CN111073611A - 一种MXene/石墨烯复合导热流体及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MXene/石墨烯复合导热流体及制备方法与应用，该导热流体由0.01％～1％的MXene/石墨烯、0.01％～1％的分散剂、98％～99.8％的水组成，其中MXene/石墨烯材料中MXene与石墨烯的质量比为0.1:1～1:1。该导热流体的制备方法包括以下步骤：(1)将MXene、石墨烯、分散剂加入水中搅拌均匀；(2)将混合均匀的原料进行超声分散，得到MXene/石墨烯导热流体。该导热流体作为大体积混凝土温控防裂的导热介质。该导热流体导热系数高达0.754W/m·K，导热系数相较于水增长了25.9％。

Description

一种MXene/石墨烯复合导热流体及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种导热流体及制备方法与应用，更具体地，涉及一种MXene/ 石墨烯复合导热流体及制备方法与应用。
背景技术
大体积混凝土在施工期由于水泥水化作用而产生较多的热量，使得混凝土内部温度急剧升高，由于混凝土的导热系数较低，因此使得混凝土结构内外温差较大，又由于混凝土内部与外部结构的约束条件限制，温差将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时，将使混凝土结构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产生重大影响，因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，主要的措施为在混凝土中布置冷却水管，传统混凝土冷却水管中使用的传热介质为水，但是水的导热系数较低，使得水作为冷却液时传热效率较低，影响了温控防裂效率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种导热性能好的MXene/石墨烯复合导热流体；本发明的另一目的是提供该导热流体的制备方法；本发明的另一目的是提供该导热流体在大体积混凝土温控防裂中作为导热介质的应用。
技术方案：本发明所述一种MXene/石墨烯复合导热流体，由0.01％～1％的MXene/石墨烯、0.01％～1％的分散剂、98％～99.8％的水组成，其中MXene/石墨烯材料中MXene与石墨烯的质量比为0.1:1～1:1。
其中，MXene/石墨烯复合导热流体由0.5％～1％的MXene/石墨烯、0.5％～1％的分散剂、98％～99％的水组成，其中MXene/石墨烯材料中MXene与石墨烯的质量比为0.5:1～1:1。
其中，MXene材料为Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx中的一种，Tx为 -OH官能团、-F官能团中的至少一种；分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。
本发明所述的MXene/石墨烯复合导热流体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MXene、石墨烯、分散剂加入水中搅拌均匀；
(2)将混合均匀的原料进行超声分散，得到MXene/石墨烯导热流体。
其中，步骤1中将MXene、石墨烯、分散剂和水利用磁力搅拌机以400～600rpm的速率搅拌30～60min，水为去离子水；步骤2中超声分散时间为 30min～60min。
本发明所述的MXene/石墨烯复合导热流体在混凝土凝固过程中作为导热介质的应用。
工作原理：MXene表面上的终止基团(-F、＝O和-OH)提供亲水性，因此 MXene能够较容易地分散在水中。MXene与石墨烯具有类似的结构，当MXene 与石墨烯混合时，MXene颗粒可以进入到石墨烯片层之间，克服石墨烯片层之间的团聚效应，因此MXene材料能够使得超级导热材料石墨烯比较容易地分散到水中，能够极大地提高水的导热系数。分散剂的使用可以使得MXene/石墨烯更好地均匀分散在水中，并可以长期稳定的存在。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、导热流体导热系数高达0.754W/m·K，与水相比导热系数增幅达25.9％；2、导热流体分散性好，具有良好的泵送性，因此在大体积混凝土温控防裂中能够作为导热介质使用。
具体实施方式
实施例1
将0.1667g Ti3C2Tx、0.3333g石墨烯与0.5g十二烷基苯磺酸钠加入到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/石墨烯导热流体。该MXene导热流体中，MXene/ 石墨烯为1％，MXene：石墨烯＝0.5:1，十二烷基苯磺酸钠1％，水为98％。将 MXene/石墨烯导热流体作为导热介质通入混凝土内的冷却水管中进行散热。
实施例2
将0.1667g Ti3C2Tx、0.3333g石墨烯与0.5g十六烷基三甲基溴化铵加入到 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/石墨烯导热流体。该MXene导热流体中， MXene/石墨烯为1％，MXene：石墨烯＝0.5:1，十六烷基三甲基溴化铵1％，水为 98％。将MXene/石墨烯导热流体作为导热介质通入混凝土内的冷却水管中进行散热。
实施例3
将0.25g Ti3C2Tx、0.25g石墨烯与0.5g十二烷基苯磺酸钠加入到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/石墨烯导热流体。该MXene导热流体中，MXene/石墨烯为1％，MXene：石墨烯＝1:1，十二烷基苯磺酸钠1％，水为98％。将MXene/ 石墨烯导热流体作为导热介质通入混凝土内的冷却水管中进行散热。
对比例
将0.1667g Ti3C2Tx、0.3333g石墨烯加入到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/石墨烯导热流体。该MXene导热流体中，MXene/石墨烯为1％，MXene：石墨烯＝0.5:1，水为99％。
从表1中可以看出，经过2小时的静置后，未掺入分散剂的MXene/ 石墨烯导热流体已经出现分层现象，而掺入十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵后，MXene/石墨烯导热流体分散性好。经过120小时后，掺入十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵的MXene/石墨烯导热流体依然能够保持较好的分散性。因此可以看出，掺入分散剂后，MXene/石墨烯导热流体中，MXene 颗粒分散均匀，导热流体黏度低，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。
从表2中可以看出，MXene/石墨烯能够有效提高导热流体的导热系数，且随着石墨烯掺量的增加，导热流体的导热系数逐渐增大。当使用十二烷基苯磺酸钠为分散剂，MXene/石墨烯掺量为1％，其中MXene与石墨烯质量比分别为0.5:1 和1:1时，其导热系数分别为0.731W/(m·K)和0.754W/(m·K)，比纯水的导热系数0.599W/(m·K)分别增大22.0％和25.9％。由此可见，掺加MXene/石墨烯可以明显增大导热流体的导热系数，且随着石墨烯掺量的增加，导热流体的导热系数进一步增大，因此MXene导热流体能够有效提高大体积混凝土的传热效率。
表1 MXene/石墨烯导热流体的分散效果
Figure BDA0002319487480000031
表2 MXene/石墨烯导热流体的导热性能
成分 导热系数(W/m·K) 增长率
纯水 0.599 ---
实施例1 0.731 22.0％
实施例2 0.734 22.5％
实施例3 0.754 25.9％

Claims (9)

1.一种MXene/石墨烯复合导热流体，其特征在于，由0.01％～1％的MXene/石墨烯、0.01％～1％的分散剂、98％～99.8％的水组成，其中MXene与石墨烯的质量比为0.1:1～1:1。
2.根据权利要求1所述的MXene/石墨烯复合导热流体，其特征在于，所述MXene/石墨烯复合导热流体由0.5～1％的MXene/石墨烯、0.5～1％的分散剂、98％～99％的水组成，其中MXene/石墨烯材料中MXene与石墨烯的质量比为0.5:1～1:1。
3.根据权利要求1所述的MXene/石墨烯复合导热流体，其特征在于，所述MXene材料为Ti3C2Tx、Ti2CTx、V2CTx、Nb2CTx中的一种，其中Tx为-OH官能团、-F官能团中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的MXene/石墨烯复合导热流体，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、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。
5.一种权利要求1所述的MXene/石墨烯复合导热流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将MXene、石墨烯、分散剂按比例加入水中搅拌均匀；
(2)将混合均匀的原料进行超声分散，得到MXene/石墨烯导热流体。
6.根据权利要求5所述的MXene/石墨烯复合导热流体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中将MXene、石墨烯、分散剂和水利用磁力搅拌机以400-600rpm的速率搅拌30～60min。
7.根据权利要求5所述的MXene/石墨烯复合导热流体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中超声分散时间为30min～60min。
8.根据权利要求5所述的MXene/石墨烯复合导热流体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中水为去离子水。
9.一种权利要求1所述的MXene/石墨烯复合导热流体在大体积混凝土温控防裂中作为冷凝管中的导热介质的应用。
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