包含多元醇酯的介电流体、制备多元醇酯的混合物的方法、以及包含多元醇酯介电流体的 ...的制作方法
【专利摘要】本发明提供了介电流体，所述介电流体包含多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应：a)多元醇，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合，和b)衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油的脂肪酸酯的混合物，其中所述高油酸大豆油具有大于所述油中脂肪酸结构部分的65％的C18∶1含量，和小于所述油中脂肪酸结构部分的20％的组合C18∶2和C18∶3含量。还提供了包含所述介电流体的电气装置，以及制备所述多元醇酯的混合物的方法。
【专利说明】包含多元醇酯的介电流体、制备多元醇酯的混合物的方法、以及包含多元醇酯介电流体的电气装置
[0001]本申请要求2011年9月23日提交的美国临时申请61/538318(代理人案号CL5307USPRV)、2011年9月23日提交的美国临时申请61/538303 (代理人案号CL5431USPRV) ,2011年9月23日提交的美国临时申请61/538298(代理人案号CL5432USPRV) ,2011年11月17日提交的美国临时申请61/560840(代理人案号CL5307USPRV1)、2011年11月17日提交的美国临时申请61/560845 (代理人案号CL5431USPRV1)、以及2011年11月17日提交的美国临时申请61/560850 (代理人案号CL5432USPRV1)的优先权益，将所述文献全文以引用方式并入。
【技术领域】
[0002]提供包含多元醇酯混合物的介电流体、制备多元醇酯的方法、以及包含所述介电流体的电气装置。
【背景技术】
[0003]电子工业使用多种易得并且一般高性价比的介电流体。例子为用于变压器、电缆和电容器中的矿物油、有机硅流体和合成烃油。此类流体必须是电绝缘的、抗降解的，并且能够用作热传递介质，使得电气装置中生成的热可耗散到周围环境。
[0004]然而，当前所用流体还具有多种缺陷。这些流体中的许多被认为不能够在合理时段内生物降解。一些具有使得它们欠佳的电性能。近年来，管理机构已越来越关注可能污染地面土壤和其它区域的石油泄漏。能够生物降解的介电流体将适用于居住区或生态敏感区域内所用的电气装置如变压器。
[0005]美国专利6，160，144涉及醇和脂肪酸混合物的合成酯以及它们作为润滑剂和液压油和美观目的的用途，所述脂肪酸混合物包含至少85重量％的油酸和0.5至2.5重量％的硬脂酸。
[0006]美国专利6，278，006公开了包含三酰基甘油多元醇酯和非甘油型多元醇酯的油，以及制备此类油的方法和改善植物油润滑性能的方法。
[0007]美国专利7，048, 875涉及可用作电绝缘流体的高油酸油组合物、电绝缘流体组合物、以及包含它们的电气装置。公开了高油酸甘油三酯组合物的电性能，所述组合物包含脂肪酸组分，所述脂肪酸组分具有至少75%的油酸，小于10%的二不饱和脂肪酸组分；小于3%的三不饱和脂肪酸组分；和小于8%的饱和脂肪酸组分。在一些优选的实施例中，所述电绝缘流体包含以下脂肪酸组分:至少75%的油酸，小于10%的亚油酸，小于3%的亚麻酸，小于4%的硬脂酸，和小于4%的棕榈酸。
[0008]公布的加拿大专利申请CA2，492，565公开了介电冷却剂，所述介电冷却剂具有至少约-40°C的倾点，并且包含特定化学结构的多于一种多元醇酯的混合物，其中所述烷基基团具有C5-C22的链长。新戊二醇和三羟甲基丙烷公开为优选的多元醇。
[0009]持续需要具有良好氧化稳定性的能够生物降解的介电流体。持续需要包含具有良好氧化稳定性的能够生物降解的介电流体的电气装置。需要制备具有良好氧化稳定性的能够生物降解的介电流体的方法。
【发明内容】
[0010]本文描述了包含多元醇酯混合物的介电流体，所述多元醇酯衍生自多元醇与脂肪酸酯混合物的反应，所述脂肪酸酯衍生自高油酸大豆油。高油酸大豆油具有大于所述油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和小于所述油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。多元醇酯的混合物具有使得它们非常适用作电气装置中绝缘流体的电性能。本文还描述了包含所述介电流体的电气装置、用所述介电流体浸溃的介电材料、以及制备构成所述介电流体的多元醇酯混合物的方法。
[0011]在一个实施例中，描述了介电流体，其中所述介电流体为混合物，所述混合物包含衍生自以下物质的反应的多元醇酯:
[0012]a)多元醇，包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和
[0013]b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有
[0014]i)大于所述油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和
[0015]ii)小于所述油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
[0016]在一个实施例中，所述介电流体满足根据OE⑶指导30IB在28天CO2演化测试条件下“易于生物降解”的标准。
[0017]在一个实施例中，描述了制备多元醇酯的混合物的方法，所述方法包括以下步骤
[0018]a)提供包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述大豆油包含
[0019]i)大于所述油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和
[0020]ii)小于所述油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量；
[0021]b)在第一碱催化剂的存在下使所述高油酸大豆油与具有I至5个碳链长的脂族一元醇反应，以产生包含甘油和脂肪酸酯混合物的反应混合物；
[0022]c)移除甘油；以及
[0023]d)在第二碱催化剂的存在下使所述脂肪酸酯的混合物与多元醇反应以产生多元醇酯的混合物，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合。
[0024]在一个实施例中，描述了电气装置，所述电气装置包含介电流体，其中所述介电流体包含含有多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应:
[0025]a)多元醇，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和
[0026]b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有
[0027]i)大于所述油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和
[0028]ii)小于所述油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
[0029]在一个实施例中，描述了介电材料，所述介电材料包括纤维素纸材、合成纸材、或非织造纤维网；并且所述介电流体包含含有多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应:[0030]a)多元醇，包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和
[0031]b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有
[0032]i)大于所述油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和
[0033]ii)小于所O述油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
【具体实施方式】
[0034]结合以下术语，描述本文所述的方法、组合物和制品。
[0035]如本文所用，在不定冠词“一个”或“一种”用于陈述或描述本发明方法中存在的步骤时，应当了解，除非明确提供了相反的陈述或描述，此类不定冠词的使用不将所述方法中存在的步骤数限制为一。
[0036]如本文所用，当量、浓度或其它值或参数以范围、优选范围或优选上限值和优选下限值的列表形式给出时，它应被理解为具体地公开由任何范围上限或优选值和任何范围下限或优选值的任何一对所构成的所有范围，而不管所述范围是否被单独地公开。凡在本文中给出某一数值范围之处,该范围都意在包括其端点，以及位于该范围内的所有整数和分数，除非另行指出。不旨在将本发明的范围限制为限定范围时详述的具体值。
[0037]如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”或“含有”，或者其任何其它变型旨在包括非排他的包括。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些元素，而可以包括其它未明确列出的元素，或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或设备的固有元素。
[0038]如本文所用，术语“重量％ ”是指重量百分比。
[0039]根据本发明，使用高油酸含量大豆油作为制备多元醇酯混合物的原料。多元醇酯混合物具有可用于电绝缘流体(还被称为介电流体)的物理特性。本文公开了具有特定结构以及物理特性和性能的多元醇酯混合物、制备此类混合物的方法、包含多元醇酯混合物的介电流体、以及包含所述介电流体的电气装置。
[0040]植物油通常具有高百分比的饱和和不饱和有机酸的甘油三酯。油酸为以甘油三酯形式存在于许多天然油中的单不饱和酸，所述天然油包括向日葵、橄榄油、红花、卡诺拉油和大豆油。高油酸大豆(HOS)油可源自经基因修饰以产生高油酸含量的高油酸大豆种子，如国际专利公布W094/11516中所公开的，由此将所述文献全文以引用的方式并入。高油酸大豆种子为其中油酸占油中脂肪酸结构部分的65%以上，并且优选占油中脂肪酸结构部分75%以上的大豆种子。高油酸大豆油可源自高油酸大豆种子，如美国专利5，981，781中所公开的，由此将所述文献全文以引用的方式并入。如美国专利5，981，781中所述，高油酸大豆油可由工序如精炼、漂白和脱臭来纯化，以获得经精炼、漂白和脱臭的高油酸大豆油(RBDHOS油)。HOS油和/或RBD HOS油可用于本文所公开方法中，以制备包含多元醇酯混合物的介电流体。在一个实施例中，HOS油可包括经精炼、漂白和脱臭的高油酸大豆油。
[0041]甘油三酯组合物为连接三个脂肪酸分子的甘油主链。纯植物油是碳链一般在16至22个碳原子范围内的某些脂肪酸的甘油三酯，然而也可存在少量更短和/或更长的碳链。如果碳链没有双键，则它为饱和的油，并且定为Cn: 0，其中η为碳原子数。具有一个双键的碳链是单不饱和的，并且定为Cn: I ;具有两个双键的那些定为Cn: 2，而具有三个双键的那些定为Cn: 3。例如，棕榈酸为C16: O酸，硬脂酸为C18: O酸，油酸为C18: I酸，亚油酸为C18: 2酸,而亚麻酸为C18: 3酸。酸为混合态如甘油三酯,并且当油水解时，它们分成酸和甘油组分。
[0042]高油酸大豆油具有大于油中脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量，和小于油中脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。在一个实施例中，所述HOS油具有大于脂肪酸结构部分约70%的C18: I含量，和小于脂肪酸15%的组合C18: 2和C18: 3含量。在一个实施例中，所述HOS油还包含小于脂肪酸结构部分15%的组合的C16: O和C18: O含量。在一个实施例中，所述HOS油具有大于脂肪酸结构部分约75%的C18: I含量，和小于脂肪酸结构部分10%的组合C18: 2和C18: 3含量。在一个实施例中，所述HOS油具有大于脂肪酸结构部分约80%的C18: I含量，和小于脂肪酸10%的组合C18: 2和C18: 3含量。
[0043]多元醇酯混合物可由HOS油通过两个合成步骤获得。在第一合成步骤中，包含脂肪酸结构部分的HOS油通过与醇的碱催化反应，转变成甘油和脂肪酸酯的混合物。脂肪酸酯的混合物包含HOS油的脂肪酸结构部分。第一合成步骤示于下文方案I中，其中醇示为R4OH,并且R1、R2和R3代表甘油三酯原料以及脂肪酸酯产物R1CO2R' R2CO2R4和R3CO2R4中脂肪酸结构部分的相同或不同C15-C21碳链。注意到，在方案I中，仅HOS油的一个甘油三酯示为原料，然而HOS油包含甘油三酯的混合物，以满足本文高油酸大豆油实施例中所述的脂肪酸结构部分的C16: 0、C18: 0、C18: 1、C18: 2和C18: 3含量。
[0044]
【权利要求】
1.介电流体，包含: 包含多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应: a)多元醇，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和 b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有 i)大于所述油中所述脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和 ii)小于所述油中所述脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
2.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述介电流体具有大于约280°C的闪点。
3.根据权利要求2所述的介电流体，其中所述介电流体具有小于约-10°C的倾点。
4.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述介电流体具有在40°C下小于约45cST并且在100°C小于约14cST的粘度。
5.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述介电流体具有在25°C下小于约0.15%并且在100°C下小于约5%的功率因数。
6.根据权利要求1所述的介电流体，其中当在25°C下横跨Imm间隙测量时，所述介电流体具有大于约35KV的电介质击穿电压。
7.根 据权利要求1所述的介电流体，其中所述介电流体在110°C下具有至少约8小时的油稳定性指数。
8.根据权利要求1所述的介电流体，还包含至少一种添加剂，所述添加剂选自氧化抑制剂、腐蚀抑制剂、金属减活化剂和倾点下降剂。
9.根据权利要求1所述的介电流体，还包含共混组分，所述共混组分选自植物油、海藻油、衍生自不是高油酸大豆油的植物油的一种或多种多元醇酯、矿物油、有机硅流体、合成酯、聚α-烯烃、或它们的混合物。
10.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述多元醇包括季戊四醇。
11.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述多元醇包括三羟甲基丙烷。
12.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述多元醇包括新戊二醇。
13.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述C18: I含量大于所述油中所述脂肪酸结构部分的70%，并且所述组合C18: 2和C18: 3含量小于所述油中所述脂肪酸结构部分的15%。
14.根据权利要求1所述的介电流体，其中所述介电流体满足根据OECD指导301Β在28天CO2演化测试条件下“易于生物降解”的标准。
15.制备多元醇酯的混合物的方法，所述方法包括以下步骤: a)提供包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述大豆油包含 i)大于所述油中所述脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和 ii)小于所述油中所述脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量； b)在第一碱催化剂的存在下使所述高油酸大豆油与具有I至5个碳链长的脂族一元醇反应，以产生包含甘油和脂肪酸酯混合物的反应混合物； c)分离并且移除所述甘油；以及 d)在第二碱催化剂的存在下使所述脂肪酸酯的混合物与多元醇反应以产生多元醇酯的混合物，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合。
16.电气装置，包含: 介电流体，其中所述介电流体包含含有多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应: a)多元醇，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和 b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有 i)大于所述油中所述脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和 ii)小于所述油中所述脂肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
17.根据权利要求16所述的电气装置，其中所述电气装置为电变压器、电容器、流体填充的传输线、电力缆线、电感器、或闻电压开关。
18.介电材料，所述介电材料用至少10重量％的介电流体浸溃，其中所述介电材料包括纤维素纸材、合成纸材、或非织造纤维网；并且所述介电流体包含含有多元醇酯的混合物，所述多元醇酯衍生自以下物质的反应: a)多元醇，所述多元醇包括季戊四醇、三羟甲基丙烷、新戊二醇、或它们的组合；和 b)脂肪酸酯的混合物，所述脂肪酸酯衍生自包含脂肪酸结构部分的高油酸大豆油，其中所述高油酸大豆油具有 i)大于所述油中所述脂肪酸结构部分的65%的C18: I含量；和 ii)小于所述油中所述脂 肪酸结构部分的20%的组合C18: 2和C18: 3含量。
【文档编号】H01B3/20GK103827979SQ201280046225
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2011年9月23日
【发明者】W.邱, P.A.布朗 申请人:纳幕尔杜邦公司