一種低表面粘附性的液態(tài)金屬及其在溫度計(jì)中的應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低表面粘附性的液態(tài)金屬,所述液態(tài)金屬由最外層水膜、中間氧化層和內(nèi)部液態(tài)合金組成,其中最外層水膜厚度為1?12μm。本發(fā)明通過對液態(tài)金屬表面進(jìn)行附著一層一定厚度的水膜,同時(shí)選擇合適的液態(tài)金屬配方,制備出了一種在玻璃上低表面粘附性的液態(tài)金屬,還提供了一種應(yīng)用該液態(tài)金屬制備溫度計(jì)的工藝。使用該液態(tài)金屬制成的溫度計(jì)不僅流動(dòng)性極佳、能夠有效指示溫度,而且環(huán)保,無毒無害、成本低廉,可有效取代水銀溫度計(jì)。
【專利說明】
一種低表面粘附性的液態(tài)金屬及其在溫度計(jì)中的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種鎵基液態(tài)金屬,具體涉及一種表面粘附性極低的鎵基液態(tài)金屬及其在溫度計(jì)中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]在人體疾病診斷過程中,水銀溫度計(jì)因其價(jià)格低廉、使用便利、結(jié)果準(zhǔn)確得到了最為廣泛的應(yīng)用。水銀溫度計(jì)的使用歷史悠久,其制備工藝技術(shù)成熟,測量的結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定,能夠廣泛應(yīng)用于醫(yī)院和家庭。水銀溫度計(jì)的主要缺陷來自于其主要的溫度指示材料一一汞,汞對人體有劇毒和危害,屬于?;罚捎诠恼羝麎悍浅5?,一旦水銀溫度計(jì)破碎,會(huì)立即形成汞蒸氣若劃傷人體或者人體吸入汞,則會(huì)造成不可逆的損傷。
[0003]目前,許多新的溫度計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)逐漸推廣使用,如電子溫度計(jì)。然而電子溫度計(jì)并未能在醫(yī)院和家庭中廣泛被接收,一方面,電子溫度計(jì)雖然沒有毒性,但是電子溫度計(jì)的原理是通過測量半導(dǎo)體材料在不同溫度下的電阻來確定溫度值,半導(dǎo)體材料在36-42°C范圍內(nèi)的電阻改變小,在此范圍內(nèi)讀出的溫度值難以精確認(rèn)定;另一方面,電子溫度計(jì)需要定期更換電池,而且存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外,還有紅外線溫度計(jì)等產(chǎn)品,與電子溫度計(jì)一樣,這些新產(chǎn)品雖然安全性更高,但是成本較高、售價(jià)不菲,難以大量普及。如果能夠采用一種新的安全的材料對水銀溫度計(jì)中的有毒汞進(jìn)行替代,則可解決現(xiàn)在的問題。
[0004]鎵基液態(tài)合金為典型的低熔點(diǎn)合金,在室溫狀態(tài)下能夠保持液態(tài),在醫(yī)療器械領(lǐng)域中的水銀替代、尖端制冷領(lǐng)域的關(guān)鍵制冷介質(zhì)等方面具有廣泛的而應(yīng)用。利用鎵基液態(tài)金屬替代水銀作為感溫液制備溫度計(jì)具有數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉和環(huán)保等優(yōu)勢。然而,液態(tài)金屬直接應(yīng)用于溫度計(jì)的制造時(shí)存在一個(gè)非常大的問題:當(dāng)鎵基液態(tài)金屬在制備溫度計(jì)的過程中,其表面易于形成各類不均勻的氧化物導(dǎo)致液態(tài)金屬表面粘附性增強(qiáng),使液態(tài)金屬在制備和使用過程中易鋪展于溫度計(jì)表面、難以按照需求重新配置形狀、幾乎阻止了液態(tài)金屬在溫度計(jì)內(nèi)的自由流動(dòng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明通過對液態(tài)合金表面進(jìn)行附著一層一定厚度的水膜,同時(shí)選擇合適的液態(tài)金屬配方,制備出了一種低表面粘附性的液態(tài)金屬,還提供了一種應(yīng)用該液態(tài)金屬制備溫度計(jì)的工藝。使用該液態(tài)金屬制成的溫度計(jì)不僅流動(dòng)性極佳、能夠有效指示溫度,而且無毒無害、成本低廉,可有效取代水銀溫度計(jì)。
[0006]本發(fā)明中的效果通過以下方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn):
本發(fā)明中提供的低表面粘附性的液態(tài)金屬由最外層水膜、中間氧化層和內(nèi)部液態(tài)合金組成,其中最外層水膜厚度為1_12μπι。
[0007]進(jìn)一步優(yōu)選,外層水膜厚度為1_3μπι。
[0008]應(yīng)用于本發(fā)明中的內(nèi)部液態(tài)合金為鎵基液態(tài)金屬,優(yōu)選其組成及質(zhì)量百分含量為:鎵59-68%、銦 19-25%、錫 10-14%、鉍 0.5-3% ;或者:鎵59-68%、銦19-25%、錫 10-14%、鉍 0.5_3%、銻 0.1-0.5%。
[0009]本發(fā)明中還提供一種制備上述低表面粘附性液態(tài)金屬的方法,包括如下步驟: 步驟一,將去離子水注入干凈的玻璃容器中;
步驟二,再將液態(tài)合金加入至玻璃容器中,液態(tài)合金與去離子水的質(zhì)量比為(120-160):1,水膜在液態(tài)合金液柱和玻璃容器壁之間形成;
步驟三,將步驟二中得到的表面初步形成水膜的液態(tài)合金進(jìn)行加熱,加熱溫度為75-90°C,封閉玻璃容器保溫1-2小時(shí),待表面水膜和液態(tài)合金本體表面之間形成氧化物膜層,SP得所需液態(tài)金屬。該步驟中,加熱溫度優(yōu)選為80-82 °C。
[0010]通過本發(fā)明提供的制備方法制備得到的低表面粘附性的液態(tài)金屬可以取代水銀溫度計(jì)中的水銀作為溫度指示材料。
[0011]鎵基液態(tài)金屬無毒無害,流動(dòng)性佳,然而直接應(yīng)用于溫度計(jì)制造過程中,則會(huì)出現(xiàn)該液態(tài)金屬容易掛壁、流動(dòng)不暢的現(xiàn)象。究其原因,是來自于鎵基液態(tài)金屬本身的特性,鎵基液態(tài)金屬表面能高,在固體表面易鋪展,尤其是玻璃表面,接觸角極小。為了使液態(tài)金屬能夠像汞一樣,擁有良好的流動(dòng)性的同時(shí)降低其表面能,使其與玻璃接觸時(shí)的接觸角提升,本發(fā)明中采用了在液態(tài)金屬表面包覆一層水膜的工藝。液態(tài)金屬與水直接接觸時(shí),水會(huì)自主包覆在液態(tài)金屬表面,本發(fā)明中首先通過控制液態(tài)金屬與去離子水的質(zhì)量比和攪動(dòng)方式,使液態(tài)金屬的表面初步附上一層均勻的水膜,然后,對初步附上水膜的液態(tài)金屬進(jìn)行加熱保溫,使液態(tài)金屬中的鎵與水產(chǎn)生氧化反應(yīng),在液態(tài)金屬本體與表面水膜之間形成一層均勻氧化鎵層。該氧化鎵層性質(zhì)穩(wěn)定、表面能低,與玻璃表面完全不浸潤,而且該氧化鎵層緊密包覆于液態(tài)金屬本體表面,可有效防止在溫度計(jì)的制備過程或者后續(xù)成型的溫度計(jì)的使用過程中液態(tài)金屬本體粘附于溫度計(jì)內(nèi)壁的情況發(fā)生。本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),本發(fā)明中的鎵基液態(tài)金屬在玻璃表面的接觸角一般為12-20°,利用本發(fā)明中的方法制備的低表面粘附性的液態(tài)金屬在玻璃表面的接觸角可增至130-132°,與汞在玻璃表面的接觸角非常接近。
[0012]應(yīng)用本發(fā)明中的低表面粘附性的液態(tài)金屬制備溫度計(jì)的方法如下:
步驟一,取長度為15cm、一端開口另一端為0.12ml空腔的玻璃管作為溫度計(jì)主體,洗凈、干燥,并使用紫外線燈照射10-15分鐘;
步驟二,將玻璃管和裝有液態(tài)金屬的密閉容器置于密閉空間中,將玻璃管開口端插入液態(tài)金屬中,對該密閉空間抽真空至真空度小于10—1Pa;
步驟三,將密閉空間的環(huán)境溫度升至80-90°C,往密閉容器中通入I個(gè)大氣壓的高純氮?dú)?,利用壓力將液態(tài)金屬壓至玻璃管中至填滿,保溫0.5-1小時(shí),然后將環(huán)境溫度降至室溫;步驟四,將裝填完畢的玻璃管從密閉容器中取出,使多余液態(tài)金屬自然溢出,封閉開口端;
步驟五,按照不同溫度下液態(tài)金屬的液面制作并安裝刻度表。
[0013]本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明中的液態(tài)金屬表面粘附性低,不易在玻璃表面鋪展,流動(dòng)性好。
[0014]2、本發(fā)明中的低表面粘附性液態(tài)金屬制備工藝簡單、成本低,適合大規(guī)模推廣使用。
[0015]3、使用本發(fā)明中的低表面粘附性液態(tài)金屬制成的溫度計(jì)安全無毒、使用方法與傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)無差別,可有效取代水銀溫度計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
實(shí)施例
[0016]1、液態(tài)合金的制備
首先制備5種不同成分的液態(tài)合金,成分組成及質(zhì)量百分含量為:
①鎵59.3%、銦24.8%、錫14.0%、鉍 I.9%
②鎵64.3%、銦 20.1%、錫 13.4%、鉍 2.2%
③鎵61.3%、銦23.8%、錫 13.2%、鉍 I.2%、銻0.5%
④鎵62.4%、銦 22.2%、錫 12.4%、鉍 2.6%、銻 0.4%
⑤鎵68.0%、銦 19.1%、錫 10.0%、鉍 2.7%、銻 0.2%
液態(tài)合金的制備工藝為:
步驟一,合金原料選用純度大于99.9%的合金粉末原料,按照配方稱取合金原料;步驟二,將除了鎵以外的合金原料在制備容器中混合均勻,加熱超過200°C以后再倒入金屬鎵,加熱至240 °C,直到原料充分融化混合;
步驟三,將步驟二中的合金原料攪拌均勻后保溫2小時(shí),然后自然冷卻至室溫,即得所需液態(tài)金屬。
[0017]2、低表面粘附性液態(tài)金屬的制備制備方法為:
步驟一,將去離子水注入干凈的玻璃容器中;
步驟二,再將液態(tài)合金加入至玻璃容器中,液態(tài)合金與去離子水的質(zhì)量比為135:1,將混合液沿著同一方向進(jìn)行攪拌,使液態(tài)合金表面與去離子水充分接觸,直至液態(tài)合金表面不與玻璃容器內(nèi)壁進(jìn)行粘附,即初步形成水膜;
步驟三,將步驟二中得到的表面初步形成水膜的液態(tài)合金進(jìn)行加熱,加熱溫度為82°C,封閉玻璃容器保溫I.5小時(shí),待表面水膜和液態(tài)合金本體表面形成氧化物膜層,即得所需液
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[0018]利用上述制備方法得到的液態(tài)金屬表面外層水膜為2μπι。測試實(shí)施例中5種不同配方的液態(tài)金屬在玻璃表面的接觸角,均在130-135°之間,其中配方③、④、⑤接觸角優(yōu)于配方①、②,多次測試可穩(wěn)定在132-135°范圍內(nèi)。故在溫度計(jì)制備工藝中,采用較佳配方⑤進(jìn)行。
[0019]3、利用制得的低表面粘附性液態(tài)金屬制備溫度計(jì)制備方法為:
步驟一,取長度為15cm、一端開口另一端為0.12ml空腔的玻璃管作為溫度計(jì)主體,洗凈、干燥,并使用紫外線燈照射15分鐘;
步驟二,將玻璃管和裝有液態(tài)金屬的密閉容器置于密閉空間中,將玻璃管開口端插入液態(tài)金屬中,對該密閉空間抽真空至真空度小于10—1Pa;
步驟三,將密閉空間的環(huán)境溫度升至85°C,往密閉容器中通入I個(gè)大氣壓的高純氮?dú)猓脡毫⒁簯B(tài)金屬壓至玻璃管中至填滿,保溫0.5小時(shí),然后將環(huán)境溫度降至室溫; 步驟四,將裝填完畢的玻璃管從密閉容器中取出,使多余液態(tài)金屬自然溢出,封閉開口端。在該步驟中也可將裝填完畢的玻璃管置于液態(tài)水中,使多余的液態(tài)金屬自行逸散至水中;
步驟五,按照不同溫度下液態(tài)金屬的液面制作并安裝刻度表。
[0020]由本實(shí)施例中方法制備的液態(tài)金屬溫度計(jì)安全無毒、液態(tài)金屬指示劑流動(dòng)性佳、不粘附玻璃表面,溫度指示效果好,價(jià)格低廉,適合推廣使用。
[0021]最后需要說明的是,以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制,盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換,而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低表面粘附性的液態(tài)金屬,其特征在于:所述液態(tài)金屬由最外層水膜、中間氧化層和內(nèi)部液態(tài)合金組成,其中最外層水膜厚度為1-12μηι。2.如權(quán)利要求1所述低表面粘附性的液態(tài)金屬,其特征在于:外層水膜厚度為1_3μπι。3.如權(quán)利要求1所述低表面粘附性的液態(tài)金屬,其特征在于:所述內(nèi)部液態(tài)合金為鎵基液態(tài)合金。4.如權(quán)利要求3所述低表面粘附性的液態(tài)金屬,其特征在于:所述內(nèi)部液態(tài)合金的組成及質(zhì)量百分含量為:鎵59-68%、銦19-25%、錫10-14%、鉍0.5-3%。5.如權(quán)利要求3所述低表面粘附性的液態(tài)金屬,其特征在于:所述內(nèi)部液態(tài)合金的組成及質(zhì)量百分含量為:鎵59-68%、銦19-25%、錫10-14%、鉍0.5-3%、銻0.1 -0.5%。6.—種制備權(quán)利要求1-5任一所述低表面粘附性液態(tài)金屬的方法,其特征在于包括如下步驟: 步驟一,將去離子水注入干凈的玻璃容器中; 步驟二,再將液態(tài)合金加入至玻璃容器中,液態(tài)合金與去離子水的質(zhì)量比為(120-160):1,水膜在液態(tài)合金液柱和玻璃容器壁之間形成; 步驟三,將步驟二中得到的表面初步形成水膜的液態(tài)合金進(jìn)行加熱,加熱溫度為75-90°C,封閉玻璃容器保溫1-2小時(shí),待表面水膜和液態(tài)合金本體表面之間形成氧化物膜層,SP得所需液態(tài)金屬。7.如權(quán)利要求5所述低表面粘附性液態(tài)金屬的制備方法,其特征在于:步驟三中,加熱溫度為80-82 °C。8.—種如權(quán)利要求1-5任一所述低表面粘附性液態(tài)金屬在溫度計(jì)中的應(yīng)用,其特征在于:所述液態(tài)金屬取代水銀溫度計(jì)中的水銀。9.如權(quán)利要求8所述低表面粘附性液態(tài)金屬在溫度計(jì)中的應(yīng)用,其特征在于溫度計(jì)的制備方法如下: 步驟一,取長度為15cm、一端開口另一端為0.12ml空腔的玻璃管作為溫度計(jì)主體,洗凈、干燥,并使用紫外線燈照射10-15分鐘; 步驟二,將玻璃管和裝有液態(tài)金屬的密閉容器置于密閉空間中,將玻璃管開口端插入液態(tài)金屬中,對該密閉空間抽真空至真空度小于10—1Pa; 步驟三,將密閉空間的環(huán)境溫度升至80-90°C,往密閉容器中通入I個(gè)大氣壓的高純氮?dú)猓脡毫⒁簯B(tài)金屬壓至玻璃管中至填滿,保溫0.5-1小時(shí),然后將環(huán)境溫度降至室溫; 步驟四,將裝填完畢的玻璃管從密閉容器中取出,使多余液態(tài)金屬自然溢出,封閉開口端; 步驟五,按照不同溫度下液態(tài)金屬的液面制作并安裝刻度表。
【文檔編號】C22C28/00GK105973489SQ201610578101
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】楚盛
【申請人】深圳市大材液態(tài)金屬科技有限公司