含有纳米粒子和羧酸盐的传热流体

摘要

亚微级粒子(纳米粒子)和羧酸盐在改善传热流体或抗冻冷却剂的传热性能方面的应用。羧酸盐在金属纳米粒子表面形成不妨碍传热的稳定的物理吸附或化学吸附的羧酸盐保护层。羧酸盐与金属纳米粒子的结合提供了优异的防腐蚀作用，改善的传热，增加了亚微级粒子(纳米粒子)在悬浮液中的稳定性。用羧酸盐处理的形成化学吸附的羧酸盐保护层的亚微级粒子(纳米粒子)应用于传热流体或润滑剂或水力流体或肥皂中。

说明书

本发明涉及亚微粒子(纳米粒子)和羧酸盐在改善传热流体或抗冻冷却剂的传热性能方面的应用。羧酸盐在金属纳米粒子表面形成一种不妨碍传热的稳定的物理吸附或化学吸附的羧酸盐保护层。羧酸盐与金属纳米粒子的结合提供了优异的防腐蚀性能，改善的传热性和稳定性。

                         发明背景

传热流体在很多应用中用作热载体。传热流体应用的例子有，排除或交换由固定和自动内燃机产生的多余热，由电马达和发电机产生的热，过程热和冷凝热(例如在炼油厂和蒸汽发电厂)。在所有这些应用中，传热流体的热导率和热容是发展在能量上有效的传热设备中的重要参数。为改善它们的设备的总效率，工业上强烈要求发展具有比现有的热导率高很多的热导率的传热流体。众所周知，固体，特别是金属具有比流体大的热导率数量级。因此，含有悬浮固体，特别是金属粒子的流体的热导率预期比传统流体明显提高。自从1881年发表的Maxwel 1的理论著作以来，对含有固体粒子的分散体的有效热导率已进行了大量的理论和实验上的研究。Maxwell模型表明，含有球形粒子的悬浮液的热导率随着固体粒子的体积分数的增加而增加。也已经表明，悬浮液的热导率随着粒子的表面积与体积的比的增加而增加。现代生产技术提供了加工微米和纳米级材料的可能性。有建议(S.U.Choi，ASME大会，San Francisco，CA，11月12-17日，1995)纳米粒子用在传热流体，例如水，乙二醇和机油中，以得到一种新型的具有改善的传热容量的工程流体(纳米流体)。S.U.Choi等(ASME学报280，第121卷，1999年5月)报道了含有Al₂O₃和CuO纳米粒子的流体的导热率测量。这些实验已经表明，只含有少量纳米粒子的纳米流体具有比没有纳米粒子的相同流体(水，乙二醇)高得多的热导率。

本发明的目的是，通过向热交换流体中加入金属亚微级粒子(纳米粒子)，以提供给含有羧酸盐的热交换流体以改善的传热性能。

                         现有技术

德国专利DE4,131,516描述了一种含有精细铝粉和优选酚抗氧剂，抗团聚剂和表面活性剂的，特别用于太阳能收集器的传热流体。

共转让的EP-A-0,229,440，EP-A-0,251,480，EP-A-0,308,037和EP-A-0,564,721描述了羧酸盐作为防腐剂在含水的热交换流体或防腐蚀的抗冻配方中的应用。与现有技术的防腐剂相比，发现这些羧酸盐防腐剂的结合改善了防腐作用。EPA No.99930566.1描述了提供防霜冻和防腐蚀作用的羧酸盐的水溶液。发现与高碳(C3-C5)羧酸盐结合的低碳(C1-C2)羧酸盐的水溶液，提供了防共晶冻结的作用。通过加入一种或多种C6-C16羧酸，发现了改善的防腐蚀作用。这些羧酸盐基冷却流体相对于乙二醇或丙二醇冷却流体的优点是，由于较高的比热而改善了传热，在相同防霜冻作用下由于较高水含量而改善了流动性。

                         发明领域

已经发现，羧酸盐与金属表面反应，形成稳定的物理吸附或化学吸附的羧酸盐保护层。这种分子层防止纳米粒子受到腐蚀，稳定了在含有羧酸盐组分的流体中纳米粒子的胶体溶液或悬浮液。与由传统防腐剂生成的保护膜不同，粒子表面上的羧酸盐物理吸附或化学吸附层不妨碍在粒子表面流体界面的传热。用传统的防腐剂，生成相对较厚的防止金属受到腐蚀的保护层。但是，在金属表面-流体界面上热交换效率因保护膜的热绝缘性能而降低。已经发现，金属纳米粒子可以用羧酸盐处理，以在纳米粒子的金属表面提供稳定的化学吸附膜。已发现这种处理提供给纳米粒子一种化学键接的，防腐蚀，防溶剂的保护性表面膜。羧酸盐处理的金属亚微级粒子(纳米粒子)可以用于其它功能流体或肥皂，例如润滑剂或润滑脂，以改善这些流体或肥皂的导热性能。粒子上的化学吸附的羧酸盐层提供了防腐蚀作用，保证了粒子表面的最佳的传热性能。

本发明一方面涉及将金属或非金属纳米粒子加入到含有C1-C16羧酸盐的热交换流体或发动机冷却剂中，以通过提高流体的热导率和热容来进一步改善这些流体的传热性能。本发明的另一个方面涉及将金属纳米粒子加入这种热交换流体或发动机冷却剂中。已经发现，含在这些流体中的羧酸盐与金属纳米粒子的金属表面或氧化物表面相互作用，生成稳定的物理吸附或化学吸附的羧酸盐保护层。这种分子层明显防止了纳米粒子受到腐蚀。与传统的防腐剂不同，粒子表面的羧酸盐物理吸附或化学吸附层不妨碍粒子表面的传热。

Maes等(ASTM STP1192，第11-24页，1993)描述了与多种传统的防腐剂相比较，羧酸盐防腐剂提供的防腐作用。羧酸盐防腐剂的效率以静态和动态条件下重量损失腐蚀试验来评价。金属表面上由羧酸盐防腐剂生成的保护膜的热性能在动态条件下评价，与由传统的防腐剂生成的保护膜的热性能相比较。金属试样的温度在如ASTM STP1192，第11-24页所述的动态传热试验中监测。保持恒定的热量输入(2000W)。图1表明了加热的铝样片的中部的温度，作为对优良性能的传统的防腐剂和对冷却剂溶液中的羧酸盐防腐剂的记录。含有羧酸盐防腐剂的溶液的中部金属温度保持相当恒定，在约170℃，而对于传统的防腐剂，发现温度高得多(60小时试验时间后达到190℃)。既然流体的热性能约相等，那么温度差可以归因于在金属-流体界面生成的保护膜。考虑到，对于传统防腐剂形成相对较厚的层，热绝缘了金属，阻止了有效的传热。在试验中的动态条件下，保护膜的绝缘性能引起温度升高。用羧酸盐防腐剂，温度保持非常恒定，说明羧酸盐的保护作用没有干涉金属-流体界面的传热。

Darden等(SAE论文900804，1990)已经描述了羧酸盐防腐剂的试验性保护机理。羧酸盐阴离子与金属生成配合物，而金属仍然键接到其固体晶格。没有形成厚重层，而是在金属表面的阳极位置形成极细微厚度的层。Verpoort等(应用谱图分析(Applied Spectroscopy)，第53卷，第12期，1999，第1528-1534页)的著作中报道了羧酸盐防腐剂生成的层的进一步表征。动态传热条件下生成的羧酸盐膜应用X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶转变红外光谱(FT-IR)来研究。基于这种表征研究和文献中的各种观点，羧酸盐防腐剂的一般性防腐机理在图2中说明。羧酸盐在金属表面形成稳定的物理吸附或化学吸附羧酸盐保护层。当样品受到强烈传热时形成化学吸附层。受到传热的试样表面的XPS分析清楚地证明了化学键接的羧酸盐的存在。即使用溶剂，例如甲醇和丙酮冲洗后，羧酸盐键仍然存在。

                         附图说明

图1说明由传统的和羧酸盐防腐剂形成的保护膜对动态传热试验条件下的试样温度的影响。

图2说明羧酸的防止金属腐蚀的一般机理。

图3是说明含有传统的和羧酸盐防腐剂的纳米粒子的示意图。

                         发明内容

纳米粒子在含有羧酸盐防腐剂的流体中的应用

本发明的目的是通过向热交换流体中加入亚微级粒子(纳米粒子)，提供给含有羧酸盐的热交换流体以改善的热交换性能。

羧酸盐提供给含纳米粒子的流体以改善的传热性能。

如图1中证实，对铝而言，羧酸盐与金属表面反应生成稳定的物理吸附或化学吸附的羧酸盐保护层。这种分子层在纳米粒子上已经发现，防止纳米粒子受到腐蚀。与由传统的防腐剂生成的保护膜不同，粒子表面的羧酸盐物理吸附或化学吸附层(图2)不妨碍粒子表面流体界面的传热。相反，传统的防腐剂会形成防止金属腐蚀的相对较厚的层。但是，金属表面-流体界面的热交换效率因保护膜的热绝缘性能而降低。图3提供了金属纳米粒子认为如何被本发明体系保护的图解说明。

羧酸盐稳定纳米粒子的胶体溶液或悬浮液。

由于在溶液中的羧酸盐和在纳米粒子表面上的物理吸附或化学吸附的羧酸盐为胶束结构(图2)，已经发现，羧酸盐稳定了流体中纳米粒子的胶体溶液或悬浮液。这是优于现有技术体系的优点。

羧酸盐可以用于处理纳米粒子。

本发明的另一个目的是，用羧酸盐处理金属纳米粒子，以在纳米粒子的金属表面上提供稳定的化学吸附的膜。这种处理提供给纳米粒子化学键接的，防腐蚀和防溶剂的不妨碍传热的保护性薄膜。

羧酸盐处理的纳米粒子可用于其它工程流体或肥皂。

本发明的另一个目的是将所述的羧酸盐处理的金属亚微级粒子(纳米粒子)用于其它功能流体或肥皂，例如润滑油和润滑脂中，以改善这些流体或肥皂的导热性能。粒子上的化学吸附的羧酸盐层提供了防腐蚀作用，保证了粒子表面的最佳传热性能。