CN101343531A

CN101343531A - 一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法

Info

Publication number: CN101343531A
Application number: CNA2007100436716A
Authority: CN
Inventors: 谢华清; 陈立飞; 黎阳
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-01-14

Abstract

一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，按如下步骤进行：(1)碳纳米管惰性表面羟基化及其截断短化处理：将碳纳米管与质量是碳纳米管5－50倍的强碱混合，以100－400r/min的转速球磨2－48小时；球磨后利用高速离心方法，清洗至中性，干燥得到长径比为20－250的碳纳米管；(2)碳纳米管的分散化处理：在超声振动10－120min的条件下，将表面羟基化及其截断短化处理的碳纳米管分散在基体流体中，制得均匀稳定的含碳纳米管纳米流体；处理后得到的碳纳米管具有亲水性。本发明纳米流体不含分散剂，对介质无污染，可在高温下使用，并有助于流体传热性能的进一步提升，拓展了其在高效换热和冷却领域的应用范围。

Description

一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于热交换系统的不含分散剂且具有高导热系数的强化传热工质的制备方法，具体涉及一种表面羟基化并被截断成具有适中长径比的碳纳米管直接分散在基体水中的纳米流体的制备方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的高速发展和能源环境问题的日益严峻，热交换系统的传热负荷和传热强度日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，对换热系统的高效低阻紧凑的性能指标的要求越来越高，对强化传热技术提出新的和更高的要求。因此，迫切需要研发体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式换热设备，以满足高负荷传热和特殊条件下强化传热的要求。以往强化传热技术的研究主要从增加换热面积、优化制造工艺以及主动外力辅助等入手，但这往往需要更大的换热系统或附加消耗能量，不符合系统向小型化和低能耗方向发展的趋势。因此，迫切需要开发新型高效的换热介质，而纳米流体用于强化传热已成为当今研究的热点。

所谓纳米流体，是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、机油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质；其导热和比热等热物理性能均大幅度提高，从而显著改善传热性能，将其应用于换热系统，可极大提高换热效率，因此，纳米流体介质是一种具有广阔应用前景的高效新型换热介质材料。

目前制备含碳纳米管纳米流体时，所用方法有两种：

常用的方法是添加分散剂[M.J.Assael et al.，Int.J.Thermophys.(2005)26：647]。其缺点：一方面，长链分散剂分子附着在碳纳米管上，增加碳纳米管和基体流体间的热阻，从而限制含碳纳米管纳米流体导热性能的进一步提升[S.Huxtable et al.，Nature Materials(2003)2：731]；另一方面，分散剂一般为聚合物或有机化合物，往往会产生介质污染；此外，分散剂的发泡性在高温下尤为明显，不利于纳米流体在较高温度下使用，极大地限制了纳米流体的应用范围。

另一种方法是利用化学方法(强酸氧化)处理碳纳米管[H.Xie et al.，J.Appl.Phys.(2003)94：4967]。其缺点是：在处理过程中所用硝酸在高温下产生各种含氮的有毒气体，对环境造成污染。

发明内容

本发明公开一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，采用添加强碱与高能球磨相结合技术，对碳纳米管进行前期表面羟基化及截断短化处理，进而制备不含分散剂的水基含碳纳米管纳米流体，其目的在于克服现有技术添加分散剂，导致长链分散剂分子附着在碳纳米管上，增加碳纳米管和基体流体间的热阻，影响流体导热性能的提升，同时分散剂产生污染，不利于纳米流体在较高温度下使用；采用化学方法导致高温下产生各种含氮的有毒气体，对环境造成污染等缺点。

一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)碳纳米管惰性表面羟基化及其截断短化处理：将碳纳米管与质量是碳纳米管5-50倍的强碱混合，以100-400r/min的转速球磨2-48小时；球磨后，利用高速离心方法，清洗至中性，干燥得到长径比为20-250的碳纳米管；

(2)碳纳米管的分散化处理：在超声振动10-120min的条件下，将表面羟基化及其截断短化处理的碳纳米管分散在基体流体中，制得均匀稳定的含碳纳米管纳米流体；处理后得到的碳纳米管具有亲水性。

所述碳纳米管为单壁、双璧或者多壁碳纳米管。

所述强碱为氢氧化钾。

所述的基体流体为水。

本发明通过添加强碱的化学方法与高能球磨的机械方法相结合技术，对具有惰性表面的碳纳米管进行表面羟基化及截断短化处理后；将表面羟基化比较完全、长径比适中的碳纳米管通过超声振动分散到水中形成水基含碳纳米管纳米流体，极具亲水性。

本发明与现有制备方法相比，其优点和积极效果是：纳米流体不含分散剂，从而对介质无污染，可在高温下使用，并有助于流体传热性能的进一步提升，制备的水基含碳纳米管纳米流体均匀稳定，极大地拓展其在高效换热和冷却领域的应用范围；而且，在碳纳米管处理过程中，没有有毒有害物质产生，对环境非常友好。本发明制备的纳米流体当碳纳米管体积含量为1.0％时纳米流体导热系数比水提高达12％以上。

附图说明

图1为处理前后的碳纳米管透射电镜图；

A为未经处理的碳纳米管透射电镜图；

B为用本发明方法处理6小时的碳纳米管透射电镜图；

C为用本发明方法处理12小时的碳纳米管透射电镜图；

图2为碳纳米管处理前后的红外光谱图；

图3为用本发明方法制备的含碳纳米管纳米流体的照片。

由图1中A，B，C对比可见：采用添加强碱球磨技术处理碳纳米管，可使其截断短化。图2中虚线是未处理碳纳米管的红外光谱，图2中实线是采用本发明方法处理后的碳纳米管的红外光谱。谱图中3410处是羟基(-OH)特征峰；波数1630cm^-1应属于碳骨架(-C＝C-)特征峰；波数1400cm^-1是羟基的弯曲振动特征峰；波数1170cm^-1应该是C-O伸缩振动特征峰。说明碳纳米管表面已经引入羟基，使得碳纳米管具有亲水性。这样，在不添加分散剂的情况下，碳纳米管就可以在基体流体水中分散。图3表示了含碳纳米管纳米流体的稳定情况，未经处理的碳纳米管(PCNT)分散到去离子水(DW)中后，很快(短于2分钟)就发生大部分沉降(如图3中“PCNT+DW”所示)，而经本发明方法处理后的碳纳米管(TCNT)，分散到DW中，静置两个月后，底部未见明显沉降物(如图3中“TCNT+DW”所示)。说明采用本发明方法制备的含碳纳米管纳米流体具有良好的稳定性。

具体实施方式

实施例1：将多壁碳纳米管与质量是碳纳米管5倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为100r/min的条件下连续球磨2小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比为190-210的碳纳米管固体。将该碳纳米管以0.08vol％含量添加到基体流体水中，超声振动120min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在两个月以上，且其导热系数比水的导热系数提高0.15％。

实施例2：将多壁碳纳米管与质量是碳纳米管30倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为250r/min的条件下连续球磨8小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比约为100-110的碳纳米管固体。将该碳纳米管以1.0vol％含量添加到基体流体水中，超声振动35min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在50小时，且其导热系数比水的导热系数提高12％。

实施例3：将多壁碳纳米管与质量是碳纳米管20倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为300r/min的条件下连续球磨24小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比约为30-55的碳纳米管固体。将该碳纳米管以0.5vol％含量添加到基体流体水中，超声振动10min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在38小时，且其导热系数比水的导热系数提高5.2％。

实施例4：将多壁碳纳米管与质量是碳纳米管40倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为200r/min的条件下连续球磨18小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比约为40-70的碳纳米管固体。将该碳纳米管以0.3vol％含量添加到基体流体水中，超声振动10min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在13小时，且其导热系数比水的导热系数提高2.8％。

实施例5：将单壁碳纳米管与质量是碳纳米管20倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为400r/min的条件下连续球磨3小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比约为120-140的碳纳米管固体。将该碳纳米管以0.6vol％含量添加到基体流体水中，超声振动45min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在42小时，其导热系数比水的导热系数提高近7.6％。

实施例6：将双壁碳纳米管与质量是碳纳米管50倍的氢氧化钾混合，在球磨转速为200r/min的条件下连续球磨48小时，用去离子水洗至中性，干燥后得长径比约为30-50的碳纳米管固体。将该碳纳米管以0.8vol％含量添加到基体流体水中，超声振动25min，得到的水基含碳纳米管纳米流体稳定存在两天，其导热系数比水的导热系数提高近9.4％。

Claims

1.一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管为单壁、双璧或者多壁碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，其特征在于：所述强碱为氢氧化钾。

4.根据权利要求1所述的一种新的水基含碳纳米管纳米流体的制备方法，其特征在于：所述的基体流体为水。