CN113462364A - 一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液及其制备方法，包括以下步骤：配置0.1～1.5％的MXene，向0.1～1.5％的MXene中加入78.5～98.9％的去离子水或蒸馏水，再加入1～20％重量份的相变材料，水浴加热至相变材料完全融化，采用细胞粉碎机以100～900W功率乳化5～30min。该方法制备的相变材料乳液分散稳定性好、粒径均一、相变热焓高，过冷度小，且该方法操作简便、高效、便于工业化实施。

Description

一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液及其制备方法
技术领域
本发明涉及具有相变储能功能的相变材料乳液的技术领域，具体涉及一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液及其制备方法。
背景技术
相变材料(Phase Change Material,PCM)在其物态变化时能吸收(或放出)大量热量，具有储能密度高、性能稳定、相变温度合适等优点。在表面活性剂作用下，将相变材料以液滴形式分散到流体中(连续相)得到的稳定悬浮液称为相变乳液。相变乳液在相变过程中能显著地提高传热流体的有效比热容和增强其传热性能。因此，相变乳液作为新型传热流体在传热和热能储存系统中显示出巨大的应用潜力。近年来，研究者在这方面都有较为深入的研究。然而，相变乳液是热力学不稳定性体系，并且以小液滴的形式存在的相变乳液通常伴随严重过冷，而较大过冷度会延长相变乳液的工作温度范围并削弱其储能性能，因此如何提高相变乳液的热稳定性和降低其过冷度是推进相变乳液实际应用的关键。此外，相变乳液作为一种新型集热流体，对其流变特性及其传热性能也显得十分必要。虽然目前对相变乳液的研究已经取得较大成果，但制备出兼具稳定性好，过冷度低，导热性好且流动性好的相变乳液仍然面临着巨大的挑战。
二维过渡金属碳化物(MXene)具有良好亲水性，能够在油-水界面上形成稳定状态，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)可以通过表面正电荷-N(CH3)3和Ti3C2-MXene-O基团的相互作用来调节Ti3C2-MXene的亲疏水平衡[1]。同时，MXene具有较高导热性[2]，多层和单层Ti3C2纳米流体的热导率分别比乙二醇提高了53.1％和64.9％。另外，MXene基类janus纳米表面活性剂已被证明通过Ti3C2Tx和POSS-NH2的协同组装能增强纳米材料的界面活性[3,4]。尽管MXene材料作为纳米添加剂能够在两相界面形成自组装结构，但仍难以满足作为高效相变功能流体要求。因此，如何构建高性能相变乳液作为相变功能流体，仍是当前面临的巨大挑战。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液及其制备方法，利用该方法制备的相变材料乳液性能稳定、粒径均一、相变热焓高，且该方法操作简便、高效、便于工业化实施。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液，所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液以质量百分比计，包括：水78.5～98.9％、相变材料1～20％、MXene 0.1～1.5％。
优选地，所述水为去离子水或蒸馏水。
优选地，所述相变材料为相变熔化温度为0～70℃、碳原子数14～30的烷烃或卤代烷烃。
优选地，所述相变材料的相变潜热为100～300J/g。
优选地，所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Mo3C2、Nb4C3、Nb2C中的一种。
优选地，所述相变材料为熔化温度为53.0℃的石蜡或熔化温度为3.2℃的正十四烷。
一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液的制备方法，具体步骤如下：配置0.1～1.5％的MXene作为乳化剂，向0.1～1.5％的MXene中加入78.5～98.9％的去离子水或蒸馏水，再加入1～20％的相变材料，水浴加热至相变材料完全熔化，以100～900W功率乳化5～30min，即得到MXene相变材料乳液，其中相变材料与MXene质量比为10:1～15:1。
优选地，其特性在于：所述乳化在25～80℃温度下，采用细胞粉碎机以400～600W功率乳化10～15min。
优选地，向0.1～1.5％的MXene中加入78.5～98.9％的去离子水或蒸馏水。
优选地，将MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.1～1.5％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为400W，超声时间为10min。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用新颖的MXene同时作为乳化剂和成核剂，提高相变乳液稳定性同时降低其过冷度；MXene具有较大的表面积、亲水性、较高的表面反应活性等特性，能够在相变材料乳液中充当乳化剂的作用在两相界面形成自组装结构从而提高相变乳液的稳定性。
(2)本发明采用的制备方法生产能耗小、工序简单、成本低廉、所制成乳液稳定性高、粒径细小、均匀、可抵抗多次冻融、剧烈震荡和剪切，不会发生破乳现象，并且得益于微小的液滴尺度，可抵抗重力作用，不发生重力分层。
(3)本发明制备的相变乳液具有环境友好、无毒、无腐蚀性、原材料及工艺成本低、适合多种工况使用的优点。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例1制得的石蜡/水相变乳液的扫描电镜(SEM)示意图。
图2为本发明实施例1制得的石蜡/水相变乳液的粒径分布示意图。
图3为本发明实施例1制得的石蜡/水相变乳液的差示扫描量热(DSC)曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所使用十四烷主要由饱和烃构成，可用通式为C14H30，通常熔点为6℃左右。十四烷具有较高的相变潜热，其在相变过程中过冷度低，并且无析出现象，性能稳定、无毒、无腐蚀性、价格低廉，是一种理想的相变材料。石蜡作为相变储能材料具有较高的相变潜热，无过冷及层析现象，性能稳定、无毒无害、无腐蚀性，价格便宜等优点。Ti3C2表面含有-F和-OH，具有较强的亲水性，能够在油-水界面形成稳定状态，有望成为表面活性剂和成核剂既能提高相变乳液稳定性又能减少其过冷度。
实施例1
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的相变乳液的石蜡质量分数为10％，熔化焓为12.6J/g，大部分液滴粒径分布在40～100nm，相变乳液平均粒径为683nm。
取实施例1制备所得的石蜡/水相变乳液进行SEM、液滴粒径和DSC的测试，结果如图1-3所示。
图1是使用本发明制备方法由实施例1制得的熔化温度为53.0℃石蜡/水相变乳液的SEM图。
图2是使用本发明制备方法由实施例1制得的熔化温度为53.0℃石蜡/水相变乳液的液滴粒径分布示意图，液滴平均粒径为683nm。
图3是使用本发明制备方法由实施例1制得的熔化温度为53.0℃的石蜡/水相变乳液的DSC曲线。其中，石蜡质量分数为10％，相变熔化焓变为12.6J/g。
实施例2
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为43.8℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为12.0J/g，液滴平均粒径为801nm。
实施例3
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为500W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以500W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为12.1J/g。液滴平均粒径为681nm。
实施例4
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为400W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以400W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为12.8J/g。液滴平均粒径为708nm。
实施例5
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为10min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和10min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为11.8J/g。液滴平均粒径为680nm。
实施例6
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为5min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在80℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和5min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为13.1J/g。液滴平均粒径为689nm。
实施例7
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.7％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.3％蒸馏水，混合均匀后加入10％熔化温度为3.2℃正十四烷，水浴加热至相变材料完全熔化，在25℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的十四烷/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为11.0J/g。液滴平均粒径为559nm。
实施例8
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为3.2℃正十四烷，水浴加热至相变材料完全熔化，在25℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的十四烷/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为14.0J/g。液滴平均粒径为542nm。
实施例9
Ti3C2相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制1.1％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为400W，超声时间为10min；向上述乳化剂中加入89.1％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为3.2℃正十四烷，水浴加热至相变材料完全熔化，在25℃温度下，采用细胞粉碎机以400W超声粉碎功率和10min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的十四烷/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为13.4J/g。液滴平均粒径为459nm。
实施例10
Nb2C相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为600W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入88.9％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在70℃温度下，采用细胞粉碎机以600W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为11.2J/g。液滴平均粒径为612nm。
实施例11
Nb2C相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为500W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入88.9％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在75℃温度下，采用细胞粉碎机以500W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为11.0J/g。液滴平均粒径为730nm。
实施例12
Nb2C相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为400W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入88.9％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在70℃温度下，采用细胞粉碎机以400W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为10.9J/g。液滴平均粒径为792nm。
实施例13
Nb2C相MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.9％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为300W，超声时间为15min；向上述乳化剂中加入88.9％去离子水，混合均匀后加入10％熔化温度为53.0℃石蜡，水浴加热至相变材料完全熔化，在70℃温度下，采用细胞粉碎机以300W超声粉碎功率和15min超声粉碎时间下乳化混合溶剂，制得的石蜡/水相变乳液质量分数为10％，熔化焓为11.6J/g。液滴平均粒径为616nm。
以上实施例对本发明的产品及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本发明的主要步骤及实施方式进行了阐述，上述实施例只是帮助理解本发明的方法及核心原理。对于本领域的技术人员，依据本发明的核心原理，在具体实施中会对各条件和参数根据需要而变动，综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特征在于：所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液以质量百分比计，包括：水78.5～98.9％、相变材料1～20％、MXene 0.1～1.5％。
2.根据权利要求1所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特性在于：所述水为去离子水或蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特性在于：所述相变材料为相变熔化温度为0～70℃、碳原子数14～30的烷烃或卤代烷烃。
4.根据权利要求1所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特性在于：所述相变材料的相变潜热为100～300J/g。
5.根据权利要求1所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特性在于：所述MXene为Ti3C2、Ti2C、Mo3C2、Nb4C3、Nb2C中的一种。
6.根据权利要求1所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液，其特性在于：所述相变材料为石蜡或正十四烷。
7.一种根据权利要求1-6所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：配置0.1～1.5％的MXene作为乳化剂，向0.1～1.5％的MXene中加入78.5～98.9％的去离子水或蒸馏水，再加入1～20％的相变材料，水浴加热至相变材料完全熔化，以100～900W功率乳化5～30min，即得到MXene相变材料乳液，其中相变材料与MXene质量比为10:1～15:1。
8.根据权利要求7所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液的制备方法，其特性在于：所述乳化在25～80℃温度下，采用细胞粉碎机以400～600W功率乳化10～15min。
9.根据权利要求7所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液的制备方法，其特性在于：向0.1～1.5％的MXene中加入78.5～98.9％的去离子水或蒸馏水。
10.根据权利要求7所述的二维材料MXene稳定的水基相变乳液的制备方法，其特性在于：将MXene加入去离子水中，通过超声分散配制0.1～1.5％MXene水分散液作为乳化剂，超声频率为400W，超声时间为10min。
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