一种超低温冷源材料及其制备方法与流程

本发明属于超低温固体制备领域，具体涉及一种超低温冷源材料及其制备方法。

背景技术：

目前，干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在医学界称为“万用细胞”。干细胞治疗目前在全球开展了多项临床实验，覆盖了140多种疾病，应用前景广阔。未来干细胞的普及和应用不仅仅需要生物医药领域的突破，也需要周边支撑技术的突破。很多国家政府，如日本政府从2012年开始有组织地研发周边支撑技术。其中超低温(零下150℃)保存和冷链运输技术是周边支撑技术的重要一环。而这个技术的突破需要一个可靠的，清洁无残留的，方便的材料作为冷源。固体二氧化碳干冰是现存的可靠的，清洁无残留的，便利的冷源材料，但温度只能达到零下80℃(大气压下升华温度)。虽然零下80℃干冰也可用于保存细胞和组织，但是生物领域公认的干细胞的长期保存温度需要低于零下136℃，该温度是细胞内含水多糖的玻璃化迁移温度。因此，珍贵而纤弱的干细胞的保存和运输需要在低于零下136℃下(通常为零下150℃)高质量地进行，且温度追溯要求的比疫苗更为严格。

目前，最常用的超低温冷源是液氮(零下196℃)。液氮用于超低温运输生物样本时，要使用装有液氮吸附材料的杜瓦罐，才能作为一般货物运输。这种装有吸附材料的杜瓦罐又叫做干式液氮罐，液氮吸附过程时间很长，从冷却到吸附可长达24小时。目前将液氮灌装到杜瓦罐里都是人工操作，而且杜瓦罐的内部的吸附材料的使用寿命和性能易衰退不易把握，因此将液氮作为超低温冷源的成本较高、质量管理不易。进一步研究，固体氩(ar)是液态氩在零下189℃时凝固成的固体，曾被美国nasa用于太空中的探测仪器的小型冷却器。固氩块蒸汽压为0.6大气压，在低气压的太空中升华，也是洁净，安全的超低温冷源。但是在大气环境下，固体氩在零下189℃先融化为液体，然后才在零下186℃气化，其间的液体氩由于流动性，不被看作安全的超低温冷源，不能直接使用。

在目前的高端气体应用市场中，低温冷源的技术还有：液氮纳米糊，指的是气相二氧化硅粒子被美国nasa用于制作液氮糊；液氮纳米流体，指的是把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质，这是纳米技术在1995年应用于热能工程这一传统领域的创新性的研究，该研究发现在液氮中加入3％al2o3或sio2纳米粒子将有利于传热。但是，这两种技术在低温领域应用的缺陷为：液氮蒸发后的气相二氧化硅成为污染源。

所以，目前的科研和实践中，需要一种新型的超低温冷源材料，温度等于或低于零下150℃，蒸发后不留下任何污染源，为生物材料尤其是干细胞的储存和运输带来安全和便利。

技术实现要素：

本发明提供了一种超低温冷源材料及其制备方法，该方法能够以低成本、高效率制备得到低于零下150℃的、无残留的冷源材料。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

一种超低温冷源材料，所述冷源材料的原料包括：二氧化碳气体和流体基质，所述二氧化碳气体和流体基质的摩尔比为(0.01～2)：1，优选为0.2：1。

在优选的实施方式中，所述流体基质包括：液氩、氩气、液氮、氮气、液氮浆中的一种或几种混合；优选地，所述流体基质选自：液氩；或：氩气；或：液氮；或：液氮浆；或：氮气，和液氮或液氮浆；或：氩气，和液氩。

在优选的实施方式中，当所述流体基质为液氩或/和液氮或/和液氮浆时，所述方法包括：

低温液化步骤：将所述二氧化碳气体通入所述流体基质，所述二氧化碳气体在所述流体基质中形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为所述冷源材料；

所述流体基质为液氩时，所述二氧化碳气体的温度降至零下186℃；

所述流体基质为液氮时，所述二氧化碳气体的温度降至零下196℃；

所述流体基质为液氮浆时，所述二氧化碳气体的温度降至零下210℃。

在优选的实施方式中，当所述流体基质为液氩时，所述方法还包括：

低温固化步骤：将所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

在优选的实施方式中，当所述流体基质为氩气时，所述方法包括：

混合步骤：将摩尔比为(0.05-1)：1，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氩气进行混合处理，形成混合气体；

低温液化步骤：将所述混合气体的温度降至零下186℃温度，得到流体基质微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为所述冷源材料；

优选地，所述方法还包括：

低温固化步骤：将所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

在优选的实施方式中，当所述流体基质为氮气，和液氮或液氮浆时，所述方法包括：

混合步骤：将摩尔比为(0.05-1)：1，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氮气进行混合处理，形成混合气体；

低温液化步骤：将所述混合气体通入液氮或液氮浆中，所述二氧化碳气体形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为所述冷源材料；

将所述混合气体通入液氮时，所述混合气体的温度降至零下196℃；

将所述混合气体通入液氮浆时，所述混合气体的温度降至零下210℃。

在优选的实施方式中，当所述流体基质为氩气，和液氩时，所述方法包括：

混合步骤：将摩尔比为(0.05-1)：1，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氩气进行混合处理，形成混合气体；

低温液化步骤：将所述混合气体通入液氩时，所述混合气体的温度降至零下186℃，所述二氧化碳气体形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为所述冷源材料；

优选地，当所述流体基质为氩气，和液氩时，所述方法还包括：

低温固化步骤：将所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

在优选的实施方式中，在所述低温液化步骤中，所述二氧化碳气体或混合气体通入液氩或液氮或液氮浆时，当所述液氩或液氮或液氮浆的体积为1l时，通入所述二氧化碳气体或混合气体的流量为1-10l/min，优选为5l/min，时间为1-5min，优选为3min。

在优选的实施方式中，在所述低温固化步骤中，将所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊通过降温材料降温至零下189℃，得到固体；或：

将所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊通过减压降温至零下189℃，得到固体。

在优选的实施方式中，所述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊均含有二氧化碳微粒子；所述二氧化碳微粒子的粒径为小于等于1微米，优选为小于等于0.1微米。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1、本发明的冷源材料是二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊，或为微纳米二氧化碳增强的氩/氮基超低温两相复合材料，其相变温度低于零下150℃，是一种新型可靠、清洁无残留的、方便的冷源材料，尤其可以在干细胞等生物医药，或产品的储存和运输等领域使用。上述二氧化碳微纳米流体还可以用于金属切割工艺中对钛合金进行冷却，使切割容易进行。

2、本发明的冷源材料采用二氧化碳来形成微米或纳米粒子，所以可以随着冷源一起蒸发掉，不留任何污染物，可以避免采用二氧化硅纳米粒子的缺陷，非常适合生物医药领域的应用。

3、本发明在制备过程中采用适宜的步骤和参数，之间协同作用，提高了冷源材料的生产效率。

4、本发明简便易行，成本低廉，便于工业化生产，适宜推广使用。

附图说明

图1为实施例1的混合气流中二氧化碳纳米微粒子云的外观的照片。

图2为实施例1的混合液体外观的照片。

图3、4均为实施例1的低温固化过程中形成的固体的外观的照片。

具体实施方式

第一方面，本发明提供一种超低温冷源材料，该冷源材料的原料包括：二氧化碳气体和流体基质，二氧化碳气体和流体基质的摩尔比为(0.01～2)：1(例如，可以为0.01:1、0.02:1、0.05:1、0.1:1、0.25:1、0.5:1、1.0:1、1.5:1、2:1中任意比例)，优选为0.2：1，形成半固态的二氧化碳微纳米糊。

上述流体基质包括：氩气、氮气、液氮、液氩、液氮浆中的一种或几种混合。

优选地，上述流体基质可以选自：

液氩；或：氩气；或：液氮；或：液氮浆；或：氮气，和液氮或液氮浆；或：氩气，和液氩.

上述冷源材料的状态可以为液固混合态，具体为二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊，这二者均为稳定的超低温混合液。纳米糊指具有可塑状态，纳米流体是指流动态；二者之间的界限是由为纳米粒子和液态流体之间的比例定义的，纳米糊是指纳米粒子之间有联结力，则具体到超低温纳米糊，是和粒子大小及纳米粒子和液态流体之间的重量比相关，二氧化碳粒子越多，则纳米糊的流动性越差，可塑性越强。

上述冷源材料的状态也可以为固体，具体为：以二氧化碳纳米粒子增强的氩基超低温的复合材料，该复合材料为两相复合材料，具有稳定性，其相变温度低于零下150℃，将是一种新型洁净的冷源材料。

对于二氧化碳气体和流体基质的摩尔比是调配最佳的，该摩尔比是根据所确定的氩/氮和二氧化碳均匀液体的化学动力学条件：液化的温度、速度得到的。

本发明的核心是半固态冷源复合材料，实现合适温度/材料状态。

第二方面，本发明提供第一方面的超低温冷源材料的制备方法。

(一)采用的流体基质为：液氩或液氮或液氮浆时，制备方法包括：

步骤一、低温液化：将二氧化碳气体通入流体基质，二氧化碳气体在流体基质中形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊(这二者其中同时含有二氧化碳微粒子和流体基质)；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为冷源材料。

流体基质为液氩时，二氧化碳气体的温度降至零下186℃；

流体基质为液氮时，二氧化碳气体的温度降至零下196℃；

流体基质为液氮浆时，二氧化碳气体的温度降至零下210℃。

其中，当液氩或液氮或液氮浆为1l时，二氧化碳(气相)通入流体基质的流量为1-10l/min，优选为5l/min；当时间为1-5min，优选为3min时，生成二氧化碳微纳米流体；时间进一步延长则二氧化碳微纳米流体的黏度增加，生成二氧化碳纳米糊。

当采用的流体基质仅为液氩时，还可以将上述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊进行步骤二，得到固体：

步骤二、低温固化：将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体，作为冷源材料。

(二)采用的流体基质为：氩气时，制备方法包括：

步骤一、混合：将摩尔比为(0.05-1)：1(例如，可以为0.05:1、0.075:1、0.1:1、0.25:1、0.5:1、0.75:1、1:1中任意比例)，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氩气进行混合处理，形成混合气体。

步骤二、低温液化：将混合气体的温度降至零下186℃，得到流体基质微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为冷源材料。

还可以将上述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊进行步骤三，得到固体：

步骤三、低温固化：将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

(三)采用的流体基质为：氮气，和液氮或液氮浆时，制备方法包括：

步骤一、混合：将摩尔比为(0.05-1)：1(例如，可以为0.05:1、0.075:1、0.1:1、0.25:1、0.5:1、0.75:1、1:1中任意比例)，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氮气进行混合处理，形成混合气体。

步骤二、低温液化：将混合气体通入液氮或液氮浆中，二氧化碳气体形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为冷源材料。

其中，当液氮或液氮浆为1l时，流量为1-10l/min，优选为5l/min；当时间为1-5min，优选为3min时，生成二氧化碳微纳米流体；时间进一步延长或者将流体基质蒸发掉一些，二氧化碳微纳米流体的黏度增加，也生成二氧化碳纳米糊。

将混合气体通入液氮时，混合气体的温度降至零下196℃。

将混合气体通入液氮浆时，混合气体的温度降至零下210℃。

(四)采用的流体基质为：氩气，和液氩时，制备方法包括：

步骤一、混合：将摩尔比为(0.05-1)：1(例如，可以为0.05:1、0.075:1、0.1:1、0.25:1、0.5:1、0.75:1、1:1中任意比例)，优选为0.2：1的二氧化碳气体与氩气进行混合处理，形成混合气体。

步骤二、低温液化：将混合气体通入液氩中，混合气体的温度降至零下186℃，二氧化碳气体形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为冷源材料。

其中，当液氩为1l时，流量为1-10l/min，优选为5l/min；当时间为1-5min，优选为3min时，生成二氧化碳微纳米流体；时间进一步延长或者将流体基质蒸发掉一些，二氧化碳微纳米流体的黏度增加，也生成二氧化碳微纳米糊。

还可以将上述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊进行步骤三，得到固体：

步骤三、低温固化：将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

示例性地，上述流量1-10l/min，具体可以为1l/min、2l/min、3l/min、4l/min、5l/min、6l/min、7l/min、7.5l/min、8l/min、9l/min、10l/min中任意值，上述时间1-5min，具体可以为1min、2min、2.5min、3min、4min、5min中任意值。

上述(一)至(四)中的低温液化的过程中，当温度低于零下150℃时，二氧化碳气体开始生成粒径为小于等于1微米，优选为小于等于0.1微米的二氧化碳微粒子。

上述(一)、(二)、(四)中的低温固化步骤中，将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃的方法有两种：

第一种、冷冻：将液氮或液氮浆作为降温材料，将盛有二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊的金属容器放入液氮或液氮浆中，使二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊的温度降至零下189℃。

第二种、低温减压：将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊放入低温减压设备，如比如以色列产品vit-mastertm,(imt)，慢慢真空减压，将容器内温度逐渐降至零下-189℃以下，并在该温度下保持，得到固体作为冷源材料。

在上述制备固体的冷源材料中，二氧化碳在低温下成核，获得粒径为1微米，优选0.1微米以下的微纳米粒子；该微纳米粒子在低温下搭桥，获得均匀的微纳米粒子空隙结构(类似气相二氧化硅或“气凝胶”结构)，形成“凝胶骨架”，而氩或氮则填充在骨架之间的空隙之间。上述冷源材料具有与固态二氧化碳干冰(零下80℃)相同的便利性和清洁性，但是相变温度预期低于零下150℃，将是一种新型可靠、清洁无残留的、方便的冷源材料。

实施例1

本实施例是采用氩气作为流体基质，得到固体的冷源材料的制备方法。

(1)气体混合：按照摩尔比0.2:1制成二氧化碳气体和氩气的混合气体。

(2)低温液化：采用零下196℃的液氮作为制冷剂，将混合气体与温度零下196℃的容器内壁面接触，温度降至零下186℃温度，得到二氧化碳微纳米流体，又称为混合微纳米粒子液浆，呈现为均匀的混合液体。图2为该混合液体外观的照片。

在低温液化过程中，当混合气体的温度零下150℃时，二氧化碳气体变为粒径小于0.1微米的二氧化碳微粒子，此时该混合气体变成含有二氧化碳微粒子和氩气的混合气流。图1为该混合气流中二氧化碳微纳米粒子云的外观的照片。

(3)低温固化：采用零下196℃的液氮作为制冷剂，将上述二氧化碳微纳米流体的温度降至零下189℃，得到固体作为冷源材料。图3、图4均为低温固化过程中形成的液氩+二氧化碳固体的复合材料外观的照片。

实施例2

本实施例是采用液氩作为流体基质，得到固体的冷源材料的制备方法。

(1)低温液化：将二氧化碳气体通入液氩，二氧化碳气体在液氩中形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊。

当液氩为1l时，二氧化碳通入的流量为5l/min，时间为3min，得到二氧化碳微纳米流体；如要获得二氧化碳微纳米糊，则延长通入时间，或将液氩蒸发，以增加黏度；该二氧化碳微纳米糊是稳定的低温乳液，静置观察2h后依然均匀无沉积现象。

(2)低温固化：采用零下196℃的液氮作为制冷剂，将上述二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊的温度降至零下189℃，得到固体作为冷源材料。

实施例3

本实施例是采用液氮和氮气作为流体基质，得到液体的冷源材的料制备方法。

(1)气体混合：按照摩尔比0.2:1制成二氧化碳气体和氮气的混合气体。相比只有二氧化碳气体直接通入液氮中，本步骤的二氧化碳在混合气体中含量较低，有利于下一步在液氮中形成微粒子。

(2)低温液化：将混合气体通入液氮，二氧化碳气体在液氮中形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊。

当液氮为1l时，混合气体通入的流量为5l/min，时间为3min，得到二氧化碳微纳米流体；如要获得二氧化碳微纳米糊，则延长通入时间，或将液氩蒸发，以增加黏度。

实施例4

本实施例是采用氩气作为流体基质，得到液体的冷源材料的制备方法。该方法的操作与实施例1的步骤(1)-(2)相同。

实施例5

本实施例是采用液氩作为流体基质，得到液体的冷源材料的制备方法。该方法的操作与实施例2的步骤(1)相同。

实施例6

本实施例是采用氮气和液氮浆作为流体基质，得到液体的冷源材料的制备方法。

(1)气体混合：按照摩尔比0.2:1制成二氧化碳气体和氮气的混合气体。

(2)将上述混合气体通入液氮浆1l中，流量为5l/min，时间为3min，形成二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米糊是稳定的低温乳液，静置观察2h后依然均匀无沉积现象。该二氧化碳微纳米糊可以作为超低温冷源材料使用。

本实施例的制备方法最容易形成二氧化碳微粒子。

液氮浆(－210℃)可有液氮减压制成，在常压下比液氮温度(－196℃)更低，用液氮浆可用于冷冻受精卵，比如以色列产品vit-master^tm,(imt¹)就是用于此目的。

实施例7

本实施例是采用氩气和液氩作为流体基质，得到固体的冷源材料的制备方法。

(1)气体混合：将摩尔比为0.2：1的二氧化碳气体与氩气进行混合处理，形成混合气体。

(2)低温液化：将混合气体通入液氩中，混合气体的温度降至零下186℃，二氧化碳气体形成微粒子，得到二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊；该二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊即为冷源材料。

当液氩为1l时，混合气体通入的流量为5l/min，时间为3min，得到二氧化碳微纳米流体；如要获得二氧化碳微纳米糊，则延长通入时间，或将液氩蒸发，以增加黏度；该二氧化碳微纳米糊是稳定的低温乳液，静置观察2h后依然均匀无沉积现象。

(3)低温固化：利用零下196℃的液氮作为制冷剂，将二氧化碳微纳米流体或二氧化碳微纳米糊降至零下189℃，得到固体；该固体即为所述冷源材料。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。