用于增强的热控制的介电流体组合物的制作方法
【专利摘要】用于电器的介电流体组合物包含官能化的12-羟基硬脂酸，其具有期望的性质，包括低于-30℃的倾点和高于250℃的燃点。它可以通过如下所述的方法制备：在该方法中，通过12-羟基硬脂酸甲酯与C3-C20醇的反应来使12-羟基硬脂酸甲酯进行酯交换，以形成12-羟基硬脂酸烷基酯，接着用直链或支化C4-C20羧酸将其酯化。该酸可以是游离的酰基氯、脂肪酸、羧酸酐、或它们的组合。所得的官能化的12-羟基硬脂酸显示出改进的热氧化能力、低温流动性、和增加的燃点。
【专利说明】用于增强的热控制的介电流体组合物
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是非临时申请，其要求2011年9月30日提交的标题为“DIELECTRIC FLUIDCOMPOSITIONS FOR ENHANCED THERMAL MANAGEMENT”的美国临时专利申请61/541，584 的优先权，其教导通过参考并入本申请，以下如同全文复制。
【技术领域】
[0003]本发明特别地涉及用于变压器的热控制(thermal management)的介电流体的领域。更特别地，它涉及为变压器和其它设备提供电绝缘性和/或热量耗散二者的改进的组合物。
【背景技术】
[0004]已知变压器的热控制对于变压器操作的安全性是至关重要的。尽管常规变压器在相对高的温度有效地工作，但是过高的热量对于变压器的寿命是不利的。这是因为变压器含有电绝缘材料，所述电绝缘材料用于防止通电元件或导体接触或电弧击穿(arcingover)其它元件、导体或内部电路。通常，绝缘材料所经受的温度越高，则其寿命越短。当绝缘材料失效时，可能发生内部的电路故障或短路，有时还会引起火灾。
[0005]为了防止过度的温度升高和过早的变压器故障，通常采用冷却液填充变压器，从而耗散在正常变压器工作期间所产生的相对大量的热量。冷却剂也具有作为介电介质使变压器元件电绝缘的功能。为了变压器的使用寿命(在许多应用中为超过20年)，介电液体必须能够冷却和绝缘。由于介电流体通过对流(convection)来冷却变压器,所以介电流体在不同温度的粘度是确定其效率的关键因素之一。
[0006]已在多种介电制剂中尝试了矿物油，这尤其是因为它们可以提供一定程度的热稳定性和氧化稳定性。然而，遗憾地，认为矿物油是非环境友好的，且其可以显示出不可接受的低燃点，在某些情况中为低至150摄氏度(°C )，该温度不期望地接近于在用于给定应用(如变压器)时可能使介电流体暴露的最高温度。由于它们的低燃点，研究者已在寻求替代的介电材料。
[0007]在对替代材料的该项研究中，最早确定植物油可作为介电介质，其可以是环境友好的，并且显示出期望的高燃点(显著高于150°C)和期望的介电性能的所需特性。它们也是在短时间内可生物降解的。最后，它们可以提供增强的与固体绝缘材料的相容性。
[0008]遗憾地，当与矿物油相比时，基于植物油的流体可能具有它们自身的缺点。例如，植物油可能趋向于具有较高的倾点，如高于0°c。这对于其中可能需要倾点在-15°C或低于_15°C的许多应用是成问题的。它们的粘度还可能不期望地高于基于矿物油的流体的粘度。因此，研究者试图确定如下所述的介电流体:在约_15°C至约110°C的宽温度范围内可以安全地和适当地工作，且在该范围内其为热稳定的和氧化稳定的。
[0009]寻找替代材料的研究者已确定了多种可能的流体。例如，美国专利6，340，658B1 (Cannon等人)描述了基于植物油的电绝缘流体，它是环境友好的，且具有高闪点和高燃点。将原油氢化，以得到油的最大可能的稳定性。植物油选自例如大豆油和玉米油。
[0010]美国专利公开2008/0283803A1描述了介电组合物，其包含至少一种精制的、漂白的、经冻凝处理的、脱臭的植物油和至少一种抗氧化剂。介电流体还包含至少一种合成酯，其中所述合成酯为基于生物的材料。该专利将术语“合成酯”定义为表示通过以下两种物质之间的反应制备的酯:(1)基于生物的或源自石油的多元醇和(2)可以是基于生物的或源自石油的直链或支化的有机酸之间的反应制备的酯。术语“多元醇”指具有两个或更多个羟基的醇。包含的基于生物的合成酯的适宜实例是通过使多元醇与碳链长度为C8-C10的源自植物油(如椰子油)的有机酸反应制备的那些。合成酯还包括具有C7-C9基团的合成的季戊四醇酯。适合于与有机酸反应来制备合成酯的其它多元醇包括新戊二醇、二季戊四醇、和e-乙基己基醇、正辛醇、异辛醇、异壬醇、异癸醇和十三烷醇。
[0011]尽管许多研究者做出了这些和其它努力，但是仍需要开发具有期望的性能组合以及经济的可行性和生物降解能力的介电流体。
【发明内容】
[0012]一方面，本发明是用于电器的介电流体组合物，其包含官能化的12-羟基硬脂酸，其具有至少一种选自下列性质的性质:400道尔顿(Da)至10，OOODa的数均分子量(Mn);大于20千伏/Imm间隙(gap) (kV/mm)的介电击穿强度；在25°C小于0.2百分数(%)的耗散因子；大于250°C的燃点；在40°C小于35厘斯(cSt)的动粘度；低于_30°C的倾点；低于0.03毫克氢氧化钾每克样品(mg KOH/g)的酸度；和它们的组合。
[0013]另一方面，本发明是制备介电流体组合物的方法，其包括(a)使12-羟基硬脂酸甲酯和直链或支化C3-C20醇在适合形成12-羟基硬脂酸烷基酯的条件下反应；和(b)使所述12-羟基硬脂酸烷基酯和羧酸在适合形成官能化的12-羟基硬脂酸的条件下反应，所述羧酸选自直链和支化C4-C20游离酰基氯、脂肪酸、羧酸酐和它们的组合。
【具体实施方式】
[0014]本发明提供了可用于电器中的热控制且具有多种期望性质的介电流体组合物。在具体和非限定性的实施方式中，这些性质可以包括一种性质或多种性质的组合，这些性质选自大于20kV/mm间隙的介电击穿强度、在25°C小于0.2%的耗散因子、大于250°C的燃点、在40°C小于35cSt的动粘度、低于_30°C的倾点、低于0.03mg KOH/g的酸度。此外，它可以显示出400Da至10，OOODa的数均分子量(Mn)，这有助于确保粘度可用于目标应用中。用于确定这些性质的美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials)(ASTM)标准示于下文的表1中。
[0015]表1
[0016]
【权利要求】
1.用于电器的介电流体组合物，其包含官能化的12-羟基硬脂酸，其具有至少一种选自下列性质的性质: (a)400道尔顿至10，000道尔顿的数均分子量； (b)大于20千伏/Imm间隙的介电击穿； (c)在25°C小于0.2%的耗散因子； (d)大于250°C的燃点； (e)在40°C小于35厘斯的动粘度； (f)低于_30°C的倾点； (g)低于0.03mg KOH/g的酸度；和 (h)它们的组合。
2.权利要求1的介电流体组合物，其中所述官能化的12-羟基硬脂酸的存在量为lwt%至 100wt%。
3.权利要求1或2的介电流体组合物，其中所述官能化的12-羟基硬脂酸的存在量为30wt% 至 90wt%。
4.权利要求1-3的任一项的介电流体组合物，其还包含天然甘油三酸酯；基因改性的天然油；合成酯；矿物油；聚α -烯烃；或它们的组合。
5.权利要求1-4的任一项的介电流体组合物，其中所述数均分子量为400道尔顿至5,000道尔顿。
6.制备介电流体组合物的方法，其包括(a)使12-羟基硬脂酸甲酯和直链或支化C3-C20醇在适合形成12-羟基硬脂酸烷基酯的条件下反应；和(b)使所述12-羟基硬脂酸烷基酯和羧酸在适合形成官能化的12-羟基硬脂酸的条件下反应，所述羧酸选自直链和支化C4-C20游离酰基氯、脂肪酸、羧酸酐和它们的组合。
7.权利要求6的方法，其中所述醇选自C8-C10醇。
8.权利要求6或7的方法，其中所述羧酸选自直链和支化C8-C10脂肪酸和羧酸酐。
9.权利要求6-8的任一项的方法，其中所述羧酸是直链或支化C8-C10游离酰基氯。
【文档编号】H01B3/20GK103843071SQ201280047644
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】S.J.韩, D.B.津克维格, Z.利森科 申请人:陶氏环球技术有限责任公司