CN103555283A

CN103555283A - 一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质及其制备方法

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Publication number: CN103555283A
Application number: CN201310487256.5A
Authority: CN
Inventors: 李华; 张跃进; 任树来
Original assignee: JIANGSU FULAIER TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; ZHENJIANG CITY FLIER REFRIGERATION ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGSU FULAIER TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; ZHENJIANG CITY FLIER REFRIGERATION ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明提供了一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，以重量组分计包括：一维纳米碳材料1份～5份，二维纳米碳材料1份～5份，液体介质85份～98份。本发明的制备方法是将一维纳米碳材料和二维纳米碳材料加入液相介质中，用超声分散或/和剪切分散处理，即得到所述冷却工质。本发明的含混杂维度纳米碳材料的冷却工质热导率高，纳米材料用量少，体系稳定。

Description

一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质及其制备方法

技术领域

本发明属于冷却工质技术领域，具体涉及一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，在能源动力、石油、冶金、化工、航空航天、微电子、信息、建筑等工业及民用领域对热交换***的传热负荷和传热强度要求也日益增加，而同时热交换设备的结构尺寸及使用环境限制也日益苛刻，因而对强化传热技术的要求也越来越高。

高导热系数的高效传热工质是高效传热技术的重要突破点，而纳米材料与技术给固体颗粒强化流体传热提供了新的发展动力。一些金属与无机纳米颗粒由于具有较高的导热系数和良好的流体跟随性能，将其应用于强化传热，有可能明显地提高传热效果，以适应传热设备单位面积传热功率愈来愈高的趋势需求。

CN1115372C公开了一种纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法，将体积比为1~10％的Al、Cu、Al2O3、CuO等纳米粒子、89.5~98.8％的液体工质直接共混，然后添加0.2~0.5％的分散剂，进行超声振动，制得悬浮稳定的纳米流体高效传热冷却工质。添加纳米粒子后，混合冷却工质液体导热系数上升了2.8~61%。

CN1316239C公开了一种含有直径在100nm以下的Cu、Ni、Al₂O₃纳米粒子的纳米制冷剂及其气液两相传热压降性能实验装置。

CN101434833B公开了一种纳米制冷剂水合物相变蓄冷工质及其制备方法，制备了含纳米级R141b液相胶团的相变蓄冷工质乳液，通过使水相和制冷剂相在微观上均匀混合而增大两相扩散界面。

上述文献中应用金属或无机的纳米粒子或者制冷剂的液相胶团提高冷却工质的热导率，强化流体传热。在应用金属或无机的纳米粒子的纳米冷却工质的制备中，纳米粒子的分散是是最大的技术难点之一。由于高表面活性，纳米粒子极易团聚，如果无法对纳米粒子进行有效分散使之在冷却工质中有效悬浮、稳定分散，则纳米粒子对传热的强化作用往往会大受削弱。同时，上述文献中均应用了等轴状的0维纳米粒子，受限于维度特性，冷却工质中往往需添加较多体积含量的纳米粒子，才可保证有效传热。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质及其制备方法，该含混杂维度纳米碳材料的冷却工质热导率高，纳米材料用量少，体系稳定。

一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，以重量组分计包括：一维纳米碳材料1份～5份，二维纳米碳材料1份～5份，液体介质85份～98份。

上述一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，以重量组分计还包括分散剂1份～5份。

其中，所述的分散剂可以是十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、氯化苯甲烃铵、十二烷基双（氨乙基）-甘氨酸盐酸盐、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯或硬脂酸甘油酯中的一种。

上述一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质中，所述一维纳米碳材料为碳纳米管或纳米碳纤维中的一种或两种，所述二维纳米碳材料为石墨烯。

上述一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质中，所述液体介质为水或有机冷却工质。

其中，所述有机冷却工质可以是异二氟乙烷（R152a）、六氟二氯环丁烷（RC316）或乙烯（R1150）中的一种。

上述含混杂维度纳米碳材料的冷却工质的制备方法，是将一维纳米碳材料和二维纳米碳材料加入液相介质中，用超声分散或/和剪切分散处理，即得到所述冷却工质。

超声分散的频率为20～25KHz，功率为0.3～5kW，时间为1min～60min。

剪切分散的速度为500r/min～3000r/min，时间为1min～60min。

上述含混杂维度纳米碳材料的冷却工质的制备方法中，还可以在液相介质中加入分散剂1份～5份。

石墨烯是一种常温存在的二维原子晶体，其碳原子间以sp²杂化键合构成六元环点阵。碳纳米管的基本结构单元也是碳原子的六元环点阵，从结构上可视为石墨烯的片层卷曲形成的无缝管状结构，由单层石墨烯构成的管状结构为单壁碳纳米管（SWNT），而由多个不同直径的同轴管嵌套而成的称为多壁碳纳米管（MWNT）。而纳米碳纤维则为非中空的实心纤维，由纳米尺度的石墨层在空间按照一定的方式堆积而成，其纤维直径也在纳米级。石墨烯、碳纳米管和纳米碳纤维保持了碳材料的强共价键、大π键特性，同时具有纳米材料的量子效应、小尺寸效应和表面界面效应，还由于特殊的拓扑构型而具有大尺度碳材料所不具备的特殊性能，它们具有超高比强度、比模量，超高热导率和低电阻率，以及巨大比表面，因而在众多领域具有广阔的应用前景。

碳纳米管的热导率在1100~7000W/m∙K之间，石墨烯的热导率在600~5000W/m∙K间，CNF的热导率为1950 W/m∙K，远远高于Ni（88W/m∙K）、Al（237W/m∙K）、Cu（401W/m∙K）、CuO（78W/m∙K）、Al₂O₃（10W/m∙K）。因此，将石墨烯、碳纳米管和纳米碳纤维应用于冷却工质中的，可获得超过纳米金属与纳米氧化物的热导率。

同时，在冷却工质中同时应用一维的碳纳米管或/和碳纤维，与二维的石墨烯，利用不同维度的纳米材料之间互为空间位阻的“互分散”效应（如附图1所示），在冷却工质中建立分散、稳定的热传递网络。可有效、简便解决纳米材料在应用中的分散难题，充分发挥碳纳米材料的高热导率特性。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：第一，碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维的热导率远超常规金属、氧化物纳米粒子，有利于获得具更高热导率的冷却工质；第二，碳纳米管/纳米碳纤维与石墨烯在拓扑构型上的特性与差异，其互为团聚空间位阻，可建立起纳米材料的稳定分散体系。

附图说明

图1为碳纳米管、纳米碳纤维的“缠结”团聚形态；

图2为石墨烯的“层叠”团聚形态；

图3为一维/二维纳米碳材料复合分散体系。

具体实施方式

实施例1

按重量份计，将1份直径10～30nm、长度1～100μm的多壁碳纳米管与5份1～6层，直径200~300nm的布袋型石墨烯加入85份去离子水中，用不锈钢粉碎刀高速分散器以500r/min的速度剪切分散60min，后用频率20KHz 、功率300W、容积3L的超声分散器超声分散60min，获得纳米复合冷却工质，用热线法测试其热导率比去离子水增加112%。该纳米复合冷却工质置于试管中，10d未出现沉淀或分层。

实施例2

按重量份计，将2份直径20～40nm、长度40～400μm的多壁碳纳米管与3份1～10层，直径400～600nm的石墨烯微片加入89份R152a冷却工质中，用不锈钢粉碎刀高速分散器以1200r/min的速度剪切分散30min，后用频率22KHz 、功率1000W、容积3L的超声分散器超声分散45min，获得纳米复合冷却工质，用热线法测试其热导率比去R152a增加32%。该纳米复合冷却工质置于试管中，10d未出现沉淀或分层。

实施例3

按重量份计，将2份直径<2nm、长度5～15μm的单壁碳纳米管，2份直径100～200nm、长度10～50μm的纳米碳纤维与5份厚度0.8～1.2μm（单层率>80%），直径0.5～2μm的石墨烯微片加入93份去离子水中，再加入体积比为0.5vol%的分散剂吐温，用不锈钢粉碎刀高速分散器以2000r/min的速度剪切分散20min，后用频率25KHz、功率2000W、容积3L的超声分散器超声分散10min，获得纳米复合冷却工质。用热线法测试其热导率比去离子水增加103%。该纳米复合冷却工质置于试管中，30d未出现沉淀或分层。

实施例4

按重量份计，将1份直径100～200nm、长度10～50μm的纳米碳纤维与5份1～6层，直径200～300nm的布袋型石墨烯加入至144份100号机油中，用不锈钢粉碎刀高速分散器以3000r/min的速度剪切分散20min，获得纳米复合冷却工质，用热线法测试其热导率比去机油增加48%。该纳米复合冷却工质置于试管中，30d未出现沉淀或分层。

实施例5

按重量份计，将5份直径20～40nm、长度40～400μm的多壁碳纳米管与5份1～10层，直径400～600nm的石墨烯微片加入95份RC316冷却工质中，用不锈钢粉碎刀高速分散器以3000r/min的速度剪切分散1min，后用频率25KHz 、功率5000W、容积3L的超声分散器超声分散1min，获得纳米复合冷却工质，用热线法测试其热导率比去RC316增加45%。该纳米复合冷却工质置于试管中，20d未出现沉淀或分层。

实施例6

按重量份计，将2份直径<1nm、长度3～10μm的单壁碳纳米管，3份直径100～200nm、长度10～50μm的纳米碳纤维与4份厚度0.8～1.2μm（单层率>80%）、直径0.5～2μm的石墨烯微片加入90份去离子水中，再加入体积比为0.2vol%的十二烷基硫酸钠，用不锈钢粉碎刀高速分散器以1000r/min的速度剪切分散10min，后用频率20KHz、功率3000W、容积3L的超声分散器超声分散20min，获得纳米复合冷却工质。用热线法测试其热导率比去离子水增加95%。该纳米复合冷却工质置于试管中，30d未出现沉淀或分层。

Claims

1.一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：以重量组分计包括：一维纳米碳材料1份～5份，二维纳米碳材料1份～5份，液体介质85份～98份。

2.根据权利要求1所述的一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：以重量组分计还包括分散剂1份～5份。

3.根据权利要求2所述的一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、氯化苯甲烃铵、十二烷基双（氨乙基）-甘氨酸盐酸盐、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇脂肪酸酯或硬脂酸甘油酯中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：所述一维纳米碳材料为碳纳米管或纳米碳纤维中的一种或两种，所述二维纳米碳材料为石墨烯。

5.根据权利要求1或2所述的一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：所述液体介质为水或有机冷却工质。

6.根据权利要求5所述的一种含混杂维度纳米碳材料的冷却工质，其特征在于：所述有机冷却工质是异二氟乙烷、六氟二氯环丁烷或乙烯中的一种。

7.权利要求1所述的含混杂维度纳米碳材料的冷却工质的制备方法，其特征在于：将一维纳米碳材料和二维纳米碳材料加入液相介质中，用超声分散或/和剪切分散处理，即得到所述冷却工质。

8.根据权利要求7所述的含混杂维度纳米碳材料的冷却工质的制备方法，其特征在于：所述超声分散处理的频率为20～25KHz，功率为0.3～5kW，时间为1min～60min；所述剪切分散处理的速度为500r/min～3000r/min，时间为1min～60min。

9.根据权利要求7所述的含混杂维度纳米碳材料的冷却工质的制备方法，其特征在于：还在液相介质中加入分散剂1份～5份。