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(guò)對(duì)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(wú)毒無(wú)害、成本低廉，可有效取代水銀溫度計(jì)。
【專利說(shuō)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(guò)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(cè)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(lái)自于其主要的溫度指示材料一一汞，汞對(duì)人體有劇毒和危害，屬于?；?，由于汞的蒸汽壓非常低，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(méi)有毒性，但是電子溫度計(jì)的原理是通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料在不同溫度下的電阻來(lái)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(duì)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(wèn)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(shì)。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(wèn)題:當(dāng)鎵基液態(tài)金屬在制備溫度計(jì)的過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)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(wú)毒無(wú)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(guò)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(guò)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(wú)毒無(wú)害，流動(dòng)性佳，然而直接應(yīng)用于溫度計(jì)制造過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(rùn)，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(guò)程或者后續(xù)成型的溫度計(jì)的使用過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)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(wú)毒、使用方法與傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)無(wú)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(guò)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(duì)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)?，利用壓力將液態(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(wú)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(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)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(zhǎng)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(duì)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。
【文檔編號(hào)】C22C28/00GK105973489SQ201610578101
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月21日
【發(fā)明人】楚盛
【申請(qǐng)人】深圳市大材液態(tài)金屬科技有限公司