專利名稱：：一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于熱交換系統(tǒng)的不含分散劑且具有高導熱系數(shù)的強化傳熱工質(zhì)的制備方法，具體涉及一種表面羥基化并被截斷成具有適中長徑比的碳納米管直接分散在基體水中的納米流體的制備方法。
背景技術(shù)：
：近年來，隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展和能源環(huán)境問題的日益嚴峻，熱交換系統(tǒng)的傳熱負荷和傳熱強度日益增大，熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸限制及使用環(huán)境也日益苛刻，對換熱系統(tǒng)的高效低阻緊湊的性能指標的要求越來越高，對強化傳熱技術(shù)提出新的和更高的要求。因此，迫切需要研發(fā)體積小、重量輕、傳熱性能好的高效緊湊式換熱設(shè)備，以滿足高負荷傳熱和特殊條件下強化傳熱的要求。以往強化傳熱技術(shù)的研究主要從增加換熱面積、優(yōu)化制造工藝以及主動外力輔助等入手，但這往往需要更大的換熱系統(tǒng)或附加消耗能量，不符合系統(tǒng)向小型化和低能耗方向發(fā)展的趨勢。因此，迫切需要開發(fā)新型高效的換熱介質(zhì)，而納米流體用于強化傳熱已成為當今研究的熱點。所謂納米流體，是指把金屬或非金屬納米粉體分散到水、醇、機油等傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導熱的新型換熱介質(zhì)；其導熱和比熱等熱物理性能均大幅度提高，從而顯著改善傳熱性能，將其應(yīng)用于換熱系統(tǒng)，可極大提高換熱效率，因此，納米流體介質(zhì)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的高效新型換熱介質(zhì)材料。目前制備含碳納米管納米流體時，所用方法有兩種常用的方法是添加分散劑[M.J.AssaeleC，Int.J.The，phys.(2005)26:647]。其缺點一方面，長鏈分散劑分子附著在碳納米管上，增加碳納米管和基體流體間的熱阻，從而限制含碳納米管納米流體導熱性能的進一步提升[S.Huxtableeta丄，他t"re胞ten'37s(2003)2:731];另一方面，分散劑一般為聚合物或有機化合物，往往會產(chǎn)生介質(zhì)污染；此外，分散劑的發(fā)泡性在高溫下尤為明顯，不利于納米流體在較高溫度下使用，極大地限制了納米流體的應(yīng)用范圍。另一種方法是利用化學方法(強酸氧化)處理碳納米管<formula>seeoriginaldocumentpage3</formula>。其缺點是在處理過程中所用硝酸在高溫下產(chǎn)生各種含氮的有毒氣體，對環(huán)境造成污染。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，采用添加強堿與高能球磨相結(jié)合技術(shù)，對碳納米管進行前期表面羥基化及截斷短化處理，進'而制備不含分散劑的水基含碳納米管納米流體，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)添加分散劑，導致長鏈分散劑分子附著在碳納米管上，增加碳納米管和基體流體間的熱阻，影響流體導熱性能的提升，同時分散劑產(chǎn)生污染，不利于納米流體在較高溫度下使用；采用化學方法導致高溫下產(chǎn)生各種含氮的有毒氣體，對環(huán)境造成污染等缺點。一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，按照如下步驟進行(1)碳納米管惰性表面羥基化及其截斷短化處理將碳納米管與質(zhì)量是碳納米管5—50倍的強堿混合，以100—400f/min的轉(zhuǎn)速球磨2—48小時；球磨后，利用高速離心方法，清洗至中性，干燥得到長徑比為20—250的碳納米管；(2)碳納米管的分散化處理在超聲振動10—120min的條件下，將表面羥基化及其截斷短化處理的碳納米管分散在基體流體中，制得均勻穩(wěn)定的含碳納米管納米流體；處理后得到的碳納米管具有親水性。所述碳納米管為單壁、雙璧或者多壁碳納米管。所述強堿為氫氧化鉀。所述的基體流體為水。本發(fā)明通過添加強堿的化學方法與高能球磨的機械方法相結(jié)合技術(shù)，對具有惰性表面的碳納米管進行表面羥基化及截斷短化處理后；將表面羥基化比較完全、長徑比適中的碳納米管通過超聲振動分散到水中形成水基含碳納米管納米流體，極具親水性。本發(fā)明與現(xiàn)有制備方法相比，其優(yōu)點和積極效果是納米流體不含分散劑，從而對介質(zhì)無污染，可在高溫下使用，并有助于流體傳熱性能的進一步提升，制備的水基含碳納米管納米流體均勻穩(wěn)定，極大地拓展其在高效換熱和冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；而且，在碳納米管處理過程中，沒有有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生，對環(huán)境非常友好。本發(fā)明制備的納米流體當碳納米管體積含量為1.0%時納米流體導熱系數(shù)比水提高達12%以上。圖1為處理前后的碳納米管透射電鏡A為未經(jīng)處理的碳納米管透射電鏡B為用本發(fā)明方法處理6小時的碳納米管透射電鏡C為用本發(fā)明方法處理12小時的碳納米管透射電鏡圖2為碳納米管處理前后的紅外光譜圖3為用本發(fā)明方法制備的含碳納米管納米流體的照片。由圖1中A，B，C對比可見釆用添加強堿球磨技術(shù)處理碳納米管，可使其截斷短化。圖2中虛線是未處理碳納米管的紅外光譜，圖2中實線是采用本發(fā)明方法處理后的碳納米管的紅外光譜。譜圖中3410處是羥基(一OH)特征峰；波數(shù)1630cm—'應(yīng)屬于碳骨架(一C=C—)特征峰；波數(shù)1400cnT'是羥基的彎曲振動特征峰；波數(shù)1170cnf'應(yīng)該是C一O伸縮振動特征峰。說明碳納米管表面已經(jīng)引入羥基，使得碳納米管具有親水性。這樣，在不添加分散劑的情況下，碳納米管就可以在基體流體水中分散。圖3表示了含碳納米管納米流體的穩(wěn)定情況，未經(jīng)處理的碳納米管(PCNT)分散到去離子水(DW)中后，很快(短于2分鐘)就發(fā)生大部分沉降(如圖3中"PCNT+冊"所示)，而經(jīng)本發(fā)明方法處理后的碳納米管(TCNT)，分散到OT中，靜置兩個月后，底部未見明顯沉降物(如圖3中"TCNT+DW"所示)。說明采用本發(fā)明方法制備的含碳納米管納米流體具有良好的穩(wěn)定性。具體實施例方式實施例1:將多壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管5倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為100r/min的條件下連續(xù)球磨2小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比為190-210的碳納米管固體。將該碳納米管以0.08volX含量添加到基體流體水中，超聲振動120min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在兩個月以上，且其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高O.15%。實施例2:將多壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管30倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為250r/min的條件下連續(xù)球磨8小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比約為100-110的碳納米管固體。將該碳納米管以1.0volX含量添加到基體流體水中，超聲振動35min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在50小時，且其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高12%。實施例3:將多壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管20倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為300r/min的條件下連續(xù)球磨24小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比約為30-55的碳納米管固體。將該碳納米管以0.5vol^含量添加到基體流體水中，超聲振動10min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在38小時，且其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高5.2%。實施例4:將多壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管40倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下連續(xù)球磨18小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比約為40-70的碳納米管固體。將該碳納米管以0.3volX含量添加到基體流體水中，超聲振動10min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在13小時，且其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高2.8%。實施例5:將單壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管20倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為400r/min的條件下連續(xù)球磨3小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比約為120—140的碳納米管固體。將該碳納米管以0.6vol^含量添加到基體流體水中，超聲振動45min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在42小時，其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高近7.6%。實施例6:將雙壁碳納米管與質(zhì)量是碳納米管50倍的氫氧化鉀混合，在球磨轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下連續(xù)球磨48小時，用去離子水洗至中性，干燥后得長徑比約為30_50的碳納米管固體。將該碳納米管以0.8volX含量添加到基體流體水中，超聲振動25min，得到的水基含碳納米管納米流體穩(wěn)定存在兩天，其導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)提高近9.4%。權(quán)利要求1.一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，其特征在于，按照如下步驟進行(1)碳納米管惰性表面羥基化及其截斷短化處理將碳納米管與質(zhì)量是碳納米管5-50倍的強堿混合，以100-400r/min的轉(zhuǎn)速球磨2-48小時；球磨后，利用高速離心方法，清洗至中性，干燥得到長徑比為20-250的碳納米管；(2)碳納米管的分散化處理在超聲振動10-120min的條件下，將表面羥基化及其截斷短化處理的碳納米管分散在基體流體中，制得均勻穩(wěn)定的含碳納米管納米流體；處理后得到的碳納米管具有親水性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，其特征在于所述碳納米管為單壁、雙璧或者多壁碳納米管。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，其特征在于所述強堿為氫氧化鉀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，其特征在于所述的基體流體為水。全文摘要一種新的水基含碳納米管納米流體的制備方法，按如下步驟進行(1)碳納米管惰性表面羥基化及其截斷短化處理將碳納米管與質(zhì)量是碳納米管5-50倍的強堿混合，以100-400r/min的轉(zhuǎn)速球磨2-48小時；球磨后利用高速離心方法，清洗至中性，干燥得到長徑比為20-250的碳納米管；(2)碳納米管的分散化處理在超聲振動10-120min的條件下，將表面羥基化及其截斷短化處理的碳納米管分散在基體流體中，制得均勻穩(wěn)定的含碳納米管納米流體；處理后得到的碳納米管具有親水性。本發(fā)明納米流體不含分散劑，對介質(zhì)無污染，可在高溫下使用，并有助于流體傳熱性能的進一步提升，拓展了其在高效換熱和冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。文檔編號C09K5/00GK101343531SQ20071004367公開日2009年1月14日申請日期2007年7月11日優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日發(fā)明者謝華清,陳立飛,陽黎申請人:上海第二工業(yè)大學