CN103937463B - 一种二苄基甲苯型高温纳米导热油、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二苄基甲苯型高温纳米导热油、其制备方法及应用。本发明导热油包括二苄基甲苯导热油、纳米粒子、减阻剂和分散剂，所述纳米粒子的表面包覆着分散剂以形成改性纳米粒子，所述改性纳米粒子分散在导热油中形成悬浮液型导热油，所述纳米粒子为金属、金属氧化物、非金属和/或非金属氧化物。本发明导热油在传热介质中具有热稳定性好、传热速度快、加热均匀、储能量大的优点，最高使用温度达500℃，寿命为3年以上。

Description

一种二苄基甲苯型高温纳米导热油、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及热传导介质领域，具体涉及一种二苄基甲苯型高温纳米导热油、其制备方法及应用，所述高温是指导热油的使用温度达到500℃或以上。

背景技术

导热油正规名称为热载体油（Heat transfer oil），也称热导油，热煤油等。导热油是一种热量的传递介质，由于其具有加热均匀，控温准确，能在低蒸汽压下产生高温，传热效果好，节能，输送和操作方便等特点，近年来被广泛应用于各大领域。

研究发现，固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，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。为了提高导热油的导热性能，一般在导热油中加入金属、非金属或聚合物固体粒子。

早期的研究多局限于用毫米或者微米级的粒子悬浮于导热油中，虽然传热效果明显增加，但是由于粒子尺寸太大，容易在导热油中沉淀，引起管道磨损、堵塞等不良后果。

自20世纪90年代起，随着纳米材料科学的迅速发展，研究人员开始尝试利用纳米材料技术提高导热油性能。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的研究结果表明在液体中加入纳米粒子，可以增加悬浮液的导热系数，在同样传热负荷下，使用导热系数增大了3倍的纳米流体作为传热工质，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。而使用纯液体工质的热交换设备则需要耗费10倍的泵功率才能使热交换设备的传热效率提高2倍。这种差异显示了纳米流体应用于热交换设备的潜在优势。

纳米流体在传热和传质方面都具有很好的强化作用，这正好可以用来强化吸收过程中的传热和传质过程。而纳米流体的导热系数、表面张力、粘度和扩散系数等物理性质对纳米流体强化吸收过程的效果有很重要的影响。

纳米粒子的加入大大提高了导热油的导热系数，但是纳米粒子的加入同时也增加了导热油的流动阻力，导致其加热传热效果明显降低，控温准确度受到严重影响并且输送不便。

发明内容

根据上述领域的不足，本发明提供一种二苄基甲苯型高温纳米导热油、其制备方法及应用，以提高导热油的导热性能，延长导热油的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种二苄基甲苯型高温纳米导热油，其特征在于，包括二苄基甲苯导热油、纳米粒子、减阻剂和分散剂，所述纳米粒子的表面包覆着分散剂以形成改性纳米粒子，所述改性纳米粒子分散在导热油中形成悬浮液型导热油，所述纳米粒子为金属、金属氧化物、非金属和/或非金属氧化物。

上述导热油各组分的重量份配比为：二苄基甲苯导热油88～99.9份；改性纳米粒子0.05～10份；减阻剂0.001～0.5份；所述分散剂与纳米粒子的重量比为1:0.05-0.30。

优选上述导热油各组分的重量份配比为：二苄基甲苯导热油95.9～99.899份；改性纳米粒子0.1～4份；减阻剂0.001～0.1份。

所述改性纳米粒子所占重量份为2份。

所述纳米粒子选自纳米铜、纳米铝、纳米铁、纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛、纳米氧化镁的一种或几种，所述纳米粒子的平均粒径为10～20nm。

所述分散剂为亲油的表面活性剂司盘85，所述减阻剂剂为氯化十六烷基三甲基铵盐或溴化十六烷基三甲基铵盐。

上述导热油在太阳能光热发电高温蓄热传热系统中的应用。

上述导热油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）用气相法或固相法或化学气相沉积法制备纳米粒子；

2）取步骤1）所得纳米粒子将其分散在去离子水中，机械搅拌或超声波分散使其分散均匀；

3）加热步骤2）所得分散均匀的纳米粒子，不断搅拌下缓慢加入分散剂进行包覆改性，持续搅拌后，自然冷却即得改性纳米粒子；

4）在0～180℃条件下，将步骤3）所得改性纳米粒子分散到二苄基甲苯导热油中，搅拌，于80℃～120℃温度下，保温；

5）加入减阻剂，继续保温搅拌后，自然冷却，即得二苄基甲苯型高温纳米导热油；

所述导热油各组分重量份配比为：二苄基甲苯导热油88～99.9份；改性纳米粒子0.05～10份；减阻剂0.001～0.5份，所述纳米粒子为金属、金属氧化物、非金属和/或非金属氧化物，所述分散剂与纳米粒子的重量比为1:0.05-0.30；

所述分散剂为亲油性的表面活性剂司盘85，所述减阻剂为氯化十六烷基三甲基铵盐或溴化十六烷基三甲基铵盐。

所述纳米粒子的平均粒径为10～20nm，所述纳米粒子选自纳米铜、纳米铝纳米铁、纳米二氧化硅、纳米氧化锌、纳米三氧化二铝、纳米二氧化钛、纳米氧化镁的一种或几种。

步骤3）中，所述加入分散剂的温度是50℃～100℃，所述持续搅拌的时间是30～60min；步骤4）中所述保温时间是1～2h；步骤5）中，所述保温时间是2～3h；步骤4）中，分散所述改性纳米粒子的温度为90℃，所述改性纳米粒子所占重量份为2份；所述纳米粒子的平均粒径为15nm。

技术效果

本发明所制备的纳米导热油的纳米粒子分散性好、悬浮稳定性高。与不添加纳米粒子的导热油相比，导热系数明显提高，使用温度高达500℃，导热油的寿命在3年以上。

随着纳米粒子加入比例的增加，可能会不同程度增加导热油的流动阻力，因此本发明加入适量的减阻剂，这样既能提高导热油的导热系数，同时不影响导热油本身好的流动性。

本发明在加入纳米粒子的同时在体系中加入适量的减阻剂，以减小流动阻力，本发明纳米导热油加热传热效果好，控温准确，并且输送方便。

根据纳米粒子量的多少，选择机械搅拌或超声波分散将其分散均匀；当纳米粒子的量较少时，使用超声波分散；当纳米粒子的量较多时，使用机械搅拌使其分散均匀。

本发明中，当把所有组分总重量视为100份，包覆改性后的纳米粒子所占重量份为2份，并且添加纳米粒子的添加温度为90°C时，效果最佳，所得高温纳米导热油性能最好。

本发明中对纳米粒子的包覆改性不受方法和条件的限制，本发明中的包覆改性，主要是使分散剂包覆到纳米粒子上来改善纳米粒子在有机导热油基油中的分散性能，使其能均匀稳定地分散在导热油基油中，形成均匀稳定的纳米粒子悬浮液体体系，因此只要分散剂能牢固的包覆在纳米粒子的表面即可。

由于纳米粒子的粒径在纳米尺度时是受布朗力等力的作用，因此纳米粒子的加入使得体系中悬浮的纳米粒子作无规则行走扩散，热扩散和布朗扩散等现象存在于体系中，纳米粒子的微运动使得纳米粒子和液体导热油基体之间存在有微对流现象，这种微对流增强了纳米粒子与液体之间的能量传递过程，从而增大了纳米流体的导热系数。

由于本发明对纳米粒子进行包覆改性，使得纳米粒子在导热油基体中的分散性较好，另外，本发明在制备过程中还加入了适量的减阻剂氯化十六烷基三甲基铵盐或溴化十六烷基三甲基铵盐，解决了因加入纳米粒子而使导热油流动阻力增大的技术问题，本发明添加纳米粒子的导热油的导热系统显著提高，另外纳米粒子微运动的加剧，也使得本发明导热油在高温时的导热系数显著提高，本发明导热油的使用温度高达500℃，并且寿命超过3年。

本发明导热油在传热介质中具有热稳定性好、传热速度快、加热均匀、储能量大的优点。

本发明非常适合用于太阳能光热发电的高温蓄热传热系统。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。本发明中多用的试剂，如无特殊说明，均为商业途径获得，或者以常规实验方法配制；实施例中所用试验方法，如无特殊说明，均为本领域技术人员熟知的常规试验方法。

本发明实施例中所使用试剂的来源厂家和规格：

司盘85商购途径获得，购于江苏省海安石油化工厂；

二苄基甲苯导热油商购途径获得，购于南京澜大生环境科技有限公司，GW-B500；

本发明其他化学试剂都是工业纯级，商购途径获得，一般化学用品公司可以购买到。

实施例1.

1）用气相法制备出过量的铜纳米粒子7kg。

2）取将步骤1）所得纳米粒子3kg，将其分散在去离子水中，根据纳米粒子量选用超声波或者机械搅拌将其分散均匀。

3）加热步骤2）含纳米粒子的体系，温度达条件60℃下，不断搅拌并缓慢加入0.5kg的分散剂司盘85进行包覆改性。持续40min后自然冷却即制成改性纳米粒子。

4）20℃条件下将上述改性纳米粒子分散到96kg的二苄基甲苯导热油中，边加热边搅拌，逐渐升温至80℃，保温1h。

5）向步骤4）体系中加入减阻剂氯化十六烷基三甲基铵盐0.5kg，继续保温搅拌2h，自然冷却即制得二苄基甲苯型高温纳米导热油。

实施例2~6.

实施例2~6制备方法和个步骤的条件与实施例1相同，只是配方以及各组分的用量不同，其中实施例2~6配方以及个组分用量见表1。

表1.实施例2~6二苄基甲苯型高温纳米导热油配方以及个组分用量列表

表2是导热油的各项性能指标对比列表，其中包括本发明实施例1～6所得导热油；

现有技术普通导热油（以下简称X1），本发明发明人根据中国发明专利CN200310114441.6实施例9的方法和所列成分而制备的导热油；

现有技术中添加纳米粒子的导热油（以下简称X2），本发明发明人根据中国发明专利CN200810163229.1的方法和所列成分而制备的导热油。

表2.实施例1～6导热油与现有技术导热油的各项性能指标列表

注：设定X1导热油的导热系数为1，其他导热油相对于X1导热油的导热系数的相对值。

实施例7

1）用化学气相沉积法制备三氧化二铝纳米粒子10kg。

2）取步骤1）所得纳米粒子5kg，将其分散在去离子水中，根据纳米粒子量采用机械搅拌将其分散均匀。

3）加热步骤2）含纳米粒子的体系，温度达条件95℃下，不断搅拌并缓慢加入0.5kg的分散剂司盘85进行包覆改性。持续55min后自然冷却即制成改性纳米粒子。

4）180℃条件下，将上述改性纳米粒子分散到94kg的二苄基甲苯型导热油中，边搅拌边冷却，当温度为120℃时，保温2h。

5）向步骤4）体系中加入减阻剂氯化十六烷基三甲基铵盐0.5kg，继续保温搅拌3h，自然冷却即制得二苄基甲苯型高温纳米导热油。

实施例8～12.

实施例8～12制备方法和各步骤的条件与实施例7相同，只是配方以及各组分的用量不同，其中实施例8～12配方以及个组分用量见表3。

表3.实施例8～12二苄基甲苯型高温纳米导热油配方以及个组分用量列表

表4.实施例7～12导热油的各项性能指标列表

实施例13

1）用固相法制备出二氧化硅纳米粒子5kg，该纳米粒子的平均粒径是15nm。

2）取步骤1）所得纳米粒子1.6kg，将其分散在去离子水中，根据纳米粒子量采用超声波分散法将其分散均匀。

3）加热步骤2）含纳米粒子的体系，温度达条件80℃下，不断搅拌并缓慢加入0.4kg的分散剂85进行包覆改性。持续50min后自然冷却即制成改性纳米粒子。

4）90℃条件下将上述改性纳米粒子分散到97.5kg的二苄基甲苯型导热油中，搅拌条件下保温1.5h。

5）向步骤4）体系中加入减阻剂氯化十六烷基三甲基铵盐0.5kg，继续保温搅拌2.5h，自然冷却即制得二苄基甲苯型高温纳米导热油。

实施例14～18.

实施例14～18制备方法和各步骤的条件与实施例7相同，只是配方以及各组分的用量不同，其中实施例14～18配方以及个组分用量见表5。

表5.实施例14～18二苄基甲苯型高温纳米导热油配方以及各组分用量列表

表6.实施例13～18导热油的各项性能指标列表

将本发明实施例1～18所制备的导热油灌装贮藏，存放3年后仍是稳定悬浮的纳米粒子导热油。

通过对比具体实施方式中所列出的导热油的各项性能指标对比数据可以看出：

本发明高温纳米导热油与中国发明专利CN200310114441.6所公开的导热油（X1）相比，本发明的运动粘度与X1相当，但是本发明导热油的导热系数明显提高，说明本发明通过加入纳米粒子显著提高了导热油的导热系数。

本发明高温纳米导热油与中国发明专利CN200810163229.1所公开的导热油（X2）相比，虽然X2导热油的导热系数提高了，但是其粘度也大大增加了，这样导致X2导热油流动阻力增加，并且使得其加热传热效果降低，控温准确度降低，并且输送不便。而本发明高温纳米导热油导热系数提高的同时，其运动粘度并没有增加，因此本发明在导热油基油中添加纳米粒子在提高导热系数的同时并没有导致高温纳米导热油的流动阻力增加。

另外，通过对比本发明各配方的高温纳米导热油的各项性能，可以看出，当本发明高温纳米导热油各组分总的的重量份为100份，纳米粒子所占重量份为2份，并且分散纳米粒子的温度为90℃，所制得的高温纳米导热油各方面性能最佳，使用效果最好。

本发明所制备的纳米导热油的纳米粒子分散性好、悬浮稳定性高，传热速度快，加热均匀，导热性能高，储能量大，控温准确，并且输送方便，使用温度高达500℃，导热油的寿命长达3年以上。

Claims (6)

1.一种二苄基甲苯型高温纳米导热油，其特征在于，由二苄基甲苯导热油、纳米粒子、减阻剂和分散剂组成，所述纳米粒子的表面包覆着分散剂以形成改性纳米粒子，所述改性纳米粒子分散在导热油中形成悬浮液型导热油；各组分的重量份配比为：二苄基甲苯导热油88～99.9份；改性纳米粒子0.05～10份；减阻剂0.001～0.5份；所述分散剂与纳米粒子的重量比为1:0.05～0.30；所述纳米粒子选自纳米氧化锌或纳米二氧化钛，所述纳米粒子的平均粒径为10～20nm；所述分散剂为亲油的表面活性剂司盘85，所述减阻剂为氯化十六烷基三甲基铵盐或溴化十六烷基三甲基铵盐。

2.根据权利要求1所述的导热油，其特征在于，各组分的重量份配比为：二苄基甲苯导热油95.9～99.899份；改性纳米粒子0.1～4份；减阻剂0.001～0.1份。

3.根据权利要求2所述的导热油，其特征在于，所述改性纳米粒子所占重量份为2份。

4.权利要求1～3任一所述导热油在太阳能光热发电的高温蓄热传热系统中的应用。

5.权利要求1～3任一所述导热油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用气相法或固相法或化学气相沉积法制备纳米粒子；

2)取步骤1)所得纳米粒子将其分散在去离子水中，机械搅拌或超声波分散使分散均匀；

3)加热步骤2)所得分散均匀的纳米粒子，不断搅拌下缓慢加入分散剂进行包覆改性，持续搅拌后，自然冷却即得改性纳米粒子；

4)在0～180℃下，将步骤3)所得改性纳米粒子分散到二苄基甲苯导热油中，搅拌，于80℃～120℃温度下，保温；

5)加入减阻剂，继续保温搅拌后，自然冷却，即得二苄基甲苯型高温纳米导热油；

所述导热油各组分重量份配比为：二苄基甲苯导热油88～99.9份；改性纳米粒子0.05～10份；减阻剂0.001～0.5份，所述分散剂与纳米粒子的重量比为1:0.05～0.30；

所述分散剂为亲油性的表面活性剂司盘85，所述减阻剂为氯化十六烷基三甲基铵盐或溴化十六烷基三甲基铵盐；

所述纳米粒子的平均粒径为10～20nm，所述纳米粒子选自纳米氧化锌或纳米二氧化钛。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述加入分散剂的温度是50℃～100℃，所述持续搅拌的时间是30～60min；步骤4)中所述保温时间是1～2h；步骤5)中，所述保温时间是2～3h；步骤4)中，分散所述改性纳米粒子的温度为90℃；所述改性纳米粒子所占重量份为2份；所述纳米粒子的平均粒径为15nm。