CN215746417U - 一种银铜合金纳米流体的合成装置 - Google Patents

Abstract

一种银铜合金纳米流体的合成装置，属于纳米流体制备技术领域。本申请采用微注射泵，使得制备过程操作简单，选用抗坏血酸作为还原剂，操作安全且对环境友好。颗粒选取上选择导热系数高的银和铜金属能最大化提高基液的热导率，以合金的形式分散于基液中也能更好的解决金属易氧化问题，该制备方法制备的纳米流体颗粒分布均匀，粒径在60‑90nm，导热性能良好。

Description

一种银铜合金纳米流体的合成装置

技术领域

本实用新型涉及纳米流体制备，具体涉及一种制备银铜合金纳米流体的反应系统。

背景技术

在航空航天、能源化工、微电子技术等领域，先进的电子设备和大功率器件热负荷不断提高，传统的散热工质如水、导热油等越来越无法满足散热需求，而纳米流体作为新型的换热工质具有更高的导热性能，因此有着更加广泛的应用前景。

1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等提出纳米流体：将1-100nm的金属或非金属粒子加入到基液中形成的稳定悬浮液，这是纳米技术应用于热能工程领域的创新性研究。纳米流体的制备方法主要分为单步法和两步法，单步法和两步法的区别在于制备过程和纳米粒子的分散过程是否为一步进行。单步法的优点是纳米粒子分散均匀，传热性能更好，但是制备工艺较复杂，成本较高，不易大规模生产，且传统的单步法制备装置基本要求高温高压环境、还原剂危险性系数高，对环境不友好。两步法制备纳米流体具有工艺简单、成本低、易于批量生产等优点，但是也存在颗粒不易分散从而导致换热性能下降等缺点。

由于传统纳米流体常常面对高温高压的制备条件和有毒危险的还原剂，在金属纳米粒子中，大部分金属离子都易于被氧化从而影响其导热性能，因此选取一对环境友好的还原剂和制备过程操作简单的一种合金纳米流体制备方法是解决这一问题的关键

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新的制备银铜合金纳米流体的合成装置和方法。相比于传统一步法要求的高温高压等环境或有毒性的强还原剂，本实用新型组装的制备系统装置简单，容易操作，成本低，还原剂对环境友好危险系数低。

通过本实用新型制备系统及相关关键部位进行设计，使得反应时间、反应温度等进行控制，可以实现纳米颗粒尺寸的可控性，制备的纳米流体颗粒尺寸小，均匀性好。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，包括两个微注射泵、一个前驱体注射器、一个还原剂补充液注射器、一个反应和收集装置、一个恒温水浴槽，其中一个微注射泵与前驱体注射器匹配，另一个微注射泵与还原剂补充液注射器匹配，前驱体注射器中用于装表面活性剂与银盐、铜盐组成的前驱体溶液，还原剂补充液注射器用于装还原剂补充液，前驱体注射器通过一个独立的PEEK转接套管与一个独立的毛细管的一端固定连接，毛细管的另一端与反应和收集装置的上端口连接，还原剂补充液注射器通过另一个独立的PEEK转接套管与另一个独立的毛细管的一端固定连接，另一毛细管的另一端与反应和收集装置的上端口连接；反应和收集装置置于恒温水浴槽中，同时反应和收集装置内提前装有还原剂溶液，同时接受前驱体注射器和还原剂补充液注射器中的前驱体溶液和还原剂补充液；反应和收集装置配有温度计用于检测内部反应溶液的温度。

反应和收集装置还配有搅拌装置。

反应和收集装置为反应烧杯。

毛细管直径均为300-350微米。

采用上述装置合成银铜合金纳米流体的方法，具体包括以下步骤：

(1)使用精密天平称取定量的表面活性剂聚乙烯吡络烷酮(PVP)粉末或十二烷基苯磺酸钠(SDBS)粉末，将粉末倒入准备好的去离子水中，搅拌制成表面活性剂水溶液；分别称取醋酸银和硫酸铜粉末，依次分别倒入表面活性剂水溶液中，之后继续搅拌并超声震荡使其分散均匀，该混合溶液为前驱体溶液，震荡之后装在前驱体注射器中；抗坏血酸进行搅拌和震荡制成还原剂溶液，抗坏血酸作为还原剂用于还原纳米银铜合金；称取与前驱体溶液银铜离子摩尔总和相同的抗坏血酸制成还原剂补充溶液，还原剂补充溶液加入到还原剂补充液注射器中，为保证反应中还原剂的浓度不变。

(2)将装有前驱体溶液和还原剂补充溶液的注射器分别放置于微注射泵上并固定好，装有还原剂溶液和搅拌子的反应烧杯置于恒温磁力搅拌器的水浴锅中，用保鲜膜将烧杯口封住，将恒温磁力搅拌器的热电偶穿透保鲜膜接触到还原剂溶液使其能精准测温，使用毛细管，分别将毛细管一端连接装有前驱体溶液和还原剂补充溶液的注射器上，另一端穿透保鲜膜，保证前驱体溶液和还原剂补充溶液能顺利滴到反应烧杯中；

(3)制备装置连接好后，设置恒温水浴槽的温度为50-80℃，开启搅拌，待反应烧杯中还原剂溶液温度升到设置温度并保持5min后，开启注射泵，先开启装载有前驱体溶液的注射泵，10s后启动装载还原剂补充溶液的注射泵，注射泵推动注射器使前驱体溶液和还原剂补充溶液逐滴滴加到反应烧杯中，待前驱体溶液全部滴加到还原剂溶液中关闭注射泵，继续保持磁力搅拌20min，20min后关闭仪器待液体冷却到室温后得到纳米流体。

步骤(1)注射器内醋酸银和硫酸铜的摩尔浓度均为6-12mmol/L；PVP、醋酸银和硫酸铜对应的基液为去离子水；搅拌时长为10-20min，超声波振荡时长为20min-30min；抗坏血酸溶液采用的基液为去离子水，抗坏血酸的浓度和量为能使得银铜离子完全还原为准进行调节，经过试验，反应烧杯中抗坏血酸最佳浓度为银铜离子摩尔浓度和的五倍；醋酸银和硫酸铜摩尔总浓度和与PVP的摩尔比为1:(4-8)，醋酸银和硫酸铜摩尔总浓度与反应烧杯中SDBS的摩尔浓度比为1:(1-3)。

步骤(3)控制装前驱体溶液的微注射器的注射流量如0.4ml/min-0.8ml/min，装载还原剂补充溶液的注射泵的注射流量与前驱体的注射流量保持同步，颗粒粒径范围为60-90nm。

最佳银铜离子摩尔和与PVP、SDBS的摩尔浓度之比1：7；1:3，此时吸光度最大，稳定性最好。

注射器中的还原剂补充溶液体积、注射器中的前驱体溶液、反应烧杯中的还原剂溶液体积比为1:1:1。

纳米流体作为一种新型换热工质，相比于传统的换热工质拥有更强的换热能力，本实用新型的纳米流体有望应用于微型散热器中代替去离子水、机油等传统工质。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

1、在金属纳米粒子中，由于银(Ag)纳米粒子具有的优良的光学、电学性能和良好的耐腐蚀特性等，但这种金属粒子属于贵金属，合成成本较高使其纳米流体的制备受到了限制。同时铜(Cu)的光学、热学和电学性能与金、银类似，但铜纳米颗粒在合成和储备过程中容易被氧化。所以本实用新型有效的降低了银的成本而且可以很好地解决铜的易氧化缺点。

2、本实用新型用抗坏血酸作为还原剂，抗坏血酸相比于其他还原剂对环境更加友好，而且操作危险性要远远小于常见文献中的水合肼、硼氢化钠等强还原剂。

3、本实用新型搭建的合成系统操作简单，仪器成本低，易于控制，无任何危险性

4、本实用新型使用注射泵和毛细管滴加实验溶液，可以做到精确控制流量和滴加速度，最佳注射速度为0.5ml/min。

5、本实用新型利用化学还原一步法制备银铜合金纳米流体时所得到的颗粒分布更均匀，导热性能更好。该制备方法制备的纳米流体颗粒分布均匀，粒径在60-90nm。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例。

图1为本实用新型所采用系统的结构示意图，1为微注射泵，2为前驱体注射器，3为PEEK转接套管，4为还原剂补充液注射器，5为毛细管，6为温度计，7为反应和收集装置，8为恒温水浴槽。

图2从左依次为8mmol/L浓度、反应温度为70℃、银铜离子摩尔比为1:1、PVP摩尔浓度为银铜离子摩尔总和的4、5、6、7、8倍条件下制备的不同PVP浓度的银铜合金纳米流体。

图3为实例1和实例3操作步骤下制备的12mmol/L浓度的银铜合金纳米流体吸光度图；在472nm和445nm处取得单吸收峰而不是银(400nm)和铜(540nm)双吸收峰说明了银铜合金的形成；吸光度是表征纳米流体稳定性的一种方法，相同浓度下吸光度峰值越高，表明越稳定。

图4为银铜离子摩尔比为1:1、PVP摩尔比N＝5(N代表PVP摩尔与银铜离子摩尔和的倍数)、10mmol/L浓度、0.5ml/min注射速度条件下制备的银铜合金纳米流体SEM图。可以看到颗粒分布较为均匀，颗粒平均粒径在65nm。(实施例2)

图5为银铜离子摩尔比为1:1，浓度相同、PVP摩尔比为N＝5、不同注射速度条件下制备的纳米流体相比于去离子水的热导率随环境温度的增长率。k₀表示去离子水的热导率，k表示纳米流体的热导率。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1(铜银总浓度为12mmol/L)

(1)用精密天平秤出质量为0.05g的醋酸银和0.075g硫酸铜，0.333g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP的质量按单体分子量计算)(按Ag⁺和Cu²⁺和PVP的物质的量浓度之比为1：5)，0.528g和0.1056g抗坏血酸，将PVP粉末倒入50ml的去离子水中搅拌制成PVP水溶液，然后分别将醋酸铜颗粒和硫酸铜颗粒依次放入PVP水溶液中，搅拌并超声震荡20min，将抗坏血酸分别溶于50ml的去离子水中作为还原剂溶液和还原剂补充溶液，搅拌15min。

(2)取20ml前驱体溶液和还原剂补充溶液分别装载在两支微注射器上并用夹子固定在注射泵上，将装有20ml还原剂溶液的烧杯置于恒温磁力搅拌器中，用保鲜膜将烧杯口封住，将恒温磁力搅拌器的热电偶穿透保鲜膜接触到还原剂溶液使其能精准测温，使用毛细管，分别将毛细管一端连接装有前驱体溶液和还原剂补充溶液的注射器上，一端穿透保鲜膜少许，保证前驱体溶液和还原剂补充溶液能顺利滴到还原剂溶液中。

(3)调节温控仪使加热温度为70℃，同时开启恒温水箱。设置两个注射泵的流量均为0.5ml/min，在注射泵的驱动下溶液从注射器进入反应毛细管，启动装在有前驱体溶液的注射泵，10s后启动装载有还原剂补充溶液的注射泵，前驱体溶液和还原剂溶液在烧杯中进行混合反应，还原剂补充溶液加入到烧杯中保持烧杯中的还原剂浓度不变，待前驱体溶液全部滴加到还原剂溶液中，关闭注射泵，继续保持磁力搅拌20min，20min后关闭仪器待液体冷却到室温收集烧杯中的纳米流体。

实施例2(铜银总浓度为10mmol/L)

(1)用精密天平秤出质量为0.04175g的醋酸银和0.0625g硫酸铜，0.2775g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP的质量按单体分子量计算)(按Ag⁺和Cu²⁺和PVP的物质的量浓度之比为1：5)，0.44g和0.088g抗坏血酸，将PVP粉末倒入50ml的去离子水中搅拌制成PVP水溶液，然后分别将醋酸铜颗粒和硫酸铜颗粒依次放入PVP水溶液中，搅拌并超声震荡20min，将抗坏血酸分别溶于50ml的去离子水中作为还原剂溶液和还原剂补充溶液，搅拌15min。

(2)如实施例1步骤(2)进行反应系统的组装。

(3)如实施例1步骤(3)进行银铜合金纳米流体的合成。

实施例3(铜银总浓度为12mmol/L，表面活性剂为SDBS)

(1)用精密天平秤出质量为0.05g的醋酸银和0.075g硫酸铜，0.2091g的SDBS(按Ag⁺和Cu²⁺和SDBS的物质的量浓度之比为1:3)，0.528g和0.1056g抗坏血酸，将SDBS粉末倒入50ml的去离子水中搅拌制成SDBS水溶液，然后分别将醋酸铜颗粒和硫酸铜颗粒依次放入SDBS水溶液中，搅拌并超声震荡20min，将抗坏血酸分别溶于50ml的去离子水中作为还原剂溶液和还原剂补充溶液，搅拌15min。

(2)如实施例1步骤(2)进行反应系统的组装。

(3)如实施例1步骤(3)进行银铜合金纳米流体的合成。

Claims (5)

1.一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，包括两个微注射泵、一个前驱体注射器、一个还原剂补充液注射器、一个反应和收集装置、一个恒温水浴槽，其中一个微注射泵与前驱体注射器匹配，另一个微注射泵与还原剂补充液注射器匹配，前驱体注射器中用于装表面活性剂与银盐、铜盐组成的前驱体溶液，还原剂补充液注射器用于装还原剂补充液，前驱体注射器通过一个独立的PEEK转接套管与一个独立的毛细管的一端固定连接，毛细管的另一端与反应和收集装置的上端口连接，还原剂补充液注射器通过另一个独立的PEEK转接套管与另一个独立的毛细管的一端固定连接，另一毛细管的另一端与反应和收集装置的上端口连接；反应和收集装置置于恒温水浴槽中，同时反应和收集装置内提前装有还原剂溶液，同时接受前驱体注射器和还原剂补充液注射器中的前驱体溶液和还原剂补充液；反应和收集装置配有温度计用于检测内部反应溶液的温度。

2.按照权利要求1所述的一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，还原剂溶液与还原剂补充液相同。

3.按照权利要求1所述的一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，反应和收集装置还配有搅拌装置。

4.按照权利要求1所述的一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，反应和收集装置为反应烧杯。

5.按照权利要求1所述的一种银铜合金纳米流体的合成装置，其特征在于，毛细管直径均为300-350微米。

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