CN111056758A - 基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大体积混凝土温控防裂技术领域的基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法，旨在解决现有技术中利用水作为传热介质对大体积混凝土进行温控防裂处理时，由于水的导热系数较低，影响了其温控防裂效率的技术问题。所述大体积混凝土导热流体，其组分包括MXene、分散剂、溶剂水。

Description

基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法，属于大体积混凝土温控防裂技术领域。
背景技术
大体积混凝土在施工过程中，水泥水化作用时产生较多热量，使得混凝土内部温度急剧升高。由于混凝土导热系数较低，使得混凝土结构内外温差较大；加之混凝土内部与外部结构的约束条件限制，该较大温差导致混凝土内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土结构将产生较多的温度裂缝，从而对混凝土结构的承载力、防水以及使用寿命等都产生重大影响，为此，大体积混凝土在施工过程中需要采用温控防裂措施。
目前，大体积混凝土温控防裂措施主要是通过降低绝热温升，减小温差，从而控制温度裂缝的产生，主要措施分别从配合比设计以及施工控制两个方面进行。配合比设计主要包括：(1)优选水泥品种，如采用中低热水泥等；(2)掺加外加剂，如缓凝剂等；(3)使用优质矿物掺合料，如矿渣、粉煤灰等。施工控制主要包括：(1)控制混凝土入仓温度，如加冰，预冷骨料等；(2)分层浇筑，控制混凝土的浇筑质量；(3)预埋冷却水管，控制温升；(4)对混凝土内部温度及应力进行实时监测。这其中，大体积混凝土中布置冷却水管是一种非常重要且效率很高的温控防裂措施。
传统的大体积混凝土冷却水管中使用的传热介质为水，水由于具有比热容大、可泵性好等优点，将其作为传导介质在工程实践中应用较为广泛。但由于水的导热系数较低，影响了温控防裂效率。因此，急需一种具有更高传热效率，且同时保持良好泵送性能的新型导热流体。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法，以解决现有技术中利用水作为传热介质对大体积混凝土进行温控防裂处理时，由于水的导热系数较低，影响了其温控防裂效率的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于MXene的大体积混凝土导热流体，其组分包括MXene、分散剂、溶剂水。
优选地，MXene或/和分散剂的质量百分比含量为0.01～1％。
优选地，所述分散剂包括SDBS、SDS、CTAB中的至少任一项。
优选地，MXene的质量百分比含量为1％，CTAB的质量百分比含量为1％。
优选地，所述MXene包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx中的至少任一项，其中，Tx为－OH官能团或/和－F官能团。
优选地，所述溶剂水为去离子水。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于MXene的大体积混凝土导热流体的制备方法，所述方法按本发明提供的一种基于MXene的大体积混凝土导热流体进行组分控制，所述方法包括如下步骤：
对混合的MXene、分散剂和溶剂水进行搅拌；
对搅拌后的MXene、分散剂和溶剂水进行超声分散。
优选地，对混合的MXene、分散剂和溶剂水进行搅拌，包括：
对混合的MXene、分散剂和溶剂水以400～600rpm的速率搅拌不少于30min。
优选地，所述超声分散的时长不少于60min。
优选地，对制备而成的大体积混凝土导热流体通氩气保护。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)MXene材料是一类只有单个或几个原子厚度的二维过渡金属碳化物或氮化物晶体，MXene具有较高的导热系数，它的导热率比大多数金属和半导体低维材料更高。因此将MXene加入到水中将有助于提高水的导热系数。MXene种类很多，且都具有较高的导热系数，将其与水溶液混合制得的导热流体都具有较高的导热系数，大大地增加了制备导热流体时所选择的介质种类。
(2)与石墨烯高疏水性不同，MXene表面上的终止基团(－F、＝O和－OH)提供了很高的亲水性，因此MXene能够较容易地分散在水中。分散剂的使用可以使得MXene更好地均匀分散在水中，并可以长期稳定的存在。
(3)导热流体在制备时采用机械搅拌混合均匀后，又采用超声分散，利用超声波作用于介质液体时的空化作用，使得液体中局部产生高温高压，并产生巨大的冲击力和微射流，纳米颗粒在其作用下，表面能被削弱，从而实现对纳米颗粒的进一步分散作用，使得导热流体具有更好的泵送性。
(4)MXene导热流体制备后保存在储存皿中并通氩气保护，氩气为惰性气体，不易参加化学反应，因此能够防止MXene导热流体被氧化，可有效延长MXene导热流体的保质期。
(5)本发明制备工艺简单，操作方便，分散性好，在大体积混凝土温控防裂方面能够得到广泛应用。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明具体实施方式提供了一种基于MXene的大体积混凝土导热流体及其制备方法，所述导热流体及其制备方法具体如下：
实施例1
将0.05g Ti3C2Tx加入到49.95g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为0.1％，水的质量百分比含量为99.9％。
实施例2
将0.25g Ti3C2Tx加入到49.75g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为0.5％，水的质量百分比含量为99.5％。
实施例3
将0.5g Ti3C2Tx加入到49.5g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为1％，水的质量百分比含量为99％。
实施例4
将0.05g Ti3C2Tx与0.5gSDBS加入到49.45g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为0.1％，SDBS的质量百分比含量1％，水的质量百分比含量为98.9％。
实施例5
将0.25g Ti3C2Tx与0.5gSDBS加入到49.25g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为0.5％，SDBS的质量百分比含量1％，水的质量百分比含量为98.5％。
实施例6
将0.5g Ti3C2Tx与0.5gSDBS加入到49g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为1％，SDBS的质量百分比含量1％，水的质量百分比含量为98％。
实施例7
将0.5g Ti3C2Tx与0.5gCTAB加入到49g水中，以600rpm的搅拌速率搅拌30min混合均匀后，再经超声分散60min，即可获得分散均匀且稳定的MXene导热流体。该MXene导热流体中，MXene的质量百分比含量为1％，CTAB的质量百分比含量1％，水的质量百分比含量为98％。
下面，对上述七种MXene导热流体的分散效果和导热效果进行对比，其中，表1为分散剂SDBS对MXene导热流体的分散效果，表2为分散剂SDBS和CTAB对MXene导热流体的分散效果，表3为不同成分MXene导热流体的导热系数。
表1：SDBS对MXene导热流体的分散效果
Figure BDA0002312507810000051
从表1中可以看出，刚制备出的MXene导热流体在未掺分散剂和掺加分散剂的情况下都具有良好的分散效果，但经2小时静置后，没有掺分散剂的MXene导热流体已经分层，MXene材料沉积到试管底部，而掺加1％分散剂SDBS的MXene导热流体，其分散性优于未参加分散剂的MXene导热流体，尤其当MXene掺量为0.5％，分散剂SDBS掺量为1％时，经2小时静置后，其分散性依然良好。
表2：SDBS和CTAB对MXene导热流体的分散效果
Figure BDA0002312507810000052
从表2中可以看出，经2小时静置后，未掺分散剂的MXene导热流体已出现明显的分层现象，MXene材料沉积在试管底部。而掺入分散剂SDBS和分散剂CTAB的MXene导热流体都比未掺分散剂的分散性好。经120小时静置后，掺入分散剂SDBS的MXene导热流体已出现明显的分层现象，MXene材料沉积在试管底部。而掺入分散剂CTAB的MXene导热流体依然保持较好的分散性。因此在较短时间内SDBS和CTAB都具有较好的分散性，而CTAB比SDBS具有更好的长期分散效果。
从表1和表2中可以看出，使用分散剂后MXene导热流体中MXene颗粒分散均匀，粘度低，流动性好，具有良好的泵送性，使其能够在大体积混凝土温控防裂中具有较好的应用。
表3：不同成分MXene导热流体的导热系数
导热流体成分 导热系数(W/m·K) 增长率
纯水 0.599 ---
0.1％MXene+1％SDBS 0.681 13.7％
0.5％MXene+1％SDBS 0.707 18.0％
1％MXene+1％SDBS 0.715 19.4％
1％MXene+1％CTAB 0.716 19.5％
从表3中可以看出，随着MXene掺量的增加，MXene导热流体的导热系数逐渐增大，当掺加分散剂为SDBS，MXene掺量分别为0.1％、0.5％、1％时，其导热系数分别为0.681W/(m·K)、0.707W/(m·K)、0.715W/(m·K)，与不掺MXene的纯水的导热系数0.599W/(m·K)相比，其导热系数分别增大13.7％、18.0％、19.4％，由此可见，掺加MXene可以明显增大导热流体的导热系数。因此，MXene导热流体能够有效提高大体积混凝土的传热效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，其组分包括MXene、分散剂、溶剂水。
2.根据权利要求1所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，MXene或/和分散剂的质量百分比含量为0.01～1％。
3.根据权利要求2所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，所述分散剂包括SDBS、SDS、CTAB中的至少任一项。
4.根据权利要求3所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，MXene的质量百分比含量为1％，CTAB的质量百分比含量为1％。
5.根据权利要求1所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，所述MXene包括Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx中的至少任一项，其中，Tx为－OH官能团或/和－F官能团。
6.根据权利要求1所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体，其特征是，所述溶剂水为去离子水。
7.一种基于MXene的大体积混凝土导热流体的制备方法，其特征是，所述方法按权利要求1至6中任一项所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体进行组分控制，所述方法包括如下步骤：
对混合的MXene、分散剂和溶剂水进行搅拌；
对搅拌后的MXene、分散剂和溶剂水进行超声分散。
8.根据权利要求7所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体的制备方法，其特征是，对混合的MXene、分散剂和溶剂水进行搅拌，包括：
对混合的MXene、分散剂和溶剂水以400～600rpm的速率搅拌不少于30min。
9.根据权利要求7所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体的制备方法，其特征是，所述超声分散的时长不少于60min。
10.根据权利要求7所述的基于MXene的大体积混凝土导热流体的制备方法，其特征是，对制备而成的大体积混凝土导热流体通氩气保护。
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