CN103212488A - 一种用于制备纳米流体的离心装置及制备纳米流体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备纳米流体的离心装置，包括离心盘、内筛板、外筛板和调速电机，离心盘的底面与调速电机的动力输出轴连接，内筛板和外筛板连接在离心盘的底面上，外筛板位于内筛板的外侧，且外筛板的内壁面和内筛板的外壁面相贴；内筛板和外筛板将离心盘分为位于内筛板内侧的内层流道和位于外筛板外侧的外层流道；内筛板的壁面上设有狭缝，狭缝为通槽；外筛板的内壁上设有凹槽；凹槽与狭缝相对应。该离心装置通过离心力和筛子原理，去除纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分；同时，还公开了制备纳米流体的方法，该方法可以保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能提高纳米流体的分散性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制备纳米流体的装置及方法，具体来说，涉及一种用于制备纳米流体的离心装置及制备纳米流体的方法。
背景技术
纳米流体被认为具有提高换热系统能效的潜力。在纳米流体制备方面，目前已有很多方法应用于强化纳米颗粒在液体中分散，包括搅拌、剪切、球磨等物理方法，也有表面修饰、改变pH值等化学方法，然而溶液中还是有一部分纳米颗粒处于团聚状态，并没有被这些方法分散开来，主要原因是纳米颗粒在放置过程中，已经有部分颗粒在固体形态时已经发生团聚，纳米颗粒本身有好坏之分，是优等颗粒与劣等颗粒的混合物，又由于制备过程中由于颗粒间很强的作用力，包括范德华力，甚至氢键的作用等发生团聚。团聚体很难再次分散开来，而这部分纳米颗粒团聚体的存在不仅会削弱纳米流体的优异特性，比如微对流、高传热传质性能、低粘度（相对于微米颗粒悬浮液）等，而且在纳米流体的使用过程中，这部分团聚体可能成为团聚吸附核心使更多的纳米颗粒吸附在上面，从而导致纳米流体的分散性进一步的降低。这些团聚体是很难通过物理或化学方法打开，特别是这类靠氢键作用的纳米团聚体。特别是对于两步法制备纳米流体过程中，目前大多采用直接添加，再采用而外的分散手段，包括分散剂、超声水浴等，但是这些方法也很难将团聚的纳米颗粒团部分散开来。
对纳米流体中不同分散效果的纳米颗粒进行分离，有采用自然沉降、过滤和利用离心设备方法。但是自然沉降是纳米颗粒团聚体和稳定分散小颗粒的共性，放置过程中均会向下沉降，在分离过程中会失去较多的分散稳定的纳米颗粒，所有纳米颗粒均会向下沉降，而纳米流体顶部则会出现清液层。所以利用自然沉降原理能在一定程度上分离团聚颗粒，但这样并不能快速、有效地地分离团聚颗粒与稳定分散的纳米颗粒。而过滤方法由于纳米级的纳米颗粒具有极强的吸附性，导致过滤过程容易出现堵塞而且会损失很多纳米颗粒，并且过滤后纳米颗粒再处理（烘干、分散）又容易出现团聚。而简单采用离心设备进行分离，同样由于离心力会使所有纳米颗粒均被离心，而且强烈的离心作用会使稳定分散的纳米颗粒聚集倾向与团聚，虽然离心过程能快速使纳米颗粒与溶液进行分离，但是如何将稳定分散的纳米流体保留是需要解决的一大问题。所以在制备纳米流体的过程中除掉其中分散性较差的部分，保留分散性较好的部分，并且能同时保证获得需要质量分数的纳米流体是本领域技术人员面临的技术问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于制备纳米流体的离心装置，该离心装置通过离心力和筛子原理，去除纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分；同时，还提供利用该离心装置制备纳米流体的方法，该方法可以保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能去除分散性较差的纳米团聚体，保留稳定分散的纳米流体，提高纳米流体的分散性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于制备纳米流体的离心装置，该离心装置包括离心盘、内筛板、外筛板和调速电机，离心盘呈顶端为开口的筒体，离心盘的底面与调速电机的动力输出轴连接，内筛板和外筛板位于离心盘的内腔中，内筛板和外筛板连接在离心盘的底面上，外筛板位于内筛板的外侧，且外筛板的内壁面和内筛板的外壁面相贴；内筛板和外筛板将离心盘分为位于内筛板内侧的内层流道和位于外筛板外侧的外层流道；内筛板和外筛板均呈两端开口的环形筒体，内筛板的壁面上设有狭缝，狭缝为通槽；外筛板的内壁上设有凹槽；凹槽的宽度等于狭缝的宽度，且凹槽与狭缝相对应；内筛板和外筛板上设有孔径相等和目数相同的筛孔。
一种利用上述的用于制备纳米流体的离心装置制备纳米流体的方法，该方法包括以下步骤：
步骤10）测定初始纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒与基液混合，搅拌均匀，制备出质量分数为K·M的初始纳米流体，其中，K>1，M为最终获取的纳米流体的质量分数，然后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度A0 ；
步骤20）加入初始纳米流体：将步骤10）制备的初始纳米流体加入离心装置的离心盘的内层流道中，然后转动内筛板，使得内筛板的狭缝与外筛板的凹槽分别对齐；
步骤30）对初始纳米流体进行筛选：启动调速电机，调节转速，使位于离心盘中的初始纳米流体保持稳定转动，初始纳米流体在流动过程中，其中的纳米颗粒团聚体在离心力作用下，依次穿过内筛板的筛孔和外筛板的筛孔，汇聚于外层流道中，稳定分散的纳米颗粒流体则停留在内层流道中；尺寸大于筛孔的纳米颗粒团聚体穿过内筛板的狭缝，汇聚于外筛板的凹槽中；
步骤40）封闭内层流道和外层流道：调节内筛板，将内筛板的筛孔和外筛板的筛孔错位，进而封闭内层流道和外层流道，并将内筛板的狭缝与外筛板的凹槽错开，进而隔开了外筛板的凹槽和内层流道；
步骤50）测量筛选后的纳米流体的吸光度：用注射器取出位于内层流道的纳米流体，作为筛选后的纳米流体，然后注入容器中，并均匀混合，利用紫外可见分光光度计测量筛选后的纳米流体的吸光度A1；
步骤60）制备质量分数为M的纳米流体：向步骤50）提取出来的位于容器中的纳米流体中添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：提取出来的纳米流体质量∶添加的基液质量=1∶（K·A0/A1 -1），制备出质量分数为M的纳米流体。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方法具有以下优点：
（1）离心装置可以去除纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分。本发明的离心装置中，通过调整内筛板位置，使内筛板与外筛板对离心盘的外层流道和内层流道进行连通或者封闭。也就是说，当狭缝与凹槽对齐，内筛板的筛孔与外筛板的筛孔对齐时，外层流道和内层流道连通。此时启动调速电机，进行纳米流体筛选。当筛选结束后，关闭调速电机，并调整内筛板位置，使狭缝与凹槽错开布置，且内筛板的筛孔与外筛板的筛孔也错开，从而隔断了外层流道和内层流道，并封闭了凹槽和内层流道。外筛板的凹槽处于封闭空间，用于储存了尺寸大于筛孔孔径的团聚体。这样，位于外层流道的纳米流体和凹槽内的团聚纳米颗，不会因为抽取位于内层流道中的纳米流体时产生的牵引力，进入内层流道中，从而实现去除纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分的目的。
（2）本发明制备纳米流体的方法，可以保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能去除分散性较差的纳米团聚体，保留稳定分散的纳米流体，提高纳米流体的分散性。现有技术中，制备一定质量分数的纳米流体，通常是采用直接在基液中添加纳米颗粒的方法。此方法中，分散性较差的纳米颗粒严重影响到纳米流体的分散稳定性，即使采用了各种分散促进方法，此部分团聚的纳米颗粒也不一定能稳定分散。而这部分分散性较差的纳米颗粒在使用过程中成为进一步团聚的附着体，导致纳米流体的分散性进一步下降。对纳米流体中不同分散效果的纳米颗粒进行分离，有采用自然沉降、过滤和利用离心设备方法。但是自然沉降是纳米颗粒团聚体和稳定分散小颗粒的共性，放置过程中均会向下沉降，在分离过程中会失去较多的分散稳定的纳米颗粒，所有纳米颗粒均会向下沉降，而纳米流体顶部则会出现清液层。所以利用自然沉降原理能在一定程度上分离团聚颗粒，但这样并不能快速、有效地地分离团聚颗粒与稳定分散的纳米颗粒。而过滤方法由于纳米级的颗粒具有极强的吸附性，导致过滤过程容易出现堵塞而且会损失很多纳米颗粒，并且过滤后纳米颗粒再处理又容易出现团聚。本发明巧妙地利用离心力和筛子原理相结合的离心装置，利用纳米流体在转动时受到离心力作用，而具有向径向方向运动的倾向性，利用内筛板和外筛板使纳米流体团聚体颗粒与稳定分散颗粒分离到不同空间中。稳定分散的纳米颗粒由于颗粒之间的作用和布朗运动等原因使其具备的很强的扩散能力，而保证了能继续停留在内层流道，从而去除掉纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分。本发明同时利用吸光度与浓度成正比的特性，通过测量其吸光度来进行稀释，保证了用户所需要的纳米流体质量分数，并提高了用户所得纳米流体的分散性。本发明的实施不影响纳米流体制备的原有分散工艺，在制备者采用各种分散方法，包括分散剂、pH值、超声振动等配置出纳米流体之后，仍然可以使用本发明的装置和方法对纳米流体进行进一步的筛选，进一步促进其纳米流体的分散稳定性。相比于采用过滤法来去除纳米颗粒中团聚体，再烘干获得优质纳米颗粒原料的方法来说，本发明的优势是方法简单，快速、易操作、并能同时去除烘干和再分散于基液里的时候形成的纳米团聚体。
附图说明
图1为本发明中离心盘的俯视图。
图2为本发明中离心盘的纵向半剖图。
图3为本发明中内筛板的俯视图。
图4为图3中A部放大图。
图5为本发明中内筛板的主视图。
图6为图4中B部放大图。
图7本发明中外筛板的俯视图。
图8为图7中C部放大图。
图9为本发明中外筛板的主视图。
图10为本发明的俯视图。
图11为本发明中内筛板和外筛板对齐布设时的结构示意图。
图12为本发明中内筛板和外筛板错开布设时的结构示意图。
图13为本发明的纵向半剖图。
图中有：离心盘1、外层流道101、内层流道102、内筛板2、狭缝201、外筛板3、凹槽301、调速电机4、筛孔5。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。
如图1至图13所示，本发明的用于制备纳米流体的离心装置包括离心盘1、内筛板2、外筛板3和调速电机4。离心盘1呈顶端为开口的筒体。离心盘1的底面与调速电机4的动力输出轴连接。启动调速电机4，可以带动离心盘1旋转。内筛板2和外筛板3位于离心盘1的内腔中。内筛板2和外筛板3连接在离心盘1的底面上。外筛板3位于内筛板2的外侧，且外筛板3的内壁面和内筛板2的外壁面相贴。内筛板2和外筛板3将离心盘1分为位于内筛板2内侧的内层流道102和位于外筛板3外侧的外层流道101。内筛板2和外筛板3均呈两端开口的环形筒体，内筛板2的壁面上设有狭缝201，狭缝201为通槽。外筛板3的内壁上设有凹槽301。凹槽301的宽度等于狭缝201的宽度，且凹槽301与狭缝201相对应。内筛板2和外筛板3上设有孔径相等和目数相同的筛孔5。作为优选，所述的筛孔5的孔径为0.05—0.2 mm，目数为100-200。
进一步，所述的外筛板3凹槽301深度为外筛板3厚度的2/3。这样可以保证凹槽301有足够的空间存放大于筛孔5尺寸的团聚颗粒，并保证了外筛板3的结构强度。
进一步，所述的外筛板3通过过盈配合固定连接在离心盘1的底面上，内筛板2通过过盈配合连接在离心盘1底面。外筛板3是固定连接在离心盘1的底面上的，不能移动的。而内筛板2虽然也采用过盈配合连接在离心盘1底面上，但是通过外力可以转动内筛板2。通过转动内筛板2可以调整内筛板2的筛孔和外筛板3的筛孔是否对齐。
利用上述离心装置制备纳米流体的方法，包括以下步骤：
步骤10）测定初始纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒与基液混合，搅拌均匀，制备出质量分数为K·M的初始纳米流体，其中，K>1，M为最终获取的纳米流体的质量分数，然后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度A0 。作为优选，K值为2-20
步骤20）加入初始纳米流体：将步骤10）制备的初始纳米流体加入离心装置的离心盘1的内层流道102中，然后转动内筛板2，使得内筛板2的狭缝201与外筛板3的凹槽301分别对齐。
步骤30）对初始纳米流体进行筛选：启动调速电机4，调节转速，使位于离心盘1中的初始纳米流体保持稳定转动，初始纳米流体在流动过程中，团聚形成的纳米颗粒在离心力作用下，依次穿过内筛板2的筛孔和外筛板3的筛孔，汇聚于外层流道101中，稳定分散的纳米颗粒流体则停留在内层流道102中；尺寸大于筛孔的纳米团聚体穿过内筛板的狭缝201，汇聚于外筛板3的凹槽301中。
在步骤30）中，调速电机4的运行时间为0.5—5小时，转速为60—600 r/min。
步骤40）封闭内层流道102和外层流道101：调节内筛板2，将内筛板2的筛孔和外筛板3的筛孔5错位，进而封闭内层流道102和外层流道101，并将内筛板2的狭缝201与外筛板3的凹槽301错开，进而隔开了外筛板的凹槽301和内层流道102。
步骤50）测量筛选后的纳米流体的吸光度：用注射器取出位于内层流道102的纳米流体，作为筛选后的纳米流体，然后注入容器中，并均匀混合，利用紫外可见分光光度计，测量筛选后的纳米流体的吸光度A1。
步骤60）制备质量分数为M的纳米流体：向步骤50）提取出来的位于容器中的纳米流体中添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：提取出来的纳米流体质量∶添加的基液质量=1∶（K·A0/A1 -1），制备出质量分数为M的纳米流体。
通过以上步骤获得了经过筛选的纳米流体，并且能得到使用者所需要的质量分数。
本发明的方法，巧妙地利用离心力和筛子原理相结合的离心装置，利用颗粒在转动时受到离心力作用而具有向径向方向运动的倾向性，利用内筛板2和外筛板3使纳米流体团聚体颗粒与稳定分散颗粒分离到不同空间中。纳米颗粒尺寸非常小，即使团聚成微米颗粒也属于非常小的尺寸，难以采用常规方法分离，本发明利用纳米流体具备，而其团聚体不具备的特性来进行分离。稳定分散的纳米颗粒由于处于纳米级尺寸，由于颗粒之间的作用（静电力或范德华力等）、布朗运动和流动过程中的扰动等原因使其具备的很强的扩散能力（能自由出入筛孔），而保证了能继续停留在内层流道102中。因为稳定分散的纳米流体性质已经具备了流体的性质，其扩散能力能克服其离心力，所以稳定分散的纳米流体能继续停留在内层流道102中。而团聚的纳米颗粒由于其质量较大，颗粒之间的作用（静电力或范德华力等）、布朗运动等对其影响相对较小，使得其扩散作用较弱，导致团聚的纳米颗粒会在离心力作用下进入外层流道101中。这样就去除掉纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分。本发明同时利用吸光度与浓度成正比的特性，通过测量其吸光度来进行稀释，保证了用户所需要的纳米流体质量分数，并提高了用户所纳米流体的分散性。
在本发明的离心装置中，内筛板2与离心盘1为过盈配合，但内筛板2能在外力作用下调整其位置。通过调整内筛板2位置，使内筛板2与外筛板3对离心盘1的外层流道101和内层流道102进行连通或者封闭。也就是说，当内筛板2的狭缝201与外筛板3的凹槽301对齐，内筛板2的筛孔与外筛板3的筛孔对齐时，外层流道101和内层流道102连通。此时启动调速电机4，进行纳米流体筛选。当筛选结束后，关闭调速电机4，并调整内筛板2位置，使内筛板2的狭缝201与外筛板3的凹槽301错开布置，且内筛板2的筛孔与外筛板3的筛孔也错开，从而隔断了外层流道101和内层流道102，并封闭了外筛板3的凹槽301和和内层流道102。外筛板3的凹槽301处于封闭空间，用于储存了尺寸大于筛孔孔径的团聚体。这样，位于外层流道101的纳米流体和凹槽301内的团聚纳米颗粒，不会因为抽取位于内层流道102中的纳米流体时产生的牵引力，进入内层流道102中。
本发明的制备方法可保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能通过基于筛子原理的离心装置来去除掉纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分，保留稳定分散的纳米流体，从而提高纳米流体的分散性。
Claims (7)
1.一种用于制备纳米流体的离心装置，其特征在于，该离心装置包括离心盘（1）、内筛板（2）、外筛板（3）和调速电机（4），离心盘（1）呈顶端为开口的筒体，离心盘（1）的底面与调速电机（4）的动力输出轴连接，内筛板（2）和外筛板（3）位于离心盘（1）的内腔中，内筛板（2）和外筛板（3）连接在离心盘（1）的底面上，外筛板（3）位于内筛板（2）的外侧，且外筛板（3）的内壁面和内筛板（2）的外壁面相贴；内筛板（2）和外筛板（3）将离心盘（1）分为位于内筛板（2）内侧的内层流道（102）和位于外筛板（3）外侧的外层流道（101）；内筛板（2）和外筛板（3）均呈两端开口的环形筒体，内筛板（2）的壁面上设有狭缝（201），狭缝（201）为通槽；外筛板（3）的内壁上设有凹槽（301）；凹槽（301）的宽度等于狭缝（201）的宽度，且凹槽（301）与狭缝（201）相对应；内筛板（2）和外筛板（3）上设有孔径相等和目数相同的筛孔（5）。
2.按照权利要求1所述的用于制备纳米流体的离心装置，其特征在于，所述的筛孔（5）的孔径为0.05—0.2 mm，目数为100-200。
3.按照权利要求1所述的用于制备纳米流体的离心装置，其特征在于，所述的外筛板（3）凹槽（301）深度为外筛板（3）厚度的2/3。
4.按照权利要求1所述的用于制备纳米流体的离心装置，其特征在于，所述的外筛板（3）通过过盈配合固定连接在离心盘（1）的底面上，内筛板（2）通过过盈配合连接在离心盘（1）底面。
5.一种利用权利要求1所述的用于制备纳米流体的离心装置制备纳米流体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10）测定初始纳米流体的吸光度：首先将纳米颗粒与基液混合，搅拌均匀，制备出质量分数为K·M的初始纳米流体，其中，K>1，M为最终获取的纳米流体的质量分数，然后利用紫外可见分光光度计，测量初始纳米流体的吸光度A0 ；
步骤20）加入初始纳米流体：将步骤10）制备的初始纳米流体加入离心装置的离心盘（1）的内层流道（102）中，然后转动内筛板（2），使得内筛板（2）的狭缝（201）与外筛板（3）的凹槽（301）分别对齐；
步骤30）对初始纳米流体进行筛选：启动调速电机（4），调节转速，使位于离心盘（1）中的初始纳米流体保持稳定转动，初始纳米流体在流动过程中，其中的纳米颗粒团聚体在离心力作用下，依次穿过内筛板（2）的筛孔和外筛板（3）的筛孔，汇聚于外层流道（101）中，稳定分散的纳米颗粒流体则停留在内层流道（102）中；尺寸大于筛孔的纳米颗粒团聚体穿过内筛板的狭缝（201），汇聚于外筛板（3）的凹槽（301）中；
步骤40）封闭内层流道（102）和外层流道（101）：调节内筛板（2），将内筛板（2）的筛孔和外筛板（3）的筛孔（5）错位，进而封闭内层流道（102）和外层流道（101），并将内筛板（2）的狭缝（201）与外筛板（3）的凹槽（301）错开，进而隔开了外筛板的凹槽（301）和内层流道（102）；
步骤50）测量筛选后的纳米流体的吸光度：用注射器取出位于内层流道（102）的纳米流体，作为筛选后的纳米流体，然后注入容器中，并均匀混合，利用紫外可见分光光度计测量筛选后的纳米流体的吸光度A1；
步骤60）制备质量分数为M的纳米流体：向步骤50）提取出来的位于容器中的纳米流体中添加基液，对该纳米流体进行稀释，稀释比例为：提取出来的纳米流体质量∶添加的基液质量=1∶（K·A0/A1 -1），制备出质量分数为M的纳米流体。
6.按照权利要求5所述的利用离心装置制备纳米流体的制备方法，其特征在于，所述的步骤10）中，K值为2-20。
7.按照权利要求5所述的利用离心装置制备纳米流体的制备方法，其特征在于，所述的步骤30）中，调速电机（4）的运行时间为0.5—5小时，转速为60—600 r/min。
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