CN103045180B - 一种低电导率纳米流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低电导率纳米流体及其制备方法，属于电力电子设备冷却领域。本发明纳米流体的电导率小于1μs/cm，按质量百分数，纳米流体包含如下组分：超纯水40.0～99.0%，二元醇0.0～60.0%，纳米粉体0.1～10.0%，分散剂0.01～3.0%。其制备方法是，将煅烧后的纳米粉体分散于超纯水中，去除带电的杂质离子后，在纳米颗粒表面包覆分散剂，再去除杂质离子后获得低电导率的纳米流体。与传统冷却液相比，本发明纳米流体换热能力高，技术优势显著。
Description
技术领域：
本发明涉及一种低电导率纳米流体及其制备方法，属于电力电子设备冷却领域。
背景技术：
随着电力电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器件被大量研制和应用。电力电子设备在功率增加的同时，其热耗也在增加，有些电力电子器件工作时的表面热流密度已达数十瓦乃至上百瓦每平方厘米。大量的热耗如果不能及时散发出去，将极大地影响电子设备的可靠性。因此,如何有效地将电力电子设备中的余热排放出来,从而延长其寿命、增强可靠性,具有十分重要的意义。目前，电力电子设备常用的冷却方式主要有自然风冷、强迫风冷和强迫液冷三大类。其中，自然风冷和强迫风冷的冷却能力有限，往往只能用于热流密度较低的场合；液体冷却承受的热流密度大，散热效率高，热负载温度梯度小，适合热流密度较高的场合。液体冷却采用的冷却液主要有水、乙二醇、油等，但是，这些液体其导热系数低、换热能力差，己经不能满足高负荷电力电子设备的散热要求，有必要开发新型、高效换热的冷却液。纳米流体技术的出现，为发动机冷却***的发展提供了新的思路。纳米流体是把金属或非金属纳米颗粒稳定悬浮到传统流体(水，乙二醇等)中形成的一种新型换热工质。已有的研究表明，与传统流体相比，纳米流体具有更高的导热系数和优良的换热性能，因而纳米流体有望解决电力电子设备高负荷的散热要求。
众所周知，多数的电力电子设备在运行中往往存在较高的电场，有的高达几千伏、几万伏甚至几十万伏。而纳米颗粒表面有断键，颗粒表面通常带有电荷。在电场中，纳米流体中的纳米颗粒极易与电极产生静电作用，从而产生吸附和沉积，导致换热效率降低甚至冷却失效。因此，要把纳米流体应用于电力电子设备的冷却，如何消除纳米颗粒的表面电荷、降低纳米流体的电导率，制备出能在电场下稳定且换热性能优良的纳米流体是关键。目前报道的能够大批量制备纳米流体的方法主要有分散法和湿化学法。分散法是通过改变体系的pH值、加入阳离子或阴离子分散剂等，并辅以超声或机械搅拌把纳米粉体分散到基础液体中形成纳米流体。如朱冬生等通过改变pH值并加入阴离子分散剂十二烷基苯磺酸钠制备了Al2O3/水纳米流体(材料科学与工程，2008，1，56-61)；彭小飞等利用阴离子分散剂十二烷基苯磺酸钠，并辅以超声分散，把纳米Al2O3、纳米CuO、纳米SiO2、纳米Cu等粉体分散到蒸馏水、乙二醇、丙二醇中获得了多种纳米流体(彭小飞，车用散热器中纳米流体高温传热基础问题研究，浙江大学博士学位论文，2007)。改变pH值、加入阳离子或阴离子分散剂的目的是提高纳米颗粒表面的zeta电位，从而提高纳米流体的常规稳定性。但是，zeta电位的提高，会导致纳米流体电导率的增加，因而这样制备的纳米流体无法用于有电场存在的电力电子设备的冷却。湿化学法是利用液相中的化学反应直接在液相介质中制备纳米颗粒，从而获得纳米流体，该方法把纳米颗粒的制备与纳米流体的制备结合在一起。例如，Zhu等在硫酸铜的乙二醇溶液中加入还原剂，采用微波加热直接获得Cu/乙二醇纳米流体(J.Colloid Interf.Sci.2004,277,100)；Zhu等把氢氧化铜纳米颗粒分散到水中，采用柠檬酸铵为分散剂，通过超声和微波加热使氢氧化铜分解为氧化铜，从而获得CuO/水纳米流体(J.Phys.Chem.C 2007,111,1646-1650)。采用湿化学法制备的纳米流体中，由于存在原料引入的杂质离子，其电导率较高，在电场下无法稳定，也就无法满足电力电子设备冷却的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低电导率纳米流体及其制备方法，能够满足有电场存在的电力电子设备冷却的要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术措施：
本发明低电导率纳米流体，其电导率小于1μs/cm，按质量百分数，纳米流体包含如下组分：超纯水40.0～99.0％，二元醇0.0～60.0％，纳米粉体0.1～10.0％，分散剂0.01～3.0％。
其中，所述的超纯水的电阻率大于15MΩ·cm。所述的纳米粉体为纳米氧化硅、纳米碳化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米氧化铜、纳米二氧化钛中的任意一种或任意组合；纳米粉体的粒径为10～100nm。所述的分散剂为聚氧乙烯型非离子分散剂、多元醇型非离子分散剂、烷基醇酰胺型非离子分散剂中的任意一种或其任意组合；按质量百分数，分散剂的加入量为纳米颗粒的1～30％。所述的二元醇为乙二醇、丙二醇、二乙二醇中的任意一种或任意组合。
本发明低电导率纳米流体的制备方法，包含如下连续步骤：
(1)将纳米粉体进行煅烧处理；
(2)按质量计，将1份煅烧处理后的纳米粉体与5～30份超纯水混合，超声或强力机械搅拌0.5～12小时，得到分散均匀的悬浮液；
(3)把所得的悬浮液通过离子交换树脂，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
(4)向低电导率的悬浮液中加入分散剂，搅拌1～24小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
(5)包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过离子交换树脂，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
(6)向步骤(5)的悬浮液中加入超纯水或二元醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率小于1μs/cm。
其中，所述的纳米粉体的煅烧处理温度为300～600℃。所述的离子交换树脂为氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂；氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂的质量比为1：0.5～3。
在本发明的制备过程中，通过对纳米粉体在一定的温度和气氛中煅烧，以消除纳米颗粒表面缺陷和吸附杂质，从而降低纳米颗粒表面电荷；利用离子交换树脂对带电杂质离子的吸附作用，去除杂质离子，从而进一步降低纳米流体的电导率；利用特定分散剂的分散作用，可提高纳米颗粒在纳米流体中的分散稳定性，同时进一步降低纳米流体的电导率。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
1、本发明纳米流体的电导率小于1μs/cm，在电场中能够稳定存在，不吸附、不沉积，能够用于电力电子设备的冷却；
2、与传统冷却液相比，其换热能力提高5～30％，从而具有明显的技术优势。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
将粒径50纳米的纳米氧化铝在600℃、H2气氛下煅烧处理3h；
冷却到室温后，取1公斤纳米氧化铝与10公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散12小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：2)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入100克聚氧乙烯型非离子分散剂，搅拌4小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入10公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.1～0.5μs/cm；
与纯水相比，其换热能力提高25％。
实施例2
将粒径40纳米的纳米碳化硅在450℃、氧气气氛下煅烧处理1h；
冷却到室温后，取1公斤纳米碳化硅与20公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散6小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入300克烷基醇酰胺型非离子分散剂，搅拌12小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：0.8)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入10公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水和10公斤乙二醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.05～0.3μs/cm；
与同等比例的水/乙二醇基础液相比，其换热能力提高30％。
实施例3
将粒径20纳米的纳米二氧化钛在300℃、氮气气氛下煅烧处理6h；
冷却到室温后，取1公斤纳米二氧化钛与30公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散6小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入100克多元醇型非离子分散剂，搅拌3小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入15公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水和15公斤丙二醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.1～0.8μs/cm；
与同等比例的水/丙二醇基础液相比，其换热能力提高10％。
实施例4
将粒径60纳米的纳米氧化锌在500℃、氧气气氛下煅烧处理2h；
冷却到室温后，取1公斤纳米氧化锌与25公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散12小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：3)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入300克聚氧乙烯型非离子分散剂，搅拌6小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：2)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入10公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水和15公斤二乙二醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.3～0.8μs/cm；
与同等比例的水/二乙二醇基础液相比，其换热能力提高12％。
实施例5
将粒径30纳米的纳米氧化硅在600℃、氧气气氛下煅烧处理6h；
冷却到室温后，取1公斤纳米氧化硅与30公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散12小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1.5)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入300克多元醇型非离子分散剂，搅拌6小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1.2)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入20公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水和30公斤乙二醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.3～0.8μs/cm；
与同等比例的水/乙二醇基础液相比，其换热能力提高8％。
实施例6
将粒径60纳米的纳米氧化铜在350℃、氮气气氛下煅烧处理1h；
冷却到室温后，取1公斤纳米氧化铜与10公斤电阻率为16MΩ·cm的超纯水混合，超声分散3小时，得到分散均匀的悬浮液；
把所得的悬浮液通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：0.8)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
向低电导率的悬浮液中加入50克烷基醇酰胺型非离子分散剂，搅拌2小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂(二者的质量比为1：1)，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
向上述悬浮液中加入10公斤电阻率为17MΩ·cm的超纯水，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率为0.05～0.5μs/cm；
与纯水相比，其换热能力提高15％。
Claims (7)
1.一种低电导率纳米流体，其特征在于，纳米流体的电导率小于1μs/cm，按质量百分数，纳米流体包含如下组分：超纯水40.0～99.0％，二元醇0.0～60.0％，在一定的温度和气氛中煅烧处理后的纳米粉体0.1～10.0％，分散剂0.01～3.0％；所述的纳米粉体为纳米氧化硅、纳米碳化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米氧化铜、纳米二氧化钛中的任意一种或任意组合；
所述煅烧处理的温度为300～600℃；
所述的纳米氧化硅、纳米碳化硅、纳米氧化锌煅烧处理的气氛为氧气；
所述的纳米氧化铜、纳米二氧化钛煅烧处理的气氛为氮气；
所述的纳米氧化铝煅烧处理的气氛为氢气。
2.如权利要求1所述的低电导率纳米流体，其特征在于：所述的超纯水的电阻率大于15MΩ·cm。
3.如权利要求1所述的低电导率纳米流体，其特征在于：所述的纳米粉体的粒径为10～100nm。
4.如权利要求1所述的低电导率纳米流体，其特征在于：所述的分散剂为聚氧乙烯型非离子分散剂、多元醇型非离子分散剂、烷基醇酰胺型非离子分散剂中的任意一种或其任意组合；按质量百分数，分散剂的加入量为纳米颗粒的1～30％。
5.如权利要求1所述的低电导率纳米流体，其特征在于：所述的二元醇为乙二醇、丙二醇、二乙二醇中的任意一种或任意组合。
6.如权利要求1所述的低电导率纳米流体的制备方法，其特征在于：该方法包含如下连续步骤：
(1)将纳米粉体在一定的温度和气氛中进行煅烧处理；所述的纳米粉体为纳米氧化硅、纳米碳化硅、纳米氧化铝、纳米氧化锌、纳米氧化铜、纳米二氧化钛中的任意一种或任意组合；
所述煅烧处理的温度为300～600℃；
所述的纳米氧化硅、纳米碳化硅、纳米氧化锌煅烧处理的气氛为氧气；
所述的纳米氧化铜、纳米二氧化钛煅烧处理的气氛为氮气；
所述的纳米氧化铝煅烧处理的气氛为氢气；
(2)按质量计，将1份煅烧处理后的纳米粉体与5～30份超纯水混合，超声或强力机械搅拌0.5～12小时，得到分散均匀的悬浮液；
(3)把所得的悬浮液通过离子交换树脂，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于5μs/cm；
(4)向低电导率的悬浮液中加入分散剂，搅拌1～24小时，使分散剂均匀包覆在纳米颗粒表面；
(5)包覆后的纳米颗粒悬浮液再次通过离子交换树脂，去除带电的杂质离子，使悬浮液的电导率小于1μs/cm；
(6)向步骤(5)的悬浮液中加入超纯水或二元醇，混合均匀获得低电导率的纳米流体，其电导率小于1μs/cm。
7.如权利要求6所述的低电导率纳米流体制备方法，其特征在于：所述的离子交换树脂为氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂混合组成的混床离子交换树脂；氢型阳离子交换树脂与氢氧根型阴离子交换树脂的质量比为1：0.5～3。
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