一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN201610834540.9 | 申请日 | 2016-09-20 | 公开(公告)号 | CN106543976A | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 莫松平; 陈颖; 邵雪峰; 贾莉斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 纳米 流体 制备及其 稳定性 领域，公开了一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体及其制备方法和应用。该纳米流体由 纳米粒子 、基液和分散剂组成，纳米粒子是粒径为10-50nm的TiO2纳米球和边长为40-80nm、厚度为1-10nm的TiO2纳米片，基液是去离子 水 ，其pH为6.5-7.5，使用的分散剂为十二烷基 硫酸 钠。本发明采用TiO2纳米球和纳米片以一定的浓度比混合的方法制备混合纳米流体来提高纳米流体的分散稳定性，并在混合纳米流体中添加分散剂来更大程度提高纳米流体稳定性，该方法可使纳米流体保持较长时间的稳定性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体，其特征在于：该纳米流体由纳米粒子、基液和分散剂组成，所述的纳米粒子是粒径为10-50nm的TiO2纳米球和边长为40-80nm、厚度为 |
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| 说明书全文 | 一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于纳米流体制备及其稳定性领域，特别涉及一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体及其制备方法和应用。 背景技术[0002] 目前已有大量的研究表明，纳米流体相比基液具有更高的导热系数，其导热系数提高程度因纳米粒子和基液的物性以及纳米流体的浓度而异，目前有研究报道其提高程度可高达38％及以上，因此纳米流体有望作为一种新型传热工质应用于车辆散热、航天器热控制、电子仪器热管理、核能系统冷却等。在液体中添加纳米粒子也可以提高沸腾换热的临界热流密度，从而使用纳米流体达到沸腾换热的效果，此外纳米粒子的加入还可延缓沸腾表面的结垢。也有研究表明纳米流体适合用作相变储能材料，因为在H2O中加入纳米粒子可以促进H2O的异质成核，减小H2O在凝固过程中的过冷度，缩短液固相变时间，从而达到节约能源的效果，所以使用纳米流体可以提高冰蓄冷或其他相变储能系统的能量储存与释放速率。纳米流体也有望用作新型制冷剂提高制冷系统的制冷效率，降低制冷系统的能耗。对于磁性纳米粒子形成的纳米流体，由体外磁铁引导血液中的可用其运输药物定向到达肿瘤位置杀死癌细胞，这种方式可有效避免对健康细胞的损伤，因而纳米流体可用于生物医学领域；对于TiO2纳米流体，由于TiO2优异的光催化性能，可用TiO2纳米流体光催化制氢应用于化工领域，也可用TiO2纳米流体降解水中污染物将其应用于环保领域，同时使用纳米TiO2生产的白色无机化工原料，广泛应用于涂料、塑料、纸张、油墨和化纤等领域。 [0003] 由于悬浮在液体中的纳米粒子具有很高的比表面能，纳米粒子在范德瓦尔斯引力作用下极易团聚成为粒子簇团，粒子簇团在重力作用下沉降，固体纳米粒子和基液分离，纳米流体也因此而退化为普通流体，其传热等其他性能也因此而失效，所以减小纳米粒子团聚，提高纳米流体分散稳定性对于实际应用和理论研究都具有重要意义。 [0004] 目前，提高纳米流体分散稳定性的方法主要有物理法和化学法两大类。物理法包括超声分散、机械搅拌、机械研磨等，化学法主要有添加分散剂、纳米粒子表面改性、调节基液pH等。现有的物理法和化学法对纳米流体稳定性的提高均有其不足之处和局限性，物理法稳定的纳米流体一旦外界作用停止，纳米粒子继续开始团聚；化学法的稳定效果也有一定的局限。 发明内容[0005] 为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体。 [0006] 本发明的再一目的在于提供一种上述高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体的制备方法。本发明采用TiO2纳米球和纳米片以一定的浓度比混合的方法制备混合纳米流体来提高纳米流体的分散稳定性，并在混合纳米流体中添加分散剂来更大程度提高纳米流体稳定性，该方法可使纳米流体保持较长时间的稳定性。 [0007] 本发明的又一目的在于提供上述高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体的应用。 [0008] 本发明的目的通过下述技术方案实现： [0009] 一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体，该纳米流体由纳米粒子、基液和分散剂组成，所述的纳米粒子是粒径为10-50nm的TiO2纳米球和边长为40-80nm、厚度为1-10nm的TiO2纳米片，所述的基液是去离子水，其pH为6.5-7.5，使用的分散剂为十二烷基硫酸钠(SDS)。 [0010] 所述纳米流体中纳米粒子在基液中的质量百分比浓度为0.4wt.％；所述TiO2纳米球和TiO2纳米片在纳米粒子中的质量浓度比为90％∶10％-0％∶100％；所述分散剂十二烷基硫酸钠和纳米粒子的质量比为1∶2。 [0011] 更加优选的，所述TiO2纳米球和TiO2纳米片在纳米粒子中的质量浓度比分别为90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶ 80％、10％∶90％、0％∶100％。 [0012] 所述纳米流体静置12天后其TSI指数增加4.022-10.568。 [0013] 上述的一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体的制备方法，按照以下操作步骤：将TiO2纳米球、TiO2纳米片和十二烷基硫酸钠分别加入到去离子水中，使用恒温磁力搅拌器，在温度为25℃的环境下，搅拌30-40分钟，使TiO2纳米球和TiO2纳米片悬浮在H2O中得到纳米流体；再使用超声波清洗器将所得纳米流体在25-30℃环境下超声分散，超声频率为30-40kHz，持续时间为30-40分钟，使得纳米流体中已团聚的纳米粒子进行分散，得到分散均匀、稳定性高的TiO2-H2O纳米流体。 [0014] 上述的一种高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体在车辆散热、航天器热控制、电子仪器热管理、核能系统冷却、相变储能、光催化制氢、白色无机化工原料中的应用。 [0015] 与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果： [0016] 本发明TiO2-H2O纳米流体由TiO2纳米球和纳米片以及基液H2O组成，该纳米流体在没有进行纳米粒子表面改性、没有调节基液pH的情况下，依靠调节两种纳米粒子的质量浓度比，来获得了悬浮稳定、分散均匀的纳米流体，并通过比较不同纳米流体TSI值随时间变化找出稳定性好的最佳浓度比。本发明通过异形纳米TiO2混合的方法有效提高了纳米流体分散稳定性，由于两种TiO2纳米粒子对混合纳米流体分散稳定性有重要影响，利用本发明所采用的纳米粒子浓度比能获得分散稳定性能优异的纳米流体，该纳米流体也可保持长时间的分散稳定性。附图说明 [0017] 图1为本发明的制备流程图。 [0018] 图2为本发明实施中配制的总浓度为0.4wt.％及不同纳米粒子浓度比的纳米流体的沉降照片，(a)为不添加分散剂十二烷基硫酸钠的纳米流体在制备完成30分钟的沉降图片；(b)为添加分散剂十二烷基硫酸钠的纳米流体在制备完成30分钟的沉降图片，编号为1-11的纳米流体表示TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比分别为100％∶0％、90％∶10％、80％∶ 20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶80％、10％∶90％、 0％∶100％，分散剂十二烷基硫酸钠和纳米粒子的质量比为1∶2。 [0019] 图3为本发明实施中配制的，不同纳米粒子浓度比、无分散剂的纳米流体的TSI指数随时间变化图，不同TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比包括100％∶0％、90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶80％、10％∶90％、0％∶100％。 [0020] 图4为本发明实施中配制的总浓度为0.4wt.％，不同纳米粒子浓度比、含分散剂SDS的纳米流体的TSI指数随时间变化图。不同TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比包括100％∶0％、90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶ 70％、20％∶80％、10％∶90％、0％∶100％，分散剂十二烷基硫酸钠和纳米粒子的质量比为1∶ 2。 具体实施方式[0021] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 [0022] 实施例1 [0023] 如图1所示，高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体的制备及稳定性测试包括以下步骤： [0024] 将TiO2纳米球(TiNPs，粒径为10-50nm)、TiO2纳米片(TiNSs，边长为40-80nm、厚度为1-10nm)和十二烷基硫酸钠分别加入到去离子水中，调节pH为6.5-7.5，使用恒温磁力搅拌器，在温度为25℃的环境下，搅拌30分钟，使TiO2纳米球和TiO2纳米片悬浮在H2O中得到纳米流体；再使用超声波清洗器将所得纳米流体在25℃环境下超声分散，超声频率为40kHz，持续时间为30-40分钟，使得纳米流体中已团聚的纳米粒子进行分散得到高分散稳定性的TiO2-H2O纳米流体，其中纳米流体总质量百分比浓度为0.4wt.％；TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比包括100％∶0％、90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶80％、10％∶90％、0％∶100％(编号为1-11)，分散剂十二烷基硫酸钠和纳米粒子的质量比为1∶2。不使用分散剂十二烷基硫酸钠，其他步骤如上述所示，得到TiO2-H2O纳米流体。 [0025] 将上述所得TiO2-H2O纳米流体静置30分钟，拍摄纳米流体总质量百分比浓度为0.4wt.％的纳米流体沉降图片，如图2所示，不含分散剂的纳米流体只有2-4号样品稳定性较好，含分散剂的纳米流体除1号样品外，其余样品均保持有较好的分散稳定性。 [0026] 实施例2 [0027] 将TiO2纳米球(TiNPs，粒径为10-50nm)、TiO2纳米片(TiNSs，边长为40-80nm、厚度为1-10nm)和十二烷基硫酸钠分别加入到去离子水中，调节pH为6.5-7.5，使用恒温磁力搅拌器，在温度为30℃的环境下，搅拌40分钟，使TiO2纳米球和TiO2纳米片悬浮在H2O中得到纳米流体；再使用超声波清洗器将所得纳米流体在28℃环境下超声分散，超声频率为30kHz，持续时间为40分钟，使得纳米流体中已团聚的纳米粒子进行分散；超声完成后，对混合纳米流体在30℃条件下再次进行磁力搅拌，得到总浓度为0.4wt.％的含有分散剂的TiO2-H2O纳米流体。TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比包括100％∶0％、90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶80％、10％∶90％、0％∶100％，分散剂十二烷基硫酸钠和纳米粒子的质量比为1∶2。 [0028] 将TiO2纳米球(TiNPs，粒径为10-50nm)和TiO2纳米片(TiNSs，边长为40-80nm、厚度为1-10nm)分别加入到去离子水中，调节pH为6.5-7.5，使用恒温磁力搅拌器，在温度为30℃的环境下，搅拌40分钟，使TiO2纳米球和TiO2纳米片悬浮在H2O中得到纳米流体；再使用超声波清洗器将所得纳米流体在28℃环境下超声分散，超声频率为30kHz，持续时间为40分钟，使得纳米流体中已团聚的纳米粒子进行分散；超声完成后，对混合纳米流体在30℃条件下再次进行磁力搅拌，得到总浓度为0.4wt.％的不含有分散剂的TiO2-H2O纳米流体。TiO2纳米球和纳米片的质量浓度比包括100％∶0％、90％∶10％、80％∶20％、70％∶30％、60％∶40％、50％∶50％、40％∶60％、30％∶70％、20％∶80％、10％∶90％、0％∶100％。 [0029] 测试不同时刻无分散剂纳米流体的初始稳定性指数(TSI)值，结果如图3所示。2-4号样品纳米流体的TSI值随时间增加较为缓慢，粒子浓度比为70％∶30％的4号纳米流体静置12小时后，其TSI值从0增大至10.89，说明其保持有较好的稳定性。 [0030] 测试不同时刻含分散剂纳米流体的TSI值，结果如图4所示。除1号纳米流体外，其余纳米流体TSI值随时间缓慢增加，粒子浓度比为70％∶30％且含分散剂SDS的4号纳米流体静置1天后，其TSI值从0增大至4.02，说明其保持有较好的稳定性，且相比无分散剂的纳米流体，含分散剂的纳米流体具有更优异的稳定性能，以上结果说明粒子混合和分散剂相结合是一种有效提高纳米流体稳定性的方法。 [0031] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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