciona del grupo que consiste en un ácido carboxílico alifático o una sal del mismo, un ácido carboxílico aromático o una sal del mismo, un triazol, un tiazol, un silicato, un nitrato, un nitrito, un borato, un molibdato de fosfato, una sal de amina y mezclas de los mismos

10. Composición según la reivindicación 9, en la que el inhibidor de la corrosión está presente en la composición en una concentración de entre el 0,2 % en peso y el 10 % en peso.

11. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la composición es estable durante 12 horas a una temperatura que varía entre la temperatura ambiente y 85 °C.

12. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las nanopartículas de nitruro de boro hexagonal están presentes en la composición en una concentración de entre el 0,0001 % en volumen y el 10 % en volumen.

13. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el compuesto con la fórmula (I) está presente en la composición en una concentración de entre el 0,0001 % en volumen y el 1 % en volumen.

14. Composición según la reivindicación 13, en la que el compuesto con la fórmula (I) está presente en la composición en una concentración de entre el 0,2 % en volumen y el 0,7% en volumen.

15. Método de intercambio de calor, que comprende:

a. generar calor en un motor de combustión interna de automóvil;

b. hacer pasar una corriente a través de un lado de un intercambiador de calor;

c. hacer pasar una composición a través de otro lado del intercambiador de calor; y d. transferir el calor de la corriente a la composición en el intercambiador de calor,

donde la composición comprende:

una fase continua seleccionada del grupo que consiste en agua, alcohol y una mezcla de agua y alcohol;

nanopartículas de nitruro de boro hexagonal dispersas en fase continua; y un compuesto con la fórmula (I)