CN104164222A - 一种高导热系数水基纳米流体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热系数水基纳米流体及其制备方法，由以下重量百分比的原料制成：纳米颗粒0.05%-0.15%；蒸馏水99.73%-99.90%；分散剂0.05-0.12%，采用两步法制备悬浮稳定的水基纳米流体，程序简单，花费少，纳米流体中纳米颗粒粒径小，含量少，分布范围窄，纳米颗粒之间的碰撞频率小，分散稳定性好，可稳定维持30-60天，导热系数相比水工质提高了10.1%-15.8%，广泛适用于航空航天、电子、医疗、化工、建筑、食品等领域，能大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标，降低热交换设备体积。

Description

一种高导热系数水基纳米流体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传热或冷却工质，特别是一种纳米流体传热或冷却工质。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，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，对热交换系统的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高，对强化传热技术提出了新的更高的要求，比如，航天器热控制、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却及大功率电子元件的散热等等。因此，迫切需要研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备，满足高负荷传热要求，满足特殊条件下的强化传热要求。

以往强化传热技术的研究多从强化换热表面、制造工艺以及外力辅助等入手，要进一步提高热交换系统的传热性能，此时换热工质的传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素；另一方面，由于一些热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求，传统的纯液体换热工质（如水、油、醇等）已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，也就是说，低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍，要进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备，必须从工质本身入手研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质。

提高液体传热性能的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得许多。自从Maxwell理论发表以来，许多学者进行了大量关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损及堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。

自20世纪90年代以来，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等提出了一个崭新的概念－纳米流体：即将1-100nm的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成一类新的传热冷却工质，与原纯工质相比，纳米流体的导热系数显著提高，具有极优越的传热性能。

比如公开号为“CN1115372C”的专利文件公开了一种可做传热冷却工质的纳米流体材料，其采用的技术方案是：由体积比为1%-10%的纳米粒子，89.5%-98.8%的液体介质和0.2%-0.5%的分散剂或表面活性剂组成，这种纳米流体材料的成分不合理，纳米粒子颗粒的含量大，导致纳米流体中纳米颗粒之间的碰撞频率大，易引起颗粒聚集，进而形成团聚，团聚体易沉降，不利于形成均匀稳定的悬浮液，从而影响纳米流体导热系数的提高，通过实验，这种纳米流体只能维持1-3天左右，不能满足大部分产品对传热冷却工质的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种分散稳定性好，可稳定维持30-60天的高导热系数水基纳米流体及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高导热系数水基纳米流体，由以下重量百分比的原料制成：纳米颗粒0.05%-0.15%；蒸馏水99.73%-99.90%；分散剂0.05-0.12%。

所述分散剂的重量与纳米颗粒的重量比≤1。

所述纳米颗粒的粒径小于50nm。

所述纳米颗粒选自Cu纳米粒子、Al₂O₃纳米粒子或碳纳米管纳米粒子中的一种。

所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、或辛烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。

0.10 wt %Cu－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：Cu纳米粒子0.10%；蒸馏水99.80%；十二烷基苯磺酸钠0.10%。

0.15 wt %Al₂O₃－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：Al₂O₃纳米粒子0.15%；蒸馏水99.73%；十二烷基苯磺酸钠0.12%。

0.05wt %碳纳米管－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：碳纳米管纳米粒子0.05%；蒸馏水99.90%；十六烷基三甲基溴化铵0.05%。

上述高导热系数水基纳米流体的制备方法为：

（1）、将上述重量份数的纳米颗粒、蒸馏水、分散剂混合，搅拌5分钟至完全溶解，制成悬浮液。

（2）、用0.1mo1/L HCl或0.1mo1/L NaOH溶液调节悬浮液的pH值为8.0-9.5，然后在超声波频率为40KHz、温度为20-25℃的条件下超声振动2小时，得到高导热系数水基纳米流体悬浮液。

本发明的有益效果是：本发明将纳米粒子与水工质按需要的比例直接混合，同时添加一定比例的分散剂，调节适当的pH值，在超声振动条件下，采用两步法制备悬浮稳定的高效传热冷却工质，程序简单，花费少，非常适合于实际应用。制得的纳米流体中纳米颗粒粒径小，含量少，分布范围窄，纳米颗粒之间的碰撞频率小，通过添加分散剂，调节pH值的方式，阻止纳米颗粒之间的团聚，分散稳定性好，可稳定维持30-60天，导热系数相比水工质提高了10.1%-15.8%，可作为高效换热或冷却工质，广泛适用于航空航天、电子、医疗、化工、建筑、食品等领域，能大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标，降低热交换设备的成本，同时减少换热工质总量，大大降低热交换系统的动力消耗。

具体实施方式

一种高导热系数水基纳米流体，由以下重量百分比的原料制成：粒径小于50nm的金属或非金属纳米颗粒0.05%-0.15%；蒸馏水99.73%-99.90%；分散剂0.05-0.12%，粒径小于50nm的纳米颗粒可以采用激光复合加热蒸发法制备。

所述分散剂的重量与纳米颗粒的重量比≤1。在这个重量比的范围内，加入的分散剂通过静电排斥作用，使得制备的纳米流体分散稳定性最好。当分散剂的重量与纳米颗粒的重量比>1时，随分散剂用量的增加，纳米流体的分散稳定性降低，同时增加了界面热阻，将影响流体的传热性能。

分散剂能降低液体的表面张力或者改变纳米颗粒的表面特征，防止纳米颗粒的团聚而聚沉，使纳米颗粒能稳定悬浮于流体中。因此分散剂的加入可以有效地对分散介质中的纳米粒子起到分散稳定的作用，但加入量一定要合适，如果加入量过少或过多，将会导致纳米流体的分散稳定性较差。本发明的分散剂可选用离子型分散剂，如十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十二烷基硫酸钠（SDS）等，也可以选用非离子型分散剂，如辛烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）等，还可以选用一定比例复配的分散剂。

所述纳米颗粒选自Cu纳米粒子、Al₂O₃纳米粒子或碳纳米管纳米粒子中的一种。

实施例1：

制备0.10 wt %Cu－水纳米流体。

组分：Cu纳米粒子0.10g；蒸馏水99.80；十二烷基苯磺酸钠0.10g。

制备方法如下：

1、将0.10gCu纳米粒子、99.80g蒸馏水和0.10g十二烷基苯磺酸钠（SDBS）混合（常温常压），搅拌5分钟至完全溶解，制成悬浮液。

2、用0.1mo1/L HCl或0.1mo1/L NaOH溶液调节悬浮液pH值为8.5-9.5，然后在超声波频率为40KHz、温度为20-25℃的条件下超声振动2小时左右（常压），得到0.10 wt %Cu－水纳米流体，该悬浮液的分散性和稳定性较好，可稳定维持30天左右，其导热系数相比水工质提高了12.5%左右。

在水基纳米流体的稳定分散中,当pH值较小时，粒子之间的静电斥力不足以与粒子间的吸引力相抗衡，粒子Brown运动使得粒子互相碰撞聚沉，相应分散稳定性很差。随着pH值增加，粒子之间形成的静电斥力，足以阻止由于Brown运动产生的粒子之间相互吸引和碰撞，较大的静电斥力也使粒子相对独立，粒子间的距离增加，从而超过了粒子之间发生氢键作用的距离，进一步减少了粒子互相聚集并沉降的机会，相应分散稳定性得以改善。

在调节pH值过程中，总有一个最佳范围，在本发明限定的范围内，悬浮液中粒子之间的静电排斥作用较强，从而团聚的粒子借助于机械力的作用，被打开后较易分散稳定，纳米流体分散性较好，分散性好有利于纳米流体导热系数的提高。

实施例2：

制备0.15 wt % Al₂O₃－水纳米流体。

组分：Al₂O₃纳米粒子0.15g；蒸馏水99.73g；十二烷基苯磺酸钠0.12g。

制备方法如下：

1、将0.15gAl₂O₃纳米粒子、99.73g蒸馏水和0.12g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)混合（常温常压），搅拌5分钟至完全溶解，制成悬浮液。

2、用0.1mo1/L HCl或0.1mo1/L NaOH溶液调节悬浮液pH值为8.0-9.0，然后在超声波频率为40KHz、温度为20-25℃的条件下超声振动2小时左右（常压），得到0.15 wt % Al₂O₃－水纳米流体悬浮液，该悬浮液的分散性和稳定性较好，可维持30天左右，其导热系数相比水工质提高了10.1%左右。

实施例3：

制备0.05wt %碳纳米管－水纳米流体。

组分：碳纳米管纳米粒子0.05g；蒸馏水99.90g；十六烷基三甲基溴化铵0.05g。

制备方法如下：

1、将0.05g碳纳米管纳米粒子、99.90g蒸馏水和0.05g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)混合，（常温常压），搅拌5分钟至完全溶解，制成悬浮液。

2、用0.1mo1/L HCl或0.1mo1/L NaOH溶液调节悬浮液pH值为8.0-9.0，然后在超声波频率为40KHz、温度为20-25℃的条件下超声振动2小时左右（常压），得到悬浮液，该悬浮液的分散性、稳定性较好，可维持60天左右，其导热系数相比水工质提高了15.8%左右。

本发明将纳米粒子与水工质按需要的比例直接混合，同时添加一定比例复配的分散剂，调节适当的pH值，在超声振动条件下，采用两步法制备悬浮稳定的高效传热冷却工质，程序简单，花费少，非常适合于实际应用。制得的纳米流体中纳米颗粒粒径小，含量少，分布范围窄，纳米颗粒之间的碰撞频率小，通过添加分散剂，调节pH值的方式，阻止纳米颗粒之间的团聚，分散稳定性好，可稳定维持30-60天，导热系数相比水工质提高了10.1%-15.8%，可作为高效换热或冷却工质，广泛适用于航空航天、电子、医疗、化工、建筑、食品等领域，能大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标，降低热交换设备的成本，同时减少换热工质总量，大大降低热交换系统的动力消耗。

Claims (9)

1.一种高导热系数水基纳米流体，其特征在于其由以下重量百分比的原料制成：

纳米颗粒0.05%-0.15%；

蒸馏水99.73%-99.90%；

分散剂0.05-0.12%。

2.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于所述分散剂的重量与纳米颗粒的重量比≤1。

3.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于所述纳米颗粒的粒径小于50nm。

4.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于所述纳米颗粒选自Cu纳米粒子、Al₂O₃纳米粒子或碳纳米管纳米粒子中的一种。

5.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、或辛烷基酚聚氧乙烯醚中的一种。

6.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于0.10 wt %Cu－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：

Cu纳米粒子0.10%；

蒸馏水99.80%；

十二烷基苯磺酸钠0.10%。

7.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于0.15 wt %Al₂O₃－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：

Al₂O₃纳米粒子0.15%；

蒸馏水99.73%；

十二烷基苯磺酸钠0.12%。

8.根据权利要求1所述的高导热系数水基纳米流体，其特征在于0.05wt %碳纳米管－水纳米流体由以下重量百分比的原料制成：

碳纳米管纳米粒子0.05%；

蒸馏水99.90%；

十六烷基三甲基溴化铵0.05%。

9.一种如权利要求1-8任一权利要求所述的高导热系数水基纳米流体的制备方法，其特征在于其步骤如下：

（1）、将上述重量份数的纳米颗粒、蒸馏水、分散剂混合，搅拌5分钟至完全溶解，制成悬浮液；

（2）、用0.1mo1/L HCl或0.1mo1/L NaOH溶液调节悬浮液的pH值为8.0-9.5，然后在超声波频率为40KHz、温度为20-25℃的条件下超声振动2小时，得到高导热系数水基纳米流体悬浮液。