CN101440273A - 采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法及其在电热油汀中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法及其在电热油汀中的应用，所述制备方法包括纳米粒子的制备、纳米粒子的清洗、纳米粒子的分散、纳米粒子包覆改性、纳米粒子在导热油中的分散、加热除水分及纳米导热油灌装贮藏，制备的导热油中分散有纳米粒子，该纳米粒子经过亲油表面活性剂表面包覆改性，以促进其分散悬浮于导热油中。该导热油的导热系数显著提高，存放两年后仍稳定悬浮，是一种高导热系数、均匀、稳定的新型传热介质，其密度达到0.85～1.0g/cm³，开口闪点≥180℃，应用于电热油汀可提高升温速度、减少油汀通电加热升温时间，起到节电节材作用，实践证明应用本发明导热油的电热油汀比普通油汀提高升温速度达15％以上。

Description

采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法及其在电热油汀中的应用

技术领域

本发明涉及一种采用纳米粒子强化传热导热油的制备方法以及该纳米导热油在电热油汀中的应用。

背景技术

目前公知的一种提高液体导热系数的有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。这是由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，如表1.1所示，室温下铜的导热系数是水的700倍、机油的3000倍，因此悬浮有固体粒子的两相液体的导热系数比纯液体大很多。许多学者进行了大量的理论和试验研究，但最初的研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，虽然提高了传热效果，但由于粒子尺寸大，容易在液体中沉淀，引起管道磨损、堵塞等不良后果。

表1.1几种材料的导热系数

随着纳米材料科学的迅速发展，自20世纪90年代起，研究人员开始探索利用纳米材料技术提高导热系数。研究表明在液体中添加纳米粒子，显著提高了液体的导热系数。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人提出了“纳米流体”(Nanofluids)的概念——即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类具有高导热系数、均匀、稳定的新型传热介质。Choi运用传统的液固两相混合物导热系数关联式，预测了纳米流体的导热系数，计算结果表明在液体中添加纳米粒子，可以提高悬浮液的导热系数。通过比较纳米流体与传统纯液体工质传热性能的差异，Choi指出，在同样传热负荷下，如果增加传热效率2倍，使用纯液体工质的热交换设备需耗费10倍的泵功率，而如果使用导热系数增大了3倍的纳米流体作为换热工质，则几乎不需要增加泵功率，就可以使热交换设备的传热效率提高2倍，显示了纳米流体应用于热交换设备所带来的潜在优势。

作为热交换设备的电热油汀是充油式电暖器的俗称，是一种使用安全、可靠的空间加热器，它主要由电加热元件、金属散热片、导热油与控制器等组成。电热油汀以电为供热热源，以导热油为传热介质，通电后，由于热虹吸的作用，导热油自然沿着导管上下流动，使整个电热油汀温度均匀，将热量传送出来。电热油汀的最大优点是散热面积大，表面温度不过高，热安全性好，机械强度大，即使是在人多拥挤的地方，浴室、暗房等潮湿的环境下也能使用。由于电热油汀环保无污染、无噪音，越来越受消费者青睐，特别是在欧美国家，由于电价相对便宜，而被大量采用。

但电热油汀存在着热惯性大的特点，升温速度较慢。如能提高其内导热油的导热系数，则可望提高电热油汀的升温速度、减少电热油汀通电加热升温时间，从而减少电热油汀的电耗。

因此，如能制备出纳米粒子分散性好、悬浮稳定性高的纳米导热油，应用于电热油汀，通过提高导热油的导热系数，可望提高电热油汀的升温速度、减少电热油汀通电加热升温时间，以减少电热油汀的电耗，减少电热油汀内导电油用量、减小电热油汀的体积，起到节电、节材的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有导热油的导热系数低的缺陷而提供一种采用纳米粒子强化传热工艺提高导热油导热系数的制备方法；本发明的另一目的是提供一种采用纳米粒子强化传热的导热油在电热油汀中的应用。

本发明的目的通过下列技术方案实现：一种采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

a、纳米粒子的制备及包覆改性处理：

(1)、纳米粒子的制备：纳米粒子以液相法或固相法或气相法或化学气相沉积法制备；

(2)、纳米粒子的清洗：采用去离子水清洗制备得到的粒子并去除杂质；

(3)、纳米粒子的分散：将清洗后的纳米粒子在去离子水中分散，采用机械搅拌或超声分散方法促其分散均匀；

(4)、纳米粒子的包覆改性：纳米粒子在加热温度40～80℃条件下，不断搅拌并慢慢加入重量百分比为5～50％的改性剂进行包覆改性，搅拌持续1～3小时后自然冷却即制成包覆改性的纳米粒子；

b、纳米粒子在导热油中的分散：以导热油为基液，将经包覆改性的纳米粒子以重量百分比0.5～10％投入导热油中；

c、进行边搅拌边加热含有改性纳米粒子的导热油至温度80～90℃，保温2小时，使其残余水分挥发；

d、纳米导热油灌装贮藏。

所述的纳米粒子是纳米金属如纳米铜、纳米铝或纳米铁；或是纳米氧化物如纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅或纳米四氧化三铁；或是纳米碳材料如纳米石墨、纳米碳管或纳米碳球。

所述的液相法有化学沉淀法、水热合成法或溶胶一凝胶法。

所述的固相法有粉碎法或固相化学反应法。

所述的气相法有蒸发凝聚法或溅射法。

所述的改性剂为亲油的表面活性剂，有油酸、硬脂酸或司盘85。

所述的纳米导热油在电热油汀中的应用，该纳米导热油用于制备电热油汀用导热油。

本发明制备得到的纳米粒子强化传热的导热油导热系数显著提高，且存放两年后仍稳定悬浮，是一种高导热系数、均匀、稳定的新型传热介质，经测试其密度达到0.85～1.0g/cm³，开口闪点≥180℃，它应用到热交换设备，作为电热油汀的导热油，可提高电热油汀的升温速度、减少电热油汀的通电加热升温时间、减少电热油汀的电耗、减少电热油汀内导电油用量、减小电热油汀的体积，起到节电、节材的作用，实践证明，应用纳米粒子强化传热的导热油，使电热油汀的升温速度比普通电热油汀提高15％以上，很有应用前景和市场潜力。

附图说明

图1为本发明采用纳米粒子强化传热的导热油的制备工艺流程图。

图2为本发明纳米Fe3O4粒子的XRD谱线图。

图3为本发明纳米Fe3O4粒子的SEM照片。

图4为本发明包覆改性后的纳米Fe3O4粒子的SEM照片。

图5为Fe3O4导热油显示其导热系数随着纳米粒子的增加而提高。

具体实施方式

下面结合上述附图对本发明的具体实施方案进行详细描述。

采用纳米粒子强化传热的导热油的制备以加热锅为主要设备，其工艺流程如图1所示：

(1)纳米粒子的制备：

采用液相法如化学沉淀法或水热合成法或溶胶一凝胶法，或者采用固相法如粉碎法、固相化学法，或者采用气相法如蒸发凝聚法或溅射法，或者采用化学气相沉积法中的任意一种方法制备纳米粒子。

(2)纳米粒子的清洗：

采用去离子水清洗制备得到的纳米粒子，除去表面可能存在的杂质。

(3)纳米粒子的分散：

将清洗后的纳米粒子在去离子水中分散，可采用机械搅拌或超声分散方法促使其分散均匀。

(4)纳米粒子的包覆改性：

纳米粒子在加热温度达40～80℃条件下，不断搅拌并慢慢加入改性剂，加入的比例按重量百分比5～50％处理，进行包覆改性，搅拌持续时间1～3小时后自然冷却即制成包覆改性的纳米粒子。所用的改性剂为亲油表面活性剂，有油酸或硬脂酸或司盘85。

(5)纳米粒子在导热油中的分散：

以导热油为基液，将经包覆改性的纳米粒子以重量百分比0.5～10％投入导热油中。

(6)进行边搅拌边加热上述含有改性纳米粒子的导热油至温度80～90℃，保温2～4小时，使其残余水分全部挥发。

(7)纳米导热油罐装贮藏。

采用纳米粒子强化传热的导热油作电热油汀用途时，可直接灌装，其灌装量与普通导热油相同。

实施例：

(1)纳米粒子的制备：采用化学沉淀法制备出纳米Fe3O4粒子。

(2)纳米粒子的清洗：采用去离子水清洗制备得到的纳米Fe3O4粒子，除去表面可能存在的杂质。图2为纳米Fe3O4粒子的XRD谱线，图3为纳米Fe3O4粒子的SEM照片。

(3)纳米粒子的分散：将清洗后的纳米Fe3O4粒子在去离子水中分散，采和机械搅拌方法促使其分散均匀。

(4)纳米粒子的包覆改性：在60～70℃下，不断搅拌中按纳米粒子重量百分比20％慢慢加入改性剂司盘85，包覆改性2小时后自然冷却，图4为包覆改性后纳米Fe3O4粒子的SEM照片。

(5)纳米粒子在导热油中的分散：将包覆改性后的纳米粒子按重量百分比为0.5～1％加入到导热油中搅拌分散均匀。

(6)加热去除水分：边搅拌边加热到80～90℃保温2小时，使其中残余的水分全部挥发后得到纳米粒子强化传热的导热油。

(7)纳米导热油的灌装：将制备得到的纳米粒子强化传热的导热油灌装贮藏，存放2年后仍稳定悬浮的纳米导热油。导热油的导热系数如图5所示：随着纳米粒子的增加而提高，当纳米粒子的体积份额为0.008时，导热系数提高15％。

当本发明应用到电热油汀时，可直接罐装，且罐装量与普通导热油相同。通过对应用常规导热油的电热油汀与应用本发明导热油的电热油汀对比测试，测试显示：本发明的升温速度比采用普通导热油的电热油汀提高15％以上。

Claims (7)

1、一种采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

a、纳米粒子的制备及包覆改性处理：

(1)、纳米粒子的制备：纳米粒子以液相法或固相法或气相法或化学气相沉积法制备；

(2)、纳米粒子的清洗：采用去离子水清洗制备得到的粒子并去除杂质；

(3)、纳米粒子的分散：将清洗后的纳米粒子在去离子水中分散，采用机械搅拌或超声分散方法促其分散均匀；

(4)、纳米粒子的包覆改性：纳米粒子在加热温度40～80℃条件下，不断搅拌并慢慢加入重量百分比为5～50％的改性剂进行包覆改性，搅拌持续1～3小时后自然冷却即制成包覆改性的纳米粒子；

b、纳米粒子在导热油中的分散：以导热油为基液，将经包覆改性的纳米粒子以重量百分比0.5～10％投入导热油中；

c、进行边搅拌边加热含有改性纳米粒子的导热油至温度80～90℃，保温2小时，使其残余水分挥发；

d、纳米导热油灌装贮藏。

2、根据权利要求1所述的采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于所述的纳米粒子是纳米金属如纳米铜、纳米铝或纳米铁；或是纳米氧化物如纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅或纳米四氧化三铁；或是纳米碳材料如纳米石墨、纳米碳管或纳米碳球。

3、根据权利要求1所述的采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于所述的液相法有化学沉淀法、水热合成法或溶胶—凝胶法。

4、根据权利要求1所述的采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于所述的固相法有粉碎法或固相化学反应法。

5、根据权利要求1所述的采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于所述的气相法有蒸发凝聚法或溅射法。

6、根据权利要求1所述的采用纳米粒子强化传热的导热油的制备方法，其特征在于所述的改性剂为亲油的表面活性剂，有油酸、硬脂酸或司盘85。

7、一种如权利要求1所述的纳米导热油在电热油汀中的应用，其特征在于该纳米导热油用于制备电热油汀用导热油。

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