CN113881398A - 一种纳米流体吸能材料、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米流体吸能材料、制备方法及其应用，按照质量比将添加剂与基液混合，得到混合液A；在低速搅拌条件下，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂，高速搅拌，得到混合液B；在高速搅拌条件下，将混合液B加热；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料，高速搅拌混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。制备得到的吸能材料提高了吸能密度，碰撞冲击条件下的防护性能，能够满足煤矿阻燃抗静电等矿用要求。适用于煤矿无轨运输设备中安全防护。
Description
技术领域
本发明涉及吸能材料，特别是一种纳米流体吸能材料、制备方法及其应用。
背景技术
近年来，随着现代化大型煤矿无轨运输设备和技术的高速发展，大幅度提高了煤矿的生产效率和经济效益，同时，防爆无轨胶轮车失速事故的发生也愈加频繁，对煤矿造成了极大的经济损失和人员伤亡。然而，目前还未有相关煤矿无轨运输安全防护的行业及产品标准，大多数采用防撞桶或者废旧轮胎进行安全防护，其中，防撞桶使用的材料主要为塑料材料，轮胎主要采用的是橡胶材料，此类材料耗能效果不佳，不能起到有效的安全防护作用。
为了有效地减缓碰撞、冲击、振动等带来的伤害，发展高性能的吸能材料十分必要。为了提高防护结构的性能，各国科学家开展了大量的研究工作，包括高吸能材料研究，吸能部件的拓扑和几何结构优化，防护结构宏观设计和优化。各种不同的吸能机理(如塑性失稳、相变、摩擦耗散、表面/界面能量吸收)都被用来提高防护结构的吸能密度。令人遗憾的是目前市场上绝大多数防护材料，其吸能密度仅为1-10J/g左右，远远不能满足在一般的碰撞冲击条件下的防护性能，在一些特殊环境如煤矿，还需满足阻燃抗静电等矿用要求。
纳米多孔材料是纳米材料发展以来的第三代材料，巨大的比表面积，提供了一个理想的能量转换平台。固-液界面的耦合，使得纳米多孔材料和功能流体的结合成为新型的多功能能量转换系统，目前针对纳米流体吸能材料的研究较少。已有的吸能材料制备方法比较复杂，表面处理过程繁琐。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有可调节吸能密度的纳米流体吸能材料及其制备方法，制备得到的吸能材料提高了吸能密度，碰撞冲击条件下的防护性能，能够满足煤矿阻燃抗静电等矿用要求。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明一方面，提供了一种纳米流体吸能材料的制备方法，包括如下步骤：
按照质量比1：(2.9～5.1)将添加剂与基液混合，得到混合液A；
在低速搅拌条件下，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂，高速搅拌，得到混合液B；
在高速搅拌条件下，将混合液B加热；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料，高速搅拌混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
优选的，所述基液为去离子水、润滑油、乙二醇和丙三醇或者上述醇水混合溶剂中的一种或者几种组合。
优选的，所述添加剂为氯化钠、碳酸钠、氯化钾、碳酸钾、六偏磷酸钠和氯化十六烷基三甲基氯化铵粉体中的一种或几种。
优选的，所述纳米多孔材料为纳米多孔分子筛ZSM-5、ZSM-22、沸石、二氧化硅、氧化铝、硅土、活性炭和二氧化钛和碳纳米管的一种或者多种。
优选的，所述增稠剂为琼脂、糊精、羧甲基纤维素钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者几种。
优选的，在混合液A中加入增稠剂前低速搅拌转速为75-100r/min，低速搅拌30-60min后加入增稠剂，高速搅拌转速为150-200r/min。
优选的，将混合液B加热至40-60℃，在转速为150-175r/min高速搅拌240-300min。
优选的，在混合液B中加入纳米多孔材料，在转速为175-200r/min高速搅拌60-120min。
本发明另一方面，提供了一种所述方法制备得到的纳米流体吸能材料。
本发明另一方面，提供了所述纳米流体吸能材料在煤矿无轨运输和阻燃抗静电煤矿中应用。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明制备的纳米流体吸能材料根据纳米多孔材料和基液比例，改变有效孔容，即能够容纳液体的孔道容积，从而调节微纳尺度多孔材料液体体系的比表面积，通过添加添加剂，添加剂分子自身可以进入到纳米流体孔道，进而调制流体吸附性能等，进而调节吸能密度，吸能密度可达60J/g以上。
当不润湿的液体在外力(如冲击、碰撞)作用下渗入纳米孔时，外力可以转换为液固两相间的盈余表面张力和摩擦力，从而进行耗能。由于纳米多孔材料的单位质量表面积是基体材料的几十亿倍，所以能量吸收密度可以达到68-100J/g。
纳米流体吸能材料为流体材料，可以根据应用场景选择封装材料，可以实现柔性封装，进行柔性防护。
纳米流体吸能材料具有阻燃抗静电性能，能够适用于煤矿等特殊领域。
该方法工艺简单，成本低廉，适合大规模生产，具有很好的推广应用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为纳米流体吸能材料制备流程框图；
图2为实施例1配方吸能密度测试曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供的一种纳米流体吸能材料的制备方法，包括：
步骤1：按照质量比1：(2.9～5.1)将添加剂(氯化钠、碳酸钠、氯化钾、碳酸钾、六偏磷酸钠和氯化十六烷基三甲基氯化铵粉体中的一种或几种)与基液(去离子水、润滑油、乙二醇、丙三醇或上述醇水混合溶剂中的一种或者几种组合)混合，得到混合液A；
步骤2：低速75-100r/min搅拌30-60min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂(琼脂、糊精、羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者几种组合)，高速150-200r/min搅拌，得到混合液B；
步骤3：在高速搅拌条件下，将混合液B加热至40-60℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料(纳米多孔分子筛ZSM-5、ZSM-22、沸石、二氧化硅、氧化铝、硅土、活性炭、二氧化钛和碳纳米管的一种或者多种)，在转速为175-200r/min高速搅拌60-120min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1
1)按照质量比1：2.9将添加剂氯化钠、氯化钾和六偏磷酸钠与基液去离子水混合，得到混合液A；
2)低速80r/min搅拌50min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂琼脂，高速150r/min搅拌，得到混合液B；
3)在高速搅拌条件下，将混合液B加热至40℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔分子筛ZSM-5、ZSM-22，在转速为185r/min高速搅拌90min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
实施例1吸能密度测试曲线见图2所示，纳米流体中纳米颗粒的孔径为0.56纳米，分布范围窄，分散性好，无团聚现象。能量吸收密度可以达到85J/g。
实施例2
1)按照质量比1：3.5将添加剂碳酸钠、碳酸钾与基液去离子水+乙二醇溶液混合，得到混合液A；
2)低速75r/min搅拌40min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂糊精，高速160r/min搅拌，得到混合液B；
3)在高速搅拌条件下，将混合液B加热至50℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料氧化铝，在转速为200r/min高速搅拌60min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
纳米流体中纳米颗粒的孔径为0.50纳米，分布范围窄，分散性好，无团聚现象。能量吸收密度可以达到96J/g。
实施例3
1)按照质量比1：4.0将添加剂氯化十六烷基三甲基氯化铵与基液去离子水+丙三醇溶液混合，得到混合液A；
2)低速90r/min搅拌60min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂聚乙烯吡咯烷酮，高速170r/min搅拌，得到混合液B；
3)在高速搅拌条件下，将混合液B加热至40℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料沸石、二氧化、硅硅土，在转速为175r/min高速搅拌120min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
纳米流体中纳米颗粒的孔径为0.48纳米，分布范围窄，分散性好，无团聚现象。能量吸收密度可以达到69J/g。
实施例4
1)按照质量比1：5.1将添加剂氯化钠与基液润滑油混合，得到混合液A；
2)低速95r/min搅拌40min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂琼脂、糊精，高速200r/min搅拌，得到混合液B；
3)在高速搅拌条件下，将混合液B加热至50℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料活性炭，在转速为195r/min高速搅拌110min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
纳米流体中纳米颗粒的孔径为0.42纳米，分布范围窄，分散性好，无团聚现象。能量吸收密度可以达到100J/g。
实施例5
1)按照质量比1：4.6将添加剂碳酸钠与基液去离子水+乙二醇+丙三醇溶液混合，得到混合液A；
2)低速95r/min搅拌55min，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂琼脂，高速160r/min搅拌，得到混合液B；
3)在高速搅拌条件下，将混合液B加热至60℃；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料二氧化钛和碳纳米管，在转速为180r/min高速搅拌100min，混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
纳米流体中纳米颗粒的孔径为0.58纳米，分布范围窄，分散性好，无团聚现象。能量吸收密度可以达到89J/g。
从以上实施例可以看出，本发明方法制备的纳米流体吸能材料具有良好的吸能密度，纳米流体中纳米颗粒的孔径不大于0.42纳米，能量吸收密度不小于100J/g；能够达到碰撞冲击条件下的防护性能，满足煤矿阻燃抗静电等矿用要求。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照质量比1：(2.9～5.1)将添加剂与基液混合，得到混合液A；
在低速搅拌条件下，在混合液A中加入与添加剂质量比为1：0.1的增稠剂，高速搅拌，得到混合液B；
在高速搅拌条件下，将混合液B加热；在混合液B中加入质量比为1:0.5纳米多孔材料，高速搅拌混合均匀后冷却至室温，得到纳米流体吸能材料。
2.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，所述基液为去离子水、润滑油、乙二醇和丙三醇中的一种或者基液中醇水混合溶剂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，所述添加剂为氯化钠、碳酸钠、氯化钾、碳酸钾、六偏磷酸钠和氯化十六烷基三甲基氯化铵粉体中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，所述纳米多孔材料为纳米多孔分子筛ZSM-5、ZSM-22、沸石、二氧化硅、氧化铝、硅土、活性炭和二氧化钛和碳纳米管的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，所述增稠剂为琼脂、糊精、羧甲基纤维素钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，在混合液A中加入增稠剂前低速搅拌转速为75-100r/min，低速搅拌30-60min后加入增稠剂，高速搅拌转速为150-200r/min。
7.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，将混合液B加热至40-60℃，在转速为150-175r/min高速搅拌240-300min。
8.根据权利要求1所述的一种纳米流体吸能材料的制备方法，其特征在于，在混合液B中加入纳米多孔材料，在转速为175-200r/min高速搅拌60-120min。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述方法制备得到的纳米流体吸能材料。
10.一种权利要求9所述的纳米流体吸能材料在煤矿无轨运输和阻燃抗静电煤矿中应用。
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