专利名称：一种氮化钛氨水纳米流体及其制备方法
技术领域：
本发明属于纳米流体制冷剂制备领域，具体来说，涉及一种氮化钛氨水纳米流体及其制备方法。
背景技术：
随着纳米材料科学的迅速发展，越来越多的研究表明纳米流体不仅具有提高流体导热系数对流传热和沸腾传热，还具有减小壁面摩擦阻力，改进光学性能等优点。纳米流体在传热和传质两方面的强化作用可以用来强化氨水制冷系统中氨气的吸收与发生过程，目前国内外已经有学者将氧化铝、氧化亚铁等纳米材料应用于氨水吸收系统中，通过降膜、鼓泡吸收等方式进行研究，取得了较为理想的效果纳米。流体的制备是纳米流体在工程流体领域应用的基础和关键步骤，而制备效果的好坏是需要能够对纳米粉体的团聚沉降特性进行评估。纳米颗粒在液体中的分散主要是基于静电稳定或空间位阻稳定机制，常用的三种方法包括颗粒的表面修饰 、改变基液的PH值和超声振动。目前已经有很多学者研究了这三种分散方法对纳米流体稳定性的影响，由于分散剂大多属于有机溶剂，加在氨水吸收系统中会对整个系统造成不可预知的影响，已有最新的研究表明表面活性剂SDBS会对氧化铜-水纳米流体的对流换热起到抑制作用，为了避免表面活性剂可能出现的不利影响，本发明拟在不适用活性剂的情况下，靠调节纳米颗粒浓度以及基液的氨水质量分数，并利用磁力搅拌和超声振动结合的方法来制备一种氨水纳米流体。再者，在纳米流体制备方面，虽然目前已有很多方法应用于强化纳米颗粒在液体中分散，包括搅拌、剪切、球磨等物理方法，也有表面修饰、改变PH值等化学方法，然而溶液中还是有一部分纳米颗粒处于团聚状态，并没有被这些方法分散开来，主要原因是颗粒间很强的作用力，包括范德华力，甚至氢键的作用等。这部分纳米颗粒团聚体的存在不仅会削弱纳米流体的优异特性，比如微对流、高传热传质性能、低粘度(相对于微米颗粒悬浮液)等，而且在纳米流体的使用过程中，这部分团聚体可能成为团聚吸附核心使更多的纳米颗粒吸附在上面，从而导致纳米流体的分散性进一步的降低。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种氮化钛氨水纳米流体，该纳米流体具有稳定的分散性和优异的导热系数，同时，还提供了该纳米流体的制备方法，该制备方法可以保证获得所需的纳米颗粒质量分数，并且能通过自然沉降去除掉纳米颗粒中包含的分散性较差的纳米团聚体部分，提高纳米流体的分散性。技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:—种氮化钛氨水纳米流体,该纳米流体由纳米颗粒和基液组成，所述的纳米颗粒是粒径为20nm的氮化钛颗粒，所述的基液是质量分数为5%的氨水溶液，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为1.5%。
上述的氮化钛氨水纳米流体的制备方法，该制备方法包括以下步骤:步骤10)首先向质量分数为5%的氨水溶液中添加氮化钛颗粒，形成初始纳米流体，氮化钛颗粒占初始纳米流体的质量分数为3% ；步骤20)利用恒温磁力搅拌器，在温度为20°C的环境下，搅拌初始纳米流体30分钟；步骤30)在温度为20°C的超声水浴中，振荡初始纳米流体10分钟，振荡频率为45kHz ；步骤40)利用紫外可见分光光度计，测量步骤30)振荡后的初始纳米流体的吸光度 Aini ；步骤50)将初始纳米流体静置24小时，该初始纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用注射器将上层未沉降的纳米流体分离出来；步骤60)利用紫外可见分光光度计，测量步骤50)分离出来的纳米流体的吸光度
Aaf ;步骤70)使用质量分数为5%的氨水溶液，稀释步骤50)分离出来的纳米流体，稀释比例为:分离出来的纳米流体质量:加入的质量分数为5%的氨水溶液质量=Aini:(2Aaf-Aini)，获得质量分数为1.5%的氮化钛氨水纳米流体。有益效果:与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果:该纳米流体具有稳定的分散性和优异的导热系数。本发明的氮化钛氨水纳米流体，由质量分数为1.5%的氮化钛纳米颗粒与质量分数为5%的氨水基液组成。该纳米流体在未添加分散剂的情况下，依靠调节纳米颗粒和基液中氨的质量分数，来获得了稳定分散的纳米流体，并利用基于比吸光度的制备方法来进一步提升其分散稳定性。本发明的制备方法基于比吸光度，利用自然沉降原理，通过采用特定的纳米颗粒和氨水基液中氨的质量分数，来获得稳定分散的氮化钛氨水纳米流体。本发明的制备方法能有效地将纳米颗粒中分散性较差的部分从纳米流体中去除，而保留分散性优异的纳米流体部分，而且能保证纳米流体中纳米颗粒的质量分数为1.5%，由于纳米颗粒的质量分数和氨水浓度影响着纳米流体的稳定性和热力学性能，利用本发明所选用的纳米颗粒质量分数和氨水基液的质量分数，能获得分散性能优异的纳米流体，其纳米流体的导热系数也较高。
图1为本发明的流程框图。图2为本发明的实施例中配置的各种氮化钛氨水纳米流体的吸光度值图。图3为本发明的实施例中配置的各种氮化钛氨水纳米流体在静置48小时后的吸光度值图。图4为本发明的实施例中配置的各种氮化钛氨水纳米流体在静置48小时后的有效导热系数比值图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。本发明的氮化钛氨水纳米流体，由纳米颗粒和基液组成，所述的纳米颗粒是粒径为20nm的氮化钛(化学式为TiN)颗粒，所述的基液是质量分数为5%的氨水溶液，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为1.5%。如图1所示，上述氮化钛氨水纳米流体的制备方法，包括以下步骤:步骤10)首先向质量分数为5%的氨水溶液中添加氮化钛颗粒，形成初始纳米流体，氮化钛颗粒占初始纳米流体的质量分数为3%。所述的氮化钛颗粒的粒径为20nm。步骤20)利用恒温磁力搅拌器，在温度为20°C的环境下，搅拌初始纳米流体30分钟。步骤30)在温度为20°C的超声水浴中，振荡初始纳米流体10分钟，振荡频率为45kHz。步骤40)利用紫外可见分光光度计，测量步骤30)振荡后的初始纳米流体的吸光度 Aini。步骤50)将初始纳米流体静置24小时，该初始纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用注射器将上层未沉降的纳米流体分离出来。上层未沉降的纳米流体就是纳米颗粒稳定分散部分的纳米流体。步骤60)利用紫外可见分光光度计，测量步骤50)分离出来的纳米流体的吸光度
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步骤70)使用质量分数为5%的氨水溶液，稀释步骤50)分离出来的纳米流体，稀释比例为:分离出来的纳米流体质量:加入的质量分数为5%的氨水溶液质量=Aini:(2Aaf-Aini)，获得质量分数为1.5%的氮化钛氨水纳米流体。为了进一步说明本发明所制备纳米流体在稳定性和热物性等方面的优越性，利用本发明所述的制备方法，通过对包含不同质量分数纳米颗粒和不同质量分数氨水基液的纳米流体的稳定性和导热系数进行比较。比较方法为测量各种纳米流体的吸光度与导热系数。吸光度越大，则代表经过静置后流体中悬浮的纳米颗粒越多，也就是说其分散稳定性越好。吸光度的测试方法为:将纳米流体静置一段时间后，取试管上层固定高度溶液注入比色皿，再使用紫外可见分光光度计，对各个试管吸光度进行测试。导热系数的测试采用双热线瞬态导热系数测量方法进行测量。瞬态热线法是利用测量热线的电阻变化来测量液体导热系数，其理论基础是无限大介质中的径向一维非稳态导热。在无限大的均匀流体中置入长度相对热线直径无限长的线热源，当二者处于热平衡时，用恒热流对线热源进行加热，线热源及其周围的流体就会产生温升，从而引起线热源的电阻变化，根据线热源的阻值随时间的变化关系就可以得到液体的导热系数。试验对象为:在质量分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的氨水基液中，分别添加粒径为20nm的氮化钛颗粒，在每种质量分数氨水基液配置的纳米流体中，氮化钛颗粒占纳米流体的质量分数分别为0.25%,0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%、1.75%、2%。这样形成48种不同的氮化钛纳米流体。在配置好各种氮化钛纳米流体后，即时测试该48种氮化钛纳米流体的吸光度，结果如图2所示。从图2中可知，氮化钛纳米流体的吸光度与氮化钛颗粒的质量分数乘正比，含相同质量分数氮化钛颗粒的纳米流体在初始制备时具有相等的吸光度，说明了吸光度作为稳定性指标的可信度。在上述48种不同的氮化钛纳米流体静置48小时后，再测试其吸光度，结果如图3所示。从图3可以看出:在氮化钛颗粒质量分数为1.5%，氨水质量分数为5%时，氮化钛纳米流体具有最大的吸光度，为1.38。这说明本发明所述纳米流体具备较为优异的分散性能。图4为静置48小时后，上层未沉降的纳米流体的有效导热系数比(有效导热系数比是纳米流体导热系数与基液导热系数之比)。纳米流体的有效导热系数比高，也就说明纳米流体的导热系数高。通过有效导热系数比，来定量说明纳米流体的导热系数提高了多少。从图4可以看出:纳米流体的有效导热系数比与纳米流体的稳定性明显正相关。也就是说，在氮化钛颗粒质量分数为1.5%，氨水质量分数为5%时，氮化钛纳米流体具有最大的有效导热系数比，为1.093。这进一步说明了本发明所制备的纳米流体同时具备了稳定分散性以及高导热系数的 优良性能。
权利要求
1.一种氮化钛氨水纳米流体，其特征在于，该纳米流体由纳米颗粒和基液组成，所述的纳米颗粒是粒径为20nm的氮化钛颗粒，所述的基液是质量分数为5%的氨水溶液，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为1.5%。
2.—种权利要求1所述的氮化钛氨水纳米流体的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤: 步骤10)首先向质量分数为5%的氨水溶液中添加氮化钛颗粒，形成初始纳米流体，氮化钛颗粒占初始纳米流体的质量分数为3% ； 步骤20)利用恒温磁力搅拌器，在温度为20°C的环境下，搅拌初始纳米流体30分钟； 步骤30)在温度为2 0°C的超声水浴中，振荡初始纳米流体10分钟，振荡频率为45kHz ； 步骤40)利用紫外可见分光光度计，测量步骤30)振荡后的初始纳米流体的吸光度A...1ιιηι ， 步骤50)将初始纳米流体静置24小时，该初始纳米流体分为上层未沉降的纳米流体和下层沉降的纳米颗粒，然后利用注射器将上层未沉降的纳米流体分离出来； 步骤60)利用紫外可见分光光度计，测量步骤50)分离出来的纳米流体的吸光度Aaf ；步骤70)使用质量分数为5%的氨水溶液，稀释步骤50)分离出来的纳米流体，稀释比例为:分离出来的纳米流体质量:加入的质量分数为5%的氨水溶液质量=Aini: (2Aaf-Aini),获得质量分数为1.5%的氮化钛氨水纳米流体。
3.按照权利要求2所述的氮化钛氨水纳米流体的制备方法，其特征在于，所述的步骤10)中，氣化钦颗粒的粒径为20nm。
全文摘要
本发明公开了一种氮化钛氨水纳米流体，由纳米颗粒和基液组成，纳米颗粒是粒径为20nm的氮化钛颗粒，基液是质量分数为5%的氨水溶液，纳米颗粒占纳米流体的质量分数为1.5%。该纳米流体具有稳定的分散性和优异的导热系数。本发明还公开了该氨水纳米流体的制备方法，步骤10)向氨水溶液中添加氮化钛颗粒；步骤20)搅拌初始纳米流体；步骤30)振荡初始纳米流体；步骤40)测量初始纳米流体的吸光度；步骤50)将初始纳米流体静置，将上层未沉降的纳米流体分离出来；步骤60)测量分离出来的纳米流体的吸光度；步骤70)稀释分离出来的纳米流体，获得质量分数为1.5%的氮化钛氨水纳米流体。该制备方法可提高纳米流体的分散性。
文档编号C09K5/04GK103113851SQ20131005462
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月20日 优先权日2013年2月20日
发明者杨柳, 杜垲 申请人:东南大学