CN106928907B - 一种高温稳定的纳米流体黑液及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高温稳定的纳米流体黑液及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于太阳能热利用技术领域，公开了一种高温稳定的纳米流体黑液及其制备方法与应用。所述纳米流体黑液由改性石墨烯纳米粒子与离子液体组成，其制备方法为：将羧基化石墨烯经预处理后至于氨基咪唑甲酰胺中，100～120℃下搅拌反应18～30h，产物经过滤、清洗、干燥后分散于四氢呋喃中，得到分散溶液，然后往分散溶液中加入NH4BF4，80～100℃下搅拌反应16～28h，产物经过滤、清洗、干燥，得到改性石墨烯纳米粒子，将改性石墨烯纳米粒子加入到离子液体中，搅拌分散均匀，得到所述高温稳定的纳米流体黑液。本发明所得高温稳定的纳米流体黑液高温稳定性好、导热系数高、光热转化性能好。

Description

一种高温稳定的纳米流体黑液及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种高温稳定的纳米流体黑液及其制备方法与应用。
背景技术
太阳能的热利用是太阳能开发利用最常用的利用方式，主要分为200℃以下的低温热利用和中、高温热利用。中高温热利用系统主要包括集热、储热、换热、动力、发电等子系统，其在热发电、海水淡化等领域具有广泛的应用前景，其中集热器作为吸收太阳光能量转化为热能的部件，在整个热利用系统中起着关键作用。在集热器中，集热效率很大程度上取决于集热介质。
目前，集热介质主要是采用导热油和熔融盐。导热油的缺点是存在高温不稳、易分解；而熔融盐的凝固点较高，一般大于120℃，使用过程中易堵塞管道，需要额外增加一套加热保护系统以实现启动与盐的化融过程，增加了系统的复杂性与成本，并带来维护困难等缺陷。
离子液体是一类由有机阳离子与无机或有机阴离子构成的在室温或近室温下呈现液态的熔盐体系。与上述传热流体相比，离子液体具有液程宽、几乎不挥发、热稳定性和化学稳定性好等优点，在太阳能中高温热利用领域具有广阔应用前景。
传统的离子液体的导热系数较低，光热转换性能差，限制了其进一步的应用。添加纳米粒子到离子液体中构成纳米流体，其导热系数、光热转化性能有明显的提高。但现有离子液体纳米流体不耐高温，在100℃以上容易沉积、从而降低导热系数及光热转化性能。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高温稳定的纳米流体黑液。
本发明的另一目的在于提供上述高温稳定的纳米流体黑液的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述高温稳定的纳米流体黑液在太阳能热利用技术领域中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高温稳定的纳米流体黑液，由改性石墨烯纳米粒子与离子液体组成，所述改性石墨烯纳米粒子均匀分散在离子液体中。
优选地，所述纳米流体黑液中，改性石墨烯纳米粒子的质量百分含量为0.005％～0.5％。
优选地，所述改性石墨烯纳米粒子为咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子。
优选地，所述的离子液体为[C12MIM]BF4、[C14MIM]BF4或[C16MIM]BF4。
所述咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子可通过如下方法制备得到：
将羧基化石墨烯分散在溶剂中，搅拌、过滤、乙醇清洗、干燥，得到固体粉末，将所得固体粉末至于氨基咪唑甲酰胺中，100～120℃下搅拌反应18～30h，产物经过滤、四氢呋喃清洗、干燥后分散于四氢呋喃中，得到分散溶液，然后往分散溶液中加入NH4BF4，80～100℃下搅拌反应16～28h，产物经过滤、乙醇清洗、干燥，得到咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子。
上述咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子的制备方法中，所述的溶剂优选氯化亚砜；所述固体粉末与氨基咪唑甲酰胺的质量比为(50～100):(200～400)；所述分散溶液中分散物与四氢呋喃的质量比为(100～200):(300～500)；所述NH4BF4的加入量与分散溶液中分散物的质量比为(300～500):(100～200)。
上述高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，包括如下步骤：将改性石墨烯纳米粒子加入到离子液体中，搅拌分散均匀，得到所述高温稳定的纳米流体黑液。
优选地，所述搅拌分散均匀的过程为：300～700W功率下搅拌1～3h，然后在100～200W功率下搅拌0.5～1h，然后静置5～10min。
上述高温稳定的纳米流体黑液在太阳能热利用技术领域中的应用。所述纳米流体黑液的使用温度可达200℃以上。
本发明的纳米流体黑液具有如下优点及有益效果：
本发明制备的高温稳定的纳米流体黑液高温稳定性好、导热系数高、光热转化性能好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，具体制备步骤如下：
将100质量份羧基化石墨烯分散在1000质量份氯化亚砜中，以功率300W转速300转/分钟机械搅拌12小时，过滤，用乙醇清洗3遍，取滤渣，在60℃干燥12小时，得到固体粉末；然后把固体粉末50质量份至于200质量份氨基咪唑甲酰胺中，在100℃下以功率300W转速100转/分钟机械搅拌18小时，过滤，用四氢呋喃清洗3遍，取滤渣，在140℃干燥12小时，得到固体粉末；接着，把100质量份的固体粉末放入300质量份的四氢呋喃中，在40℃下以功率200W转速200转/分钟机械搅拌6小时，得到分散溶液，把300质量份的NH4BF4加入到分散溶液中，在80℃下以功率500W转速500转/分钟机械搅拌16小时，过滤，用乙醇清洗3遍，取滤渣，在100℃干燥12小时，得到改性石墨烯纳米粒子。将质量百分含量为0.005％的改性石墨烯纳米粒子加入离子液体[C12MIM]BF4中，用300W功率搅拌1小时，再用100W功率搅拌0.5小时，然后静置5分钟，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述高温稳定的纳米流体黑液。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。200℃时，其导热系数比[C12MIM]BF4离子液体的导热系数提高5.2％，1000w/m2下光照温升提升了20℃。
实施例2
制备步骤同实施例1，所不同的是离子液体为[C14MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。220℃时，其导热系数比[C14MIM]BF4离子液体的导热系数提高6.7％，1000w/m2下光照温升提升了23℃。
实施例3
制备步骤同实施例1，所不同的是离子液体为[C16MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。180℃时，其导热系数比[C16MIM]BF4离子液体的导热系数提高5.7％，1000w/m2下光照温升提升了21℃。
实施例4
本实施例的一种高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，具体制备步骤如下：
将500质量份羧基化石墨烯分散在2000质量份氯化亚砜中，以功率700W转速500转/分钟机械搅拌36小时，过滤，用乙醇清洗5遍，取滤渣，在80℃干燥24小时，得到固体粉末；然后把固体粉末100质量份至于400质量份氨基咪唑甲酰胺中，在120℃下以功率500W转速300转/分钟机械搅拌30小时，过滤，用四氢呋喃清洗5遍，取滤渣，在160℃干燥24小时，得到固体粉末；接着，把200质量份的固体粉末放入500质量份的四氢呋喃中，在60℃下以功率400W转速400转/分钟机械搅拌10小时，得到分散溶液，把500质量份的NH4BF4加入到分散溶液中，在100℃下以功率800W转速600转/分钟机械搅拌28小时，过滤，用乙醇清洗5遍，取滤渣，在120℃干燥24小时，得到改性石墨烯纳米粒子。将质量百分含量为0.5％的改性石墨烯纳米粒子加入离子液体[C12MIM]BF4中，用700W功率搅拌3小时，再用200W功率搅拌1小时，然后静置10分钟，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述高温稳定的纳米流体黑液。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。200℃时，其导热系数比[C12MIM]BF4离子液体的导热系数提高22.3％，1000w/m2下光照温升提升了51℃。
实施例5
制备步骤同实施例4，所不同的是离子液体为[C14MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。220℃时，其导热系数比[C14MIM]BF4离子液体的导热系数提高25.7％，1000w/m2下光照温升提升了53.9℃。
实施例6
制备步骤同实施例4，所不同的是离子液体为[C16MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。180℃时，其导热系数比[C16MIM]BF4离子液体的导热系数提高25.7％，1000w/m2下光照温升提升了52.5℃。
实施例7
本实施例的一种高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，具体制备步骤如下：
将300质量份羧基化石墨烯分散在1500质量份氯化亚砜中，以功率500W转速400转/分钟机械搅拌24小时，过滤，用乙醇清洗4遍，取滤渣，在70℃干燥18小时，得到固体粉末；然后把固体粉末75质量份至于300质量份氨基咪唑甲酰胺中，在110℃下以功率400W转速200转/分钟机械搅拌24小时，过滤，用四氢呋喃清洗4遍，取滤渣，在150℃干燥18小时，得到固体粉末；接着，把150质量份的固体粉末放入400质量份的四氢呋喃中，在50℃下以功率300W转速300转/分钟机械搅拌8小时，得到分散溶液，把400质量份的NH4BF4加入到分散溶液中，在90℃下以功率650W转速550转/分钟机械搅拌20小时，过滤，用乙醇清洗4遍，取滤渣，在110℃干燥18小时，得到改性石墨烯纳米粒子。将质量百分含量为0.025％的改性石墨烯纳米粒子加入离子液体[C12MIM]BF4中，用500W功率搅拌2小时，再用150W功率搅拌0.75小时，然后静置7.5分钟，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述高温稳定的纳米流体黑液。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。200℃时，其导热系数比[C12MIM]BF4离子液体的导热系数提高12.7％，1000w/m2下光照温升提升了25.5℃。
实施例8
制备步骤同实施例7，所不同的是离子液体为[C14MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。220℃时，其导热系数比[C14MIM]BF4离子液体的导热系数提高13.7％，1000w/m2下光照温升提升了27.9℃。
实施例9
制备步骤同实施例7，所不同的是离子液体为[C16MIM]BF4。
经过测定，本实施例所得高温稳定的纳米流体黑液在200℃下可以稳定存在一个月以上。180℃时，其导热系数比[C16MIM]BF4离子液体的导热系数提高12.7％，1000w/m2下光照温升提升了25.5℃。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温稳定的纳米流体黑液，其特征在于：所述纳米流体黑液由改性石墨烯纳米粒子与离子液体组成，所述改性石墨烯纳米粒子均匀分散在离子液体中；所述改性石墨烯纳米粒子为咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子；所述的离子液体为[C12MIM] BF4、[C14MIM] BF4或[C16MIM] BF4；
所述咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子通过如下方法制备得到：
将羧基化石墨烯分散在氯化亚砜中，搅拌、过滤、乙醇清洗、干燥，得到固体粉末，将所得固体粉末置于氨基咪唑甲酰胺中，100~120℃下搅拌反应18~30h，产物经过滤、四氢呋喃清洗、干燥后分散于四氢呋喃中，得到分散溶液，然后往分散溶液中加入NH4BF4，80~100℃下搅拌反应16~28 h，产物经过滤、乙醇清洗、干燥，得到咪唑类离子液体基团改性的石墨烯纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种高温稳定的纳米流体黑液，其特征在于：所述纳米流体黑液中，改性石墨烯纳米粒子的质量百分含量为0.005%~0.5%。
3.根据权利要求1所述的一种高温稳定的纳米流体黑液，其特征在于：所述固体粉末与氨基咪唑甲酰胺的质量比为（50~100）:（200~400）；所述分散溶液中分散物与四氢呋喃的质量比为（100~200）:（300~500）；所述NH4BF4的加入量与分散溶液中分散物的质量比为（300~500）: （100~200）。
4.权利要求1~3任一项所述的一种高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将改性石墨烯纳米粒子加入到离子液体中，搅拌分散均匀，得到所述高温稳定的纳米流体黑液。
5.根据权利要求4所述的一种高温稳定的纳米流体黑液的制备方法，其特征在于所述搅拌分散均匀的过程为：300~700W功率下搅拌1~3h，然后在100~200W功率下搅拌0.5~1h，然后静置5~10min。
6.权利要求1~3任一项所述的一种高温稳定的纳米流体黑液在太阳能热利用技术领域中的应用。
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