碳纳米管减阻纳米流体的制备方法
阅读：152发布：2020-05-12
专利汇可以提供碳纳米管减阻纳米流体的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 碳 纳米管 减阻 纳米 流体 的制备方法，以去离子 水 为基液，添加 表面活性剂 氯化十六烷基三甲基季铵盐CTAC， 纳米级 固体颗粒 碳纳米管 CNT。将CNT浸入 碱 液 超 声波 振荡处理，将过滤所得CNT粉体清洗烘干后加入去离子水中，同时加入一定比例的CTAC，再 超声波 振荡10－14小时，即制得碳纳米管减阻纳米流体。本发明可应用的管径范围为1～40cm， 雷诺数 范围4000～100000。CTAC有效浓度范围根据不同的工况(管径、雷诺数)而选择。添加物的配比将直接影响碳纳米管减阻纳米流体的流动和 传热 性能。本发明的碳纳米管减阻纳米流体既具有减阻流体在输运过程中减小 流动阻 力 的特性，又同时兼有纳米流体强化换热特性。，下面是碳纳米管减阻纳米流体的制备方法专利的具体信息内容。
1、一种碳纳米管减阻纳米流体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将碳纳米管粉体浸入碱液并使碱液没过粉体，放入超声波振荡器，在 40～60℃下超声振荡5～8小时，超声波振荡器的工作频率为25～40kHz；
2)过滤液体，得到碳纳米管固体，用去离子水反复清洗；
3)将清洗后的碳纳米管放入电炉，在120～140℃温度下烘干；
4)将烘干后的碳纳米管粉体加到去离子水中，再加入氯化十六烷基三甲基 季铵盐粉体，配制成混合溶液；混合溶液中碳纳米管粉体的质量浓度为 0.5～4％，氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体的质量浓度为0.003～0.1％；
5)将混合溶液置入超声波振荡器中，在10～30℃下超声振荡10～14小时， 即得目标产物碳纳米管减阻纳米流体；其中，超声波振荡器的工作频率 为25～40kHz。
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管减阻纳米流体的制备方法，属于液体输运、热交 换技术领域。
背景技术
对节能的迫切需求是减阻(drag-reduction)研究的动力。长期以来，在一切 涉及到有粘性流体运动的领域，从内流到外流，人们都在找寻减少流体阻力的 方法。粘性减阻方法是依靠改变边界材料的物理力学性质或添加减阻添加剂于 流动边界层，以改变边界层流动的运动学和动力学特性，从而达到减阻目的的 技术。在流体中加入少量的添加剂(如泥沙、纤维、高分子聚合物、表面活性 剂等)，能在湍流状态下减小流体流动阻力，这种方法称为添加剂减阻。添加剂 减阻是非牛顿流动的所有现象中最具有技术经济及科学意义的现象之一。添加 剂减阻因为其成本低、操作简单、能量消耗少等特点，成为非常理想的减阻方 式。添加剂减阻方面的研究成果，对国民经济和国防建设有重要的作用。在添 加剂减阻中，使用最广泛的是表面活性剂减阻。
另一方面，在各种行业，如动力、冶金、石油、化工、航空、电子、核能 等领域内，换热都起着重要的作用。强化换热是随着工程需要而不断发展的一 门技术，是世界上能源研究的重要课题。换热效率直接关系到设备运行效率、 尺寸大小和初投资、节能性等重要性能。现如今，由于科学技术的进步，各种 设备的性能越来越强，伴随而来的散热也越来越大，传统的纯液体换热工质， 如水、油、醇等，由于其较低的导热系数，已经很难适应新时代对热交换设备 的高效紧凑性要求。因此，要解决此问题，必须从根本入手，找到提高工质换 热能力的方法。如何解决好传统散热工质在散热能力上的瓶颈，是迫切需要解 决的问题。提高工质换热能力的一种有效方式，是往工质里添加纳米级固体金 属或金属氧化物颗粒，由于金属或金属氧化物颗粒具有比液体(水、油等)高 得多的导热系数，因此，往液体里添加固体颗粒能够提高固液混合物的导热系 数，从而加大工质的换热能力，这种方法得到的固体颗粒悬浮液叫做纳米流体。 有很多学者就此进行了研究，并取得了一定成果。近年来，碳纳米管(carbon nanotube，CNT)被发现具有非常高的导热能力，这一发现让纳米流体领域得到 了进一步的发展。
上述两种技术都非常具有实用性。但是，表面活性剂减阻流体在减小流体 输运阻力的同时，大大降低了流体的换热能力，这是表面活性剂减阻流体的最 大缺点之一。而纳米流体能够一定程度上提高流体的换热能力，却也稍增加了 流体的流动阻力。
另一方面，在各种行业，如动力、冶金、石油、化工、航空、电子、核能 等领域内，换热都起着重要的作用。强化换热是随着工程需要而不断发展的一 门技术，是世界上能源研究的重要课题。换热效率直接关系到设备运行效率、 尺寸大小和初投资、节能性等重要性能。现如今，由于科学技术的进步，各种 设备的性能越来越强，伴随而来的散热也越来越大，传统的纯液体换热工质， 如水、油、醇等，由于其较低的导热系数，已经很难适应新时代对热交换设备 的高效紧凑性要求。因此，要解决此问题，必须从根本入手，找到提高工质换 热能力的方法。如何解决好传统散热工质在散热能力上的瓶颈，是迫切需要解 决的问题。提高工质换热能力的一种有效方式，是往工质里添加纳米级固体金 属或金属氧化物颗粒，由于金属或金属氧化物颗粒具有比液体(水、油等)高 得多的导热系数，因此，往液体里添加固体颗粒能够提高固液混合物的导热系 数，从而加大工质的换热能力，这种方法得到的固体颗粒悬浮液叫做纳米流体。 有很多学者就此进行了研究，并取得了一定成果。近年来，碳纳米管(carbon nanotube，CNT)被发现具有非常高的导热能力，这一发现让纳米流体领域得到 了进一步的发展。
上述两种技术都非常具有实用性。但是，表面活性剂减阻流体在减小流体 输运阻力的同时，大大降低了流体的换热能力，这是表面活性剂减阻流体的最 大缺点之一。而纳米流体能够一定程度上提高流体的换热能力，却也稍增加了 流体的流动阻力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳纳米管减阻纳米流体 的制备方法，制备的新型流体能同时兼有减阻流体和纳米流体在流动输运和换 热上各自的优点。
为实现这一目的，本发明采用去离子水为基液，添加物有两种：氯化十六 烷基三甲基季铵盐(cetyltrimethyl ammonium chloride，CTAC)阳离子表面活性 剂，和碳纳米管(carbon nanotube，CNT)。通过实验的方法，得到一种合适配比 的碳纳米管减阻纳米流体，使其减阻和强化传热性能最优化。本发明可应用的 管径范围为1～40cm，雷诺数范围4000～100000。
在制备碳纳米管减阻纳米流体之前，CNT需经过一定处理，打散CNT互相 之间的缠绕状态，在CNT上加上亲水集团，以达到能将其在去离子水中稳定悬 浮的目的。
本发明的碳纳米管减阻纳米流体的制备方法具体为：
1)将碳纳米管粉体浸入碱液，碱液必须没过粉体，放入超声波振荡器(工 作频率25～40kHz)，在40～60℃下超声振荡5～8小时。
2)过滤液体，得到碳纳米管固体，用去离子水将之反复清洗。
3)得到清洗后的碳纳米管，放入电炉在120～140℃温度下烘干。
4)将氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体加入水中，静置24小时待其完全溶 解，再加入烘干后的碳纳米管粉体，配制成混合溶液；混合溶液中碳纳米管粉 体的质量浓度为0.5～4％，氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体的质量浓度为 0.003～0.1％。
5)将混合溶液置入超声波振荡器中，在10～30℃下超声振荡10～14小时， 即得目标产物碳纳米管减阻纳米流体；其中，超声波振荡器的工作频率为 25～40kHz。
本发明制备方法中的CTAC的有效浓度范围可根据不同的工况(管径、雷 诺数)而选择。添加物配比不合适，将直接影响碳纳米管减阻纳米流体的流动 和传热性能。
本发明所述的碳纳米管减阻纳米流体很好的利用了CTAC减阻流体和CNT 纳米流体对温度的依赖性，使其在不同温度范围内发挥各自最大的优势，将两 种流体的优点集为一身，将其各自的缺点最小化，从而有效的降低了流体输运 泵功，同时大大强化了流体在换热器内的换热效率。这种新型的碳纳米管减阻 纳米流体既具有减阻流体在输运过程中减小流动阻力的特性，又同时兼有纳米 流体强化换热特性，具有非常乐观的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述碳纳米管减阻纳米流体的制备流程图。
为实现这一目的，本发明采用去离子水为基液，添加物有两种：氯化十六 烷基三甲基季铵盐(cetyltrimethyl ammonium chloride，CTAC)阳离子表面活性 剂，和碳纳米管(carbon nanotube，CNT)。通过实验的方法，得到一种合适配比 的碳纳米管减阻纳米流体，使其减阻和强化传热性能最优化。本发明可应用的 管径范围为1～40cm，雷诺数范围4000～100000。
在制备碳纳米管减阻纳米流体之前，CNT需经过一定处理，打散CNT互相 之间的缠绕状态，在CNT上加上亲水集团，以达到能将其在去离子水中稳定悬 浮的目的。
本发明的碳纳米管减阻纳米流体的制备方法具体为：
1)将碳纳米管粉体浸入碱液，碱液必须没过粉体，放入超声波振荡器(工 作频率25～40kHz)，在40～60℃下超声振荡5～8小时。
2)过滤液体，得到碳纳米管固体，用去离子水将之反复清洗。
3)得到清洗后的碳纳米管，放入电炉在120～140℃温度下烘干。
4)将氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体加入水中，静置24小时待其完全溶 解，再加入烘干后的碳纳米管粉体，配制成混合溶液；混合溶液中碳纳米管粉 体的质量浓度为0.5～4％，氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体的质量浓度为 0.003～0.1％。
5)将混合溶液置入超声波振荡器中，在10～30℃下超声振荡10～14小时， 即得目标产物碳纳米管减阻纳米流体；其中，超声波振荡器的工作频率为 25～40kHz。
本发明制备方法中的CTAC的有效浓度范围可根据不同的工况(管径、雷 诺数)而选择。添加物配比不合适，将直接影响碳纳米管减阻纳米流体的流动 和传热性能。
本发明所述的碳纳米管减阻纳米流体很好的利用了CTAC减阻流体和CNT 纳米流体对温度的依赖性，使其在不同温度范围内发挥各自最大的优势，将两 种流体的优点集为一身，将其各自的缺点最小化，从而有效的降低了流体输运 泵功，同时大大强化了流体在换热器内的换热效率。这种新型的碳纳米管减阻 纳米流体既具有减阻流体在输运过程中减小流动阻力的特性，又同时兼有纳米 流体强化换热特性，具有非常乐观的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述碳纳米管减阻纳米流体的制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例中 的参数不构成对本发明的限定。
本发明所用CTAC为南京旋光科技有限公司生产，CNT为深圳纳米港有限 公司生产，直径10-20nm，长1-2μm。
为了验证本发明所述碳纳米管减阻纳米流体的流动和换热特性，搭建了对 流换热和阻力测试实验台，其中实验管道长1.08m，内径25.6mm，外径28mm。 实验验证流动雷诺数范围为4000～10000。实验验证范围为：添加剂CTAC质量 浓度为0.003～0.1％，较佳浓度选择0.01～0.04％，其中存在一个最佳浓度为0.03 ％。固体粒子添加物CNT质量浓度0.5％～4％，质量浓度越高，换热效果越好， 4％为最佳浓度。在实验验证范围内，均可取得降低阻力和强化换热的效果。
实施例1
将100g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为25kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将2g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为25kHz。收集振荡之后的混合液，即得CTAC质 量浓度为0.01％，CNT质量浓度为0.5％的碳纳米管减阻纳米流体。
实施例2
将400g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为30kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将8g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为30kHz。收集振荡之后的混合液，即可制得CTAC 质量浓度为0.04％，CNT质量浓度为2％的碳纳米管减阻纳米流体。
实施例3
将800g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为40kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将6g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为40kHz。收集振荡之后的混合液，即可制得CTAC 质量浓度为0.03％，CNT质量浓度为4％的碳纳米管减阻纳米流体。
为了说明碳纳米管减阻纳米流体的优点，给出两个性能指标定义式，这两 项性能指标均是越大性能越好：
表1列出了3个实施例所得到的不同浓度碳纳米管减阻纳米流体的减阻和 强化换热性能，这些性能对运行温度都有强烈的依赖性：
表1
运行温度 CTAC质量 浓度 CNT质量 浓度 平均减阻率 平均换热系 数比 实施例1 22℃ 0.01％ 0.5％ 31％ 0.72 实施例1 48℃ 0.01％ 0.5％ 0％ 1.15 实施例2 22℃ 0.04％ 2％ 43％ 0.58 实施例2 48℃ 0.04％ 2％ 0％ 1.39 实施例3 22℃ 0.03％ 4％ 52％ 0.64 实施例3 48℃ 0.03％ 4％ 0％ 1.55
表1数据表明，本发明碳纳米管减阻纳米流体的减阻特性和强化换热特性都 有强烈的温度依赖性。在常温下，3个实施例都具备一定程度的减阻特性，其中 实施例3减阻效果最佳。然而，此时3个实施例的平均换热系数比都在0.72以 下，即此时流体的换热能力不如纯水。当运行温度提高到48℃时，3个实施例 的减阻特性完全消失，并且强化换热特性都超过了1，其中实施例3的平均换热 系数比最高，为1.55。本发明所有实施例从22℃到48℃的减阻和换热特性变化 都是逐渐发生的，呈光滑曲线式，其中没有任何突变现象。
本发明的碳纳米管减阻纳米流体这种强烈的温度依赖性，使其在应用中前景 广阔：首先，流体在常温下进输运管道，此时碳纳米管减阻纳米流体的减阻率 达到最大，为52％左右，可节约大概一半的泵功，这时虽然换热劣化，但此时 并不需要进行换热；当进入换热器后，由于换热器温度较高，在加热流体的同 时，使流体的减阻性能削弱，而强化换热性能增强，换热系数与水相比可达1.55 左右；流体出换热器进入输运管道时，流体温度再次下降，强化换热性能削弱， 减阻性能产生。从而使本发明的碳纳米管减阻纳米流体在实际应用中极为灵活， 可按照设计需要将本发明的碳纳米管减阻纳米流体非常便利的应用在各种环 境。
本发明所用CTAC为南京旋光科技有限公司生产，CNT为深圳纳米港有限 公司生产，直径10-20nm，长1-2μm。
为了验证本发明所述碳纳米管减阻纳米流体的流动和换热特性，搭建了对 流换热和阻力测试实验台，其中实验管道长1.08m，内径25.6mm，外径28mm。 实验验证流动雷诺数范围为4000～10000。实验验证范围为：添加剂CTAC质量 浓度为0.003～0.1％，较佳浓度选择0.01～0.04％，其中存在一个最佳浓度为0.03 ％。固体粒子添加物CNT质量浓度0.5％～4％，质量浓度越高，换热效果越好， 4％为最佳浓度。在实验验证范围内，均可取得降低阻力和强化换热的效果。
实施例1
将100g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为25kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将2g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为25kHz。收集振荡之后的混合液，即得CTAC质 量浓度为0.01％，CNT质量浓度为0.5％的碳纳米管减阻纳米流体。
实施例2
将400g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为30kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将8g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为30kHz。收集振荡之后的混合液，即可制得CTAC 质量浓度为0.04％，CNT质量浓度为2％的碳纳米管减阻纳米流体。
实施例3
将800g CNT粉体浸入20％ NaOH溶液，并被NaOH溶液淹没，放入 超声波振荡器，在50℃下超声振荡5小时。超声波振荡器的工作频率 为40kHz。
过滤液体，得到CNT固体，用去离子水将之反复清洗。
得到清洗后的CNT，放入电炉在120℃温度下烘干。
将6g CTAC粉体加入20kg去离子水中，再收集烘干后的CNT粉体加 入到CTAC溶液中，配制成混合溶液。
将得到的混合溶液置入超声波振荡器中，常温下振荡10小时，超声波 振荡器的工作频率为40kHz。收集振荡之后的混合液，即可制得CTAC 质量浓度为0.03％，CNT质量浓度为4％的碳纳米管减阻纳米流体。
为了说明碳纳米管减阻纳米流体的优点，给出两个性能指标定义式，这两 项性能指标均是越大性能越好：
表1列出了3个实施例所得到的不同浓度碳纳米管减阻纳米流体的减阻和 强化换热性能，这些性能对运行温度都有强烈的依赖性：
表1
运行温度 CTAC质量 浓度 CNT质量 浓度 平均减阻率 平均换热系 数比 实施例1 22℃ 0.01％ 0.5％ 31％ 0.72 实施例1 48℃ 0.01％ 0.5％ 0％ 1.15 实施例2 22℃ 0.04％ 2％ 43％ 0.58 实施例2 48℃ 0.04％ 2％ 0％ 1.39 实施例3 22℃ 0.03％ 4％ 52％ 0.64 实施例3 48℃ 0.03％ 4％ 0％ 1.55
表1数据表明，本发明碳纳米管减阻纳米流体的减阻特性和强化换热特性都 有强烈的温度依赖性。在常温下，3个实施例都具备一定程度的减阻特性，其中 实施例3减阻效果最佳。然而，此时3个实施例的平均换热系数比都在0.72以 下，即此时流体的换热能力不如纯水。当运行温度提高到48℃时，3个实施例 的减阻特性完全消失，并且强化换热特性都超过了1，其中实施例3的平均换热 系数比最高，为1.55。本发明所有实施例从22℃到48℃的减阻和换热特性变化 都是逐渐发生的，呈光滑曲线式，其中没有任何突变现象。
本发明的碳纳米管减阻纳米流体这种强烈的温度依赖性，使其在应用中前景 广阔：首先，流体在常温下进输运管道，此时碳纳米管减阻纳米流体的减阻率 达到最大，为52％左右，可节约大概一半的泵功，这时虽然换热劣化，但此时 并不需要进行换热；当进入换热器后，由于换热器温度较高，在加热流体的同 时，使流体的减阻性能削弱，而强化换热性能增强，换热系数与水相比可达1.55 左右；流体出换热器进入输运管道时，流体温度再次下降，强化换热性能削弱， 减阻性能产生。从而使本发明的碳纳米管减阻纳米流体在实际应用中极为灵活， 可按照设计需要将本发明的碳纳米管减阻纳米流体非常便利的应用在各种环 境。
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