一種石墨烯納米流體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于：首先將石墨氧化，然后將氧化石墨超聲分散于分散介質(zhì)中得到氧化石墨烯溶液，最后對氧化石墨烯溶液進(jìn)行高速攪拌，原位機(jī)械還原氧化石墨烯形成石墨烯納米流體。不同于目前常用的石墨烯納米流體制備方法，本制備方法未加表面活性劑且未進(jìn)行功能化處理石墨烯。所制備的石墨烯分散良好，所獲得的納米流體穩(wěn)定性好；制備過程中不需要加還原劑，對環(huán)境無污染；使用機(jī)械法進(jìn)行制備，對設(shè)備要求低；該制備方法流程簡單，影響因素少，反應(yīng)過程易控制，重現(xiàn)性好，可規(guī)模化生產(chǎn)，其制備技術(shù)極易推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種石墨烯納米流體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米流體的制備方法，具體涉及一種以石墨為原料，利用氧化一分散一高速攪拌制備石墨烯納米流體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1995年,美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的Choi等人提出了一薪新的概念-納米流體，即把納米粉末分散到導(dǎo)電系數(shù)低的分散介質(zhì)(如水、醇或油)中形成懸浮液，從而提高分散介質(zhì)的導(dǎo)熱性能。納米流體作為一種新型傳熱工質(zhì)可廣泛應(yīng)用于車輛、航空航天、電子等領(lǐng)域，滿足大功率發(fā)動機(jī)、絕熱發(fā)動機(jī)、空調(diào)裝置、超級計算機(jī)等設(shè)備的高負(fù)荷傳熱及冷卻要求。目前用于納米流體的填充物有Ag、Cu、Cu0、Al203、碳納米管等納米顆粒。雖然納米顆粒很小，顆粒的布朗運(yùn)動等因素使粒子難以沉淀，但在納米顆粒的懸浮液中，由于顆粒表面的活性使它們很容易團(tuán)聚在一起，形成帶有若干弱連接界面的較大團(tuán)聚體。如何使納米顆?？梢跃鶆?、穩(wěn)定地分散在液體介質(zhì)中，形成分散性好、穩(wěn)定性高的納米流體是極其關(guān)鍵的。通常采用的方法是在制備過程中使用表面活性劑，而表面活性劑的存在會對納米流體的熱物性產(chǎn)生影響，且一旦表面活性劑發(fā)生老化變質(zhì)，納米流體的穩(wěn)定性就難以得到保證。
[0003]石墨烯是一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型成蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。它的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m -K,高于碳納米管，因而是非常好的納米流體的填充物。但目前關(guān)于石墨烯納米流體的報道不多。由于石墨烯具有疏水性，而且常用的化學(xué)還原氧化石墨烯得到的石墨烯會發(fā)生不可逆團(tuán)聚，使得石墨烯不能很好地分散于水、乙二醇等極性分散介質(zhì)中。為了提高石墨烯在分散介質(zhì)中的分散性，通常采用的方法是在制備納米流體過程中加入了表面活性劑或?qū)κ┻M(jìn)行功能化處理。但這樣會引入缺陷到石墨烯中，從而降低石墨烯的導(dǎo)熱性，并可
[0004]能因?yàn)楸砻婊钚詣?的老化，影響石墨烯納米流體的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了避免表面活性劑或功能化處理石墨烯造成石墨烯導(dǎo)熱性減弱，以及表面活性劑的老化降低石墨烯納米流體的穩(wěn)定性，本發(fā)明的目的在于提出一種不用表面活性劑及功能化處理石墨烯的石墨烯納米流體的制備方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
[0007]一種石墨烯納米流體的制備方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一:對石墨原料進(jìn)行氧化處理制備氧化石墨；
[0009]步驟二:將所述氧化石墨超聲分散于分散介質(zhì)中，制備濃度為0.lmg/mL~IOmg/mL的氧化石墨烯溶液；
[0010]步驟三:將所述氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為15000rpm~20000rpm，溶液溫度控制為100~120°C，攪拌Ih~4h，即得到所述石墨烯納米流體。
[0011]步驟一中，所述石墨原料為純度大于等于99.5%的天然鱗片石墨。[0012]步驟一中，對所述石墨原料進(jìn)行氧化處理包括如下步驟:將質(zhì)量比為2:1:100~1:4:1000的石墨原料、硝酸鉀和98wt.%濃硫酸的混合物冷卻至0°C~5°C，邊攪拌邊加入與石墨的質(zhì)量比為1:2~1:5的高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C~10°C，然后在30°C~50°C的油浴中攪拌20min~Ih后，再在60V~80°C的油浴中攪拌0.5h~2h，待溶液降至室溫后，把溶液到入冰中，再加入與高錳酸鉀的質(zhì)量比為1:2~1:4的雙氧水，然后離心，再用濃度為5wt.%~IOwt.%的鹽酸進(jìn)行洗滌，離心，冷凍干燥即得到氧化石墨。
[0013]步驟二中所述分散介質(zhì)為傳熱介質(zhì)的水和乙二醇中的一種或二者的混合物。
[0014]步驟二中所述分散介質(zhì)采用體積比為1:0~0:1的水和乙二醇。
[0015]步驟二中所述超聲分散時間為0.5h~4h。
[0016]本發(fā)明提出的一種石墨烯納米流體的制備方法，有益效果是:
[0017](I)機(jī)械原位還原氧化石墨烯得到的石墨烯分散良好，獲得高穩(wěn)定性的納米流體。
[0018](2)不同于目前常用的石墨烯納米流體制備方法，本制備方法未加表面活性劑且未進(jìn)行功能化處理石墨烯。
[0019](3)制備過程中不需要加還原劑，對環(huán)境無污染。
[0020](4)所采用的機(jī)械法工藝流程簡單，僅需要一個高速攪拌器，對設(shè)備要求低，成本低廉，反應(yīng)過程易控制，影響因素少，重現(xiàn)性好，可規(guī)?；a(chǎn)，其制備技術(shù)極易推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為實(shí)施例1所制備的石墨烯納米流體的X射線衍射圖；
[0022]圖2為實(shí)施例1所制備的石墨烯納米流體的透射電子顯微鏡照片；
[0023]圖3為實(shí)施例1中所制備的初始石墨烯納米流體(a)和放置6個月的石墨烯納米流體(b)的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
[0025]本發(fā)明一種石墨烯納米流體的制備方法,通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0026](I)氧化石墨:將IOg石墨原料、IOg硝酸鉀和1000mL濃硫酸的混合物冷卻至0°C，邊攪拌邊加入30g高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C，然后在35°C的油浴中攪拌0.5h后，再在70°C的油浴中攪拌2h，待溶液降至室溫后，把溶液倒入冰中，再加入IOOmL雙氧水，然后離心，再用濃度為IOwt.%的鹽酸進(jìn)行洗滌，離心，冷凍干燥即得到氧化石墨。本步驟中所用的石墨原料為粒度為1000目、純度為99.5%的天然鱗片石墨。
[0027](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)制備的氧化石墨加入到分散介質(zhì)水中，超聲分散Ih,形成濃度為5mg/mL的單片層均勻分散 的氧化石墨烯溶液。
[0028](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為18000rpm，溶液溫度控制為110°C，攪拌3h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩(wěn)定存在六個月以上，且其導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)提高48%。
[0029]本實(shí)施例所得的石墨烯納米流體的X射線衍射圖如圖1所示，石墨烯納米流體的透射電子顯微鏡照片如圖2所示，初始石墨烯納米流體(a)和放置6個月的石墨烯納米流體(b)的照片如圖3所示。[0030]實(shí)施例2
[0031]本發(fā)明一種石墨烯納米流體的制備方法，實(shí)施例2的步驟(1)同實(shí)施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0032](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)制備的氧化石墨加入到分散介質(zhì)乙二醇中，超聲分散0.5h,形成濃度為0.lmg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0033](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為15000rpm，溶液溫度控制為110°C，攪拌4h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩(wěn)定存在六個月以上，且其導(dǎo)熱系數(shù)比乙二醇的導(dǎo)熱系數(shù)提高9%。
[0034]實(shí)施例3
[0035]本發(fā)明一種石墨烯納米流體的制備方法，實(shí)施例3的步驟(1)同實(shí)施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0036](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)制備的氧化石墨加入到分散介質(zhì)中，此處分散介質(zhì)采用體積比為3:2的水和乙二醇的混合物,超聲分散4h,形成濃度為10mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0037](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為20000rpm，溶液溫度控制為100°C，攪拌2h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩(wěn)定存在六個月以上，且其導(dǎo)熱系數(shù)比分散介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)提高56%。
·[0038]實(shí)施例4
[0039]本發(fā)明一種石墨烯納米流體的制備方法，實(shí)施例4的步驟(1)同實(shí)施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0040](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)制備的氧化石墨加入到分散介質(zhì)中，此處分散介質(zhì)采用體積比為4:1的水和乙二醇的混合物,超聲分散2h,形成濃度為2mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0041](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為16000rpm，溶液溫度控制為120°C，攪拌lh，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩(wěn)定存在六個月以上，且其導(dǎo)熱系數(shù)比分散介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)提高21%。
[0042]實(shí)施例5
[0043]本發(fā)明一種石墨烯納米流體的制備方法，實(shí)施例5的步驟(1)同實(shí)施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0044](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)制備的氧化石墨加入到分散介質(zhì)中，此處分散介質(zhì)采用體積比為1:1的水和乙二醇的混合物，超聲分散Ih,形成濃度為0.5mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0045](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為18000rpm，溶液溫度控制為120°C，攪拌4h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩(wěn)定存在六個月以上，且其導(dǎo)熱系數(shù)比分散介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)提高33%。
[0046]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一:對石墨原料進(jìn)行氧化處理制備氧化石墨； 步驟二:將所述氧化石墨超聲分散于分散介質(zhì)中，制備濃度為0.lmg/mL~10mg/mL的氧化石墨烯溶液； 步驟三:將所述氧化石墨烯溶液倒入反應(yīng)容器，設(shè)置攪拌速度為15000rpm~20000rpm，溶液溫度控制為100~120°C，攪拌Ih~4h，即得到所述石墨烯納米流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于，步驟一中，所述石墨原料為純度大于等于99.5%的天然鱗片石墨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯納米的制備方法，其特征在于，步驟一中，對所述石墨原料進(jìn)行氧化處理包括如下步驟:將質(zhì)量比為2:1:100~1:4:1000的石墨原料、硝酸鉀和98wt.%濃硫酸的混合物冷卻至(TC~5°C，邊攪拌邊加入與石墨的質(zhì)量比為1:2~1:5的高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C~10°C，然后在30°C~50°C的油浴中攪拌20min~Ih后，再在60°C~80°C的油浴中攪拌0.5h~2h，待溶液降至室溫后，把溶液到入冰中，再加入與高錳酸鉀的質(zhì)量比 為1:2~1:4的雙氧水，然后離心，再用濃度為5wt.%~10wt.%的鹽酸進(jìn)行洗滌，離心，冷凍干燥即得到氧化石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于，步驟二中所述分散介質(zhì)為傳熱介質(zhì)的水和乙二醇中的一種或二者的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于，步驟二中所述分散介質(zhì)采用體積比為1:0~0:1的水和乙二醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨烯納米流體的制備方法，其特征在于，步驟二中所述超聲分散時間為0.5h~4h。
【文檔編號】B82Y30/00GK103588197SQ201310548295
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】范樂慶, 吳季懷 申請人:華僑大學(xué)