CN103215015B - 硅酸镁锂基纳米流体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅酸镁锂基纳米流体的制备方法，包括以下步骤：将链状结构有机高分子聚合物与水，形成有机高分子聚合物水溶液；将片层状纳米硅酸镁锂分散于所述有机高分子聚合物水溶液，形成混合体系；将所述混合体系静置，得到硅酸镁锂基纳米流体。本发明的制备方法工艺简单，由此制备得到的硅酸镁锂基纳米流体具有优异的触变性和抗沉降稳定性。拓宽了纳米流体的性能和应用领域，实现了开发、合成新材料的目的。

Description

硅酸镁锂基纳米流体及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及纳米流体新材料领域，具体涉及一种硅酸镁锂基纳米流体及其制备方法。

【背景技术】

纳米流体是纳米材料分散在特定液体介质中的悬浮稳定体系，其纳米材料的尺度一般为1-100nm。不同体系的纳米流体表现出不同的特殊性能，而可被应用于能源生产、电力供应、发动机冷却、集成电路中的微孔道冷却等多个领域。例如，热传导纳米流体，由于具有良好的热传导系数，可作为一种良好的热传导介质；磁性材料纳米流体在医学上可以被用作超灵敏磁性共振探头；粘土类纳米流体由于具有良好的稳定性、流变性和触变性，在地质钻探领域得到广泛的应用。

传统上对纳米流体的研究主要集中在纳米流体的热传导特性及强化传热机理方面，而最近的研究方向则主要集中在开发新型纳米流体体系方面。开发和研究新的纳米流体体系，寻求具有不同功能的纳米颗粒，制备出抗沉降稳定性好和特殊新功能的纳米流体日益成为该领域研究的焦点。

目前通常采用分散法来制备纳米流体。具体地，是将制备好的纳米粉体(干粉)，通过合适的分散手段(改性处理、加入表面活性剂、超声等)，分散到液体介质中而形成纳米流体。分散法虽然具有制备工艺简单、工序少、易制备高固量纳米流体、易于批量化生产等特点，但由于纳米粉体的比表面积大、表面活性高，在粉体制备过程中纳米颗粒容易团聚。在纳米流体制备过程中，这种团聚体一般难以通过采用上述分散手段而被完全打开。团聚体的存在，不仅降低了纳米流体的稳定性，还大大削弱了纳米流体的优异特性。

因此，还需要开发新型纳米流体体系，以及能够提高纳米流体性能的制备方法。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种新型硅酸镁锂基纳米流体，及其制备方法。

本发明的技术方案为一种硅酸镁锂基纳米流体的制备方法，包括以下步骤：将链状结构有机高分子聚合物与水，形成有机高分子聚合物水溶液；将片层状纳米硅酸镁锂分散于所述有机高分子聚合物水溶液，形成混合体系；将所述混合体系静置，得到硅酸镁锂基纳米流体。

所述水与所述链状结构有机高分子聚合物的质量比可以为1000∶0.1-1。

所述水与所述片层状纳米硅酸镁锂的质量比可以为1000∶0.5-20。

所述链状结构有机高分子聚合物为水溶性的，例如可以为聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯，或它们的混合物。

所述片层状结构硅酸镁锂可以具有15-25nm的直径，以及0.5-1.5nm的厚度。

所述将片层状纳米硅酸镁锂分散于所述有机高分子聚合物水溶液的步骤可以在50-90℃进行。

所述将混合体系静置的步骤可以在10-40℃进行。

所述静置的时间可以为10-20小时。

本发明还提供根据以上方法制备得到的硅酸镁锂基纳米流体，所述硅酸镁锂基纳米流体在外加剪切作用之前呈固相，具有1000-2500cp的粘度；在外加剪切作用之后呈液相，具有200-900cp的粘度。

本发明的制备方法工艺简单，通过使用片层状结构纳米硅酸镁锂和长链状结构有机高分子聚合物作为原料，制备得到了新型硅酸镁锂基纳米流体。该硅酸镁锂基纳米流体外观透明，具有优异的触变性和抗沉降稳定性。从而拓宽了纳米流体的性能和应用领域，实现了开发、合成新材料的目的。

【附图说明】

图1示出根据本发明实施例3制备的硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体粘度-剪切时间曲线。

图2示出根据本发明实施例6制备的硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体粘度-剪切时间曲线。

【具体实施方式】

本发明采用片层状结构硅酸镁锂与长链状结构有机高分子聚合物作为主要原料，来制备硅酸镁锂基纳米流体。本发明的制备方法大体上可以包括三个步骤：首先将链状结构有机高分子聚合物与水混合，形成有机高分子聚合物水溶液；再将片层状纳米硅酸镁锂分散于所述有机高分子聚合物水溶液中；最后将形成的混合体系静置，即得到硅酸镁锂基纳米流体。

由于，纳米流体中加入的有机高分子聚合物量相对硅酸镁锂的量要小的多，本发明采用这样的制备方法，首先制备有机高分子聚合物水溶液，再将硅酸镁锂添加到有机高分子聚合物水溶液中，以使有机聚合物能够更容易、更均匀地分散到体系中。

片层状结构硅酸镁锂通常为直径在15-25nm，厚度在0.5-1.5nm的纳米材料。其可以是从盐湖浓缩卤水或化工试剂制备得到的，也可以是天然矿物硅酸镁锂，或者是它们的混合物。本发明在原理上是通过利用硅酸镁锂与有机高分子聚合物通过分子间相互作用力的方式，在体系中形成三维网状的结构，以提升纳米流体的性能。因此，要求所用的有机高分子聚合物为链状结构，并且优选为水溶性的。作为举例，链状结构有机高分子聚合物可以是聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯，或它们的混合物，当然也可以是其他链状结构有机高分子聚合物。

在用量上，由于纳米流体中有机高分子聚合物的量是有规定的，当聚合物的量增多或减少超过一定范围时，会破坏纳米流体的稳定性，表观现象为纳米流体体系出现分层现象，因此，本发明中水与链状结构有机高分子聚合物的质量比可以在1000∶0.1-1的范围。此外，若纳米流体中，硅酸镁锂的量太多和太少，也会导致整个纳米流体体系就不具备相应的触变性性能，因此，水与片层状纳米硅酸镁锂的质量比可以在1000∶0.5-20的范围。

溶解有机高分子聚合物的步骤可以通过搅拌进行。此外，在分散片层状纳米硅酸镁锂的步骤中，为了使分散更容易进行，该步骤可以在加热条件下进行，然而温度过低会造成需要更长的分散时间，温度过高会导致体系中水的蒸发，不利于体系的稳定。因此，本发明中通过加热体系到50-90℃的温度来促进分散，在该温度范围内，硅酸镁锂能够更好、更快的分散于体系中。

静置是为了让硅酸镁锂与有机高分子聚合物通过分子间相互作用力的方式，在体系中形成三维网状的结构，从而可以提升纳米流体的性能。静置操作可以在室温附近的温度进行，例如10-40℃的温度范围，若静置温度过高，纳米流体中硅酸镁锂和高分子聚合物之间发生分子运动的几率增高，会对纳米流体的三维网络结构稳定性产生影响。静置的时间可以为10-20小时。这样的静置时间能够使纳米流体内部充分形成稳定的三维网络结构，时间太短则该三维网络结构可能未完全形成。

本发明的制备方法中，原料硅酸镁锂无需采用现有分散法中常用的复杂的分散手段(如改性、超声等)，而可以直接分散到水溶液体系中，因此与现有技术相比工艺更为简单。

根据以上方法制备得到的硅酸镁锂基纳米流体质地均一，外观透明。由于该纳米流体中特殊的纳米片层状结构硅酸镁锂与长链状结构有机高分子聚合物可通过范德华力相互作用，形成连续网状三位立体结构，使得该纳米流体在外加剪切力的作用下，表现出良好的触变性，可实现在固-液两相之间的相互自由转换。具体地，硅酸镁锂基纳米流体在外加剪切作用之前呈固相，具有1000-2500cp的粘度；在外加剪切作用之后呈液相，具有200-900cp的粘度。

此外，本发明制备得到的硅酸镁锂基纳米流体中，采用片层状结构的纳米硅酸镁锂作为固相。纳米硅酸镁锂的结构为两层硅氧四面体中间夹杂一层镁氧三八面体，三八面体中的部分镁被锂取代，使硅酸镁锂骨架带有负电荷，在硅酸镁锂层与层之间存在着可交换性的阳离子来平衡材料电中性。这种特殊的结构使硅酸镁锂在水中能够完全分散而不形成团聚体。因此本发明硅酸镁锂基纳米流体的制备方法与传统的方面比较制备工艺简单，且因固相在纳米流体中易分散且不发生团聚，得到的纳米流体抗沉降稳定性高，长期(例如，一个月以上)放置不发生团聚、沉降或分层。

本发明人将硅酸镁锂应用于纳米流体领域，拓宽了纳米流体的研究领域，合成出的硅酸镁锂基纳米流体赋予了纳米流体新的特殊性能。该类材料可以应用于地质钻探领域中的悬浮岩屑、提高机械钻速、保持井眼规则等方面。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。除特别说明以外，实施例中的试验条件和方法均采用本领域常规条件和方法进行。

实施例

原料与设备

硅酸镁锂：片层状结构，直径15-25nm、厚度0.5-1.5nm；

聚乙烯吡咯烷酮：型号K30，结构式(C₆H₉NO)n，分子量40000～60000；

聚氧化乙烯：结构式H-(-OCHCH_2-)n-OH，分子量100000～1000000

粘度采用博勒飞LVDV-II粘度计测定。

实施例1：硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体

将0.010g聚乙烯吡咯烷酮与100ml水混合，分散均匀后得到聚乙烯吡咯烷酮水溶液。再将0.05g硅酸镁锂分散到上述聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，将此混合物在50℃搅拌均匀，在10℃条件下静置10h，即可得到硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为1000cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为200cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

实施例2：硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体

将0.100g聚乙烯吡咯烷酮与100ml水混合，分散均匀后得到聚乙烯吡咯烷酮水溶液。再将2.000g硅酸镁锂分散到上述聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，将此混合物在90℃搅拌均匀，在40℃条件下静置20h，即可得到硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为2000cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为700cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

实施例3：硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体

将0.040g聚乙烯吡咯烷酮与100ml水混合，，分散均匀后得到聚乙烯吡咯烷酮水溶液。再将1.000g硅酸镁锂分散到上述聚乙烯吡咯烷酮水溶液中，将此混合物在在70℃搅拌均匀。在25℃条件下静置15h小时即可得到硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为1037cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为470cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

图1所示为根据该实施例制备得到的硅酸镁锂-聚乙烯吡咯烷酮纳米流体的粘度-剪切时间曲线。该纳米流体呈现塑性特征，从图中可见，其粘度随着搅拌时间的增加呈现逐渐下降的趋势，纳米流体的粘度由1037cp逐渐降低到470cp，由此说明该纳米流体具有优异的触变性。

实施例4：硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体

将0.010g聚氧化乙烯与100ml水混合，分散均匀后得到聚氧化乙烯水溶液。再将0.050g硅酸镁锂分散到上述聚氧化乙烯水溶液中，将此混合物在50℃搅拌均匀，在10℃条件下静置10h，即可得到硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为1235cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为350cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

实施例5：硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体

将0.100g聚氧化乙烯与100ml水混合，分散均匀后得到聚氧化乙烯水溶液。再将2.000g硅酸镁锂分散到上述聚氧化乙烯水溶液中，将此混合物在90℃搅拌均匀，在40℃条件下静置20h，即可得到硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为2500cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为900cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

实施例6：硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体

将0.060g聚氧化乙烯与100ml水混合，分散均匀后得到聚氧化乙烯水溶液。再将1.000g硅酸镁锂分散到上述聚氧化乙烯水溶液中，将此混合物在70℃搅拌均匀，在30℃条件下静置15h，即可得到硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体。

该纳米流体呈现均一、稳定、透明的状态，具有良好的触变性。外加剪切作用之前，纳米流体呈固相，其粘度为1830cp；在外加剪切作用后，纳米流体呈液相，其粘度减小为630cp。该纳米流体放置一个月以上不发生沉降和分层。

图2所示为根据该实施例制备得到的硅酸镁锂-聚氧化乙烯纳米流体的粘度-剪切时间曲线。该纳米流体呈现塑性特征，从图中可见，其粘度随着搅拌时间的增加呈现逐渐下降的趋势，纳米流体的粘度由1830cp逐渐降低到630cp，由此说明该纳米流体具有优异的触变性。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种硅酸镁锂基纳米流体的制备方法，包括以下步骤：

将聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯，或它们的混合物与水混合，形成有机高分子聚合物水溶液，水与所述聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯，或它们的混合物的质量比为1000：0.1-1；

将片层状纳米硅酸镁锂于50-90℃分散于所述有机高分子聚合物水溶液，形成混合体系，所述片层状纳米硅酸镁锂具有15-25nm的直径，以及0.5-1.5nm的厚度，水与所述片层状纳米硅酸镁锂的质量比为1000：0.5-20；

将所述混合体系于10-40℃静置10-20小时，得到硅酸镁锂基纳米流体。

2.根据权利要求1中所述的制备方法得到的硅酸镁锂基纳米流体，其特征在于，所述硅酸镁锂基纳米流体在外加剪切作用之前呈固相，具有1000-2500cp的粘度；在剪切作用之后呈液相，具有200-900cp的粘度。