用于增强的热管理的基于合成酯的电介质流体组合物的制作方法
【专利摘要】用于电气设备的电介质流体组合物包含官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯，该官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯具有所需性质，包括：倾点小于-30℃和燃点大于250℃。其可以通过下述方法制备，其中12-羟基甲基硬脂酸甲酯通过与C3-C20醇的反应酯交换形成羟基甲酯，然后使该羟基甲酯与直链或支化C4-C20羧酸反应，该直链或支化C4-C20羧酸选自游离酰氯，脂肪酸，羧酸酐，及其组合。第二步用于将羟基封端，从而制得官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯化合物，该化合物表现出改善的热氧化稳定性和低温流动性，以及提高的燃点。
【专利说明】用于增强的热管理的基于合成酯的电介质流体组合物
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是非临时申请，要求2011年9月30日提交的题为“SYNTHETIC ESTER-BASEDDIELECTRIC FLUID COMPOSITIONS FOR ENHANCED THERMAL MANAGEMENT”的美国临时专利申请61/541，272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]本发明特别涉及用于变压器的热管理的电介质流体领域。更特别地，其涉及为变压器和其它设备提供电绝缘性和/或热量耗散两者的改进的组合物。
【背景技术】
[0004]已知变压器的热管理对变压器操作的安全是关键的。尽管常规变压器可在相对高的温度有效操作，但是过多的热量对变压器寿命有损。这是因为变压器包含电绝缘物，该电绝缘物用于防止被施以电压的组件或导体接触其它组件、导体或内电路，或在其它组件、导体或内电路上形成电弧。通常，绝缘物经历的温度越高，其寿命越短。当绝缘失效时，可能发生内部故障或短路，有时导致火灾。
[0005]为了防止温度过度升高和变压器的过早失效，变压器通常填充有液体冷却液从而驱散在正常变压器操作过程中产生的相对大量的热量。冷却液也起到电介质的作用使变压器组件电绝缘。电介质液体必须能够冷却或绝缘达变压器的使用寿命，该使用寿命在很多应用中为超过20年。因为电介质流体通过对流冷却变压器，电介质流体在各种温度的粘度是确定其功效的关键因素之一。
[0006]矿物油已在各种电介质制剂中试验过，特别是因为它们可提供一定程度的热稳定性和氧化稳定性。但是，遗憾的是，认为矿物油是环境不友好的并且可表现出无法接受的低燃点，在一些情况下为低至150摄氏度CC )，该温度不期望地接近于电介质流体在给定应用(如变压器)中很可能暴露于的最大温度。由于它们的低燃点，研究者已经在搜寻可替代的电介质材料。
[0007]在对可替代物的该项研究中，最早确定植物油可作为电介质介质，其为环境友好的并且表现出期望的高燃点(显著大于150°C )和所需电介质性质的所需特征。它们也是在短时间内可生物降解的。最后，它们可提供与固体绝缘材料的增强的相容性。
[0008]寻找替代物的研究者已经确定了多种可行的流体。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，其为环境友好的并且具有高闪点和高燃点。将基础油氢化以使油具备最大可行的氧化稳定性和热稳定性。作为一些实例，植物油选自大豆油，向日葵油，低芥酸菜子油和玉米油。
[0009]美国专利公开2008/0283803A1描述了电介质组合物，其包含至少一种精制的、漂洗的、经冻凝处理的、除臭的植物油和至少一种抗氧化剂。电介质流体还包含至少一种合成酯，其中合成酯是基于生物的材料。该专利将术语“合成酯”定义为表示通过以下两种物质的反应制备的酯:(1)基于生物的或源自石油的多元醇；和(2)直链或支化有机酸，其可以是基于生物的或源自石油的。术语“多元醇”是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源自植物油(例如椰子油)的有机酸反应制备的那些，所述有机酸具有C8-C10的碳链长度。合成酯也包括具有C7-C9基团的合成季戊四醇酯。适于与有机酸反应以制得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，异癸醇和十三烷基醇。
[0010]尽管众多研究者进行了这些和其它努力，但仍需要开发具有所需的性质组合以及经济可行性和生物降解能力的电介质流体。
【发明内容】
[0011]一方面，本发明是用于电气设备的电介质流体组合物，其包含官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯，其具有至少一种选自以下的性质:数均分子量(Mn)为400道尔顿(Da)至10，OOODa,电介质击穿强度大于20千伏/Imm间距(kV/mm)，在25°C的耗散因子小于0.2%，燃点大于250°C，在40°C的运动粘度小于35厘斯(cSt)，倾点小于_30°C，和酸度小于0.03毫克氢氧化钾每克样品(mg KOH/g)，及其组合。
[0012]另一方面，本发明是制备电介质流体组合物的方法，包括(a)使12-羟基甲基硬脂酸甲酯和直链或支化C3至C20醇在适宜形成羟基甲基酯的条件下反应，和(b)使所述羟基甲基酯和羧酸在适宜形成官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯的条件下反应，所述羧酸选自直链和支化C4-C20游离酰氯，脂肪酸，羧酸酐，及其组合。
【具体实施方式】
[0013]本发明提供电介质流体组合物，其可用于电气设备的热管理，并且具有多种所需性质。在特定和非限制性的实施方式中，这些性质可以包括，电介质击穿强度大于20千伏/mm间距，在25°C的耗散因子小于百分之0.2(%)，燃点大于250°C，在40°C的运动粘度小于35厘斯(cSt)，倾点小于-30°C,和酸度小于0.03毫克氢氧化钾每克样品(mg KOH/g)。而且，其数均分子量(Mn)为400道尔顿(Da)至10，OOODa，这有助于确保粘度可用于目标应用。用于确定这些性质的美国材料与试验协会(ASTM)标准如以下表1所示。
[0014]表1.ASTM标准和测试的性质。
[0015]
【权利要求】
1.用于电气设备的电介质流体组合物，所述组合物包含官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯，所述官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯具有至少一种选自以下的性质: (a)数均分子量为400道尔顿至10，000道尔顿； (b)电介质击穿大于20千伏/1mm间距； (c)在25°C的耗散因子小于0.2% ； (d)燃点大于250°C； (e)在40°C的运动粘度小于35厘斯； (f)倾点低于_30°C； (g)酸度小于0.03mg KOH/g ;和 (h)其组合。
2.权利要求1的电介质流体组合物，其中所述官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯的存在量为lwt%至100wt%。
3.权利要求1或权利要求2的电介质流体组合物，其中所述官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯的存在量为30wt%至90wt%。
4.权利要求1至3任一项的电介质流体组合物，其进一步包含天然甘油三酸酯；基因改性的天然油；另一种合成酯；矿物油?’聚α烯烃；海藻油；或其组合。
5.权利要求1至4任一项的电介质流体组合物，其中所述数均分子量为400道尔顿至5,000道尔顿。
6.制备电介质流体组合物的方法，包括(a)使12-羟基甲基硬脂酸甲酯和直链或支化C3至C20醇在适宜形成羟基甲基酯的条件下反应，和(b)使所述羟基甲基酯和羧酸在适宜形成官能化的12-羧基甲基硬脂酸甲酯的条件下反应，所述羧酸选自直链和支化C4-C20游离酰氯，脂肪酸，羧酸酐，及其组合。
7.权利要求6的方法，其中所述醇选自C8至ClO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CS至ClO脂肪酸和羧酸酐。
9.权利要求6至8任一项的方法，其中所述羧酸选自直链和支化CS至ClO游离酰氯。
【文档编号】H01B3/20GK103843072SQ201280047778
【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.津克韦格, Z.莱森科 申请人:陶氏环球技术有限责任公司