专利名称：一种制备碳纳米流体的方法
技术领域：
本发明涉及碳纳米技术，特别涉及制备具有已增加导热率之碳纳米流体之方法。
背景技术：
热传输流体之导热率在能量高效热传输设备(包括电子设备、加热设备、通风设备、空调、冷冻及运输设备)之开发中起重要作用。高级热传输流体之开发对于改善公知的热传输流体之高效热传输特性而言无疑是必需的。低导热率是许多工业应用中所需能量高效热传输流体之开发中的主要限制。
授予Segal之美国专利第5,863,455号揭示一种胶状流体，其具有位于载体流体中的金属粒子以使电磁装置绝缘并冷却，该电磁装置会因于电磁装置内部采用高电流密度与高交流(AC)电压而产生热。通过使金属或金属氧化物粒子悬浮于授予Choi等人之美国专利第6,221,275号中所揭示的液体中，亦开发出一种新类别的热传输流体。在真空中产生上述这些金属或金属氧化物粒子并使其分散，同时上述这些粒子穿过已加热基板附近，该流体之薄膜。
新兴的碳纳米技术显示出在许多工程应用方面有发展前景。近来普遍提出将碳纳米管当作具有已增加导热率的稳定纳米材料。然而，碳纳米管坚固、有弹性，黏性亦非常高。此使得难以使其均匀地分散到流体中以为能量管理提供高效的热传输媒介。
发明内容
本发明之一范例揭示一种制备碳纳米流体之方法，该碳纳米流体具有已增加的导热率。该方法包含提供基础流体；提供许多碳纳米管；将上述这些碳纳米管与该基础流体结合；通过物理搅拌操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该物理搅拌操作期间执行该物理操作的系统进行冷却。
本发明之另一范例揭示一种制备能够担当热传输媒介之流体之方法。该方法包含将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；通过超声波操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
在另一范例中，本发明揭示一种能够担当热传输流体之碳纳米流体。该碳纳米流体包含基础流体，其占体积的大约99.8至大约98％；及实质上均匀地分散到该基础流体中之功能化碳纳米管，其占体积的大约0.2至大约2.0％，其中该碳纳米流体之导热率比不具有碳纳米管之基础流体之导热率高至少1.3倍。
在另一范例中，本发明揭示一种碳纳米流体，其制造程序包括将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；通过超声波操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
当并同各随附附图而阅览时，即可更佳了解本发明之前揭摘要以及上文详细说明。为达本发明之说明目的，各附图里图绘有现属较佳之各具体实施例。然应了解本发明并不限于所绘之精确排置方式及设备装置。
在各附图中图1为说明依据本发明之一具体实施例的用于产生功能化碳纳米管之实验装置之示意图；图2为说明依据本发明之另一具体实施例的邻接双管热交换系统加以设置之超声波均质机之示意图；及图3为说明依据本发明之另一具体实施例的双管热交换系统之示意图。
主要元件标记说明1 实验装置2 超声波均质机3 双管热交换器4 冷却循环系统10 烧杯11 回流系统12 加热台20 超声波探针20a尖端21 电源供应30 内管31 外管311入口312出口40 管41 冷却槽具体实施方式
现将详细参照于本发明具体实施例，其实施例图解于附图之中。尽其可能，所有附图中将依相同元件符号以代表相同或类似的部件。
本发明揭示一种制备碳纳米流体的方法。该方法包含提供基础流体；提供许多碳纳米管；将上述这些碳纳米管与该基础流体结合；通过物理搅拌操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该物理搅拌操作期间执行该物理搅拌操作的系统进行冷却。
本发明中所揭示的上述这些碳纳米管为单壁、双壁及多壁碳纳米管(其具有引入其上的多个官能基)中的至少一种。
因此，本文中的术语“功能化”表示通过化学修改(例如，酸性处理)而将多个官能基引入至碳纳米材料之表面以增加水、无机或有机溶液中碳纳米材料之导热率与溶解度。
在本发明之一具体实施例中，通过采用酸性溶液(其包含H2SO4、HNO3、HCl及CH3COOH中的至少一种)处理上述这些碳纳米管而引入上述这些官能基中的每一个(其包含COOH)。将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合且接着通过物理搅拌操作而使其实质上均匀地分散到该基础流体中。在该物理搅拌操作期间，可施加冷却操作以对该物理搅拌操作期间执行该物理搅拌操作的系统进行冷却。
在本发明之另一具体实施例中，通过采用酸性溶液(其包含H2SO4与HNO3)处理上述这些碳纳米管而表面修改上述这些碳纳米管或使其功能化。从而将包含COOH之官能基引入到碳纳米管之表面上。通过使功能化碳纳米管经受高速离心处理以使未结合酸性混合物与功能化碳纳米管分离可进一步纯化功能化碳纳米管。接着，将已纯化的碳纳米管与基础流体结合并使其分散到基础流体中之前，采用基础流体对碳纳米管加以清洗。将功能化碳纳米管与基础流体结合且接着通过物理搅拌操作(例如磁力搅拌或超声波操作)使其分散到基础流体中。执行冷却操作以对该物理搅拌操作期间执行该物理搅拌操作的系统进行冷却。
在本发明之另一具体实施例中，通过采用酸性溶液(其包含H2SO4与HNO3，比率为大约3∶1)来处理上述这些碳纳米管而表面修改上述这些碳纳米管或使其功能化。通过使功能化碳纳米管经受高速离心处理以使未结合酸性混合物与功能化碳纳米管分离可进一步纯化功能化碳纳米管。接着，将已纯化的碳纳米管与基础流体结合并使其分散到基础流体中之前，采用基础流体对碳纳米管加以清洗。接着将已纯化的碳纳米管与该基础流体结合且通过超声波操作而使其分散到该基础流体中。在超声波操作期间，可施加冷却操作以对执行该超声波操作的系统加以冷却。依据一范例，可使用超声波均质机来执行该超声波操作，该超声波均质机设置有邻接该超声波均质机、用于冷却该超声波均质机的冷却系统。
尽管上述具体实施例中通过酸性溶液使碳纳米管功能化，但应注意，本发明不限于使用此特定技术使上述这些碳纳米管功能化。可采用其它表面修饰技术而将官能基添加或引入到碳纳米管上。
本发明亦揭示一种制备能够担当热传输媒介之流体之方法。该方法之步骤包含将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；通过超声波操作使上述这些功能化碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
类似地，通过采用酸性混合物(其包括H2SO4与HNO3，比率为大约3∶1)来处理上述这些碳纳米管而使上述这些碳纳米管(例如，单壁、双壁或多壁碳纳米管)功能化。通过高速离心处理以使未结合酸性混合物与功能化碳纳米管分离可进一步纯化功能化碳纳米管。接着，将已纯化的碳纳米管与基础流体结合并使其分散到基础流体中之前，可对其加以清洗。然后将已纯化的碳纳米管与该基础流体结合且通过超声波操作而使其实质上均匀地分散到该基础流体中。在超声波操作期间，施加冷却操作以对执行该超声波操作的系统加以冷却。
在一较佳具体实施例中，通过在图1所示实验装置中采用酸性混合物(其包括H2SO4与HNO3，比率为大约3∶1)加以处理而将官能基引入到碳纳米管上。该实验装置1包含烧杯10、连接至该烧杯10的回流系统11及加热台12。在加热台12上方对烧杯10中的混合物加热并加以搅拌。将液体加热至沸点以上而汽化时，回流系统11使汽化气体凝结成液滴并使其反向再循环到烧杯10中。接着，通过高速离心处理使未结合酸性混合物与功能化碳纳米管分离可纯化功能化碳纳米管。将已纯化的碳纳米管与基础流体结合并使其分散到基础流体中之前，采用基础流体对碳纳米管加以清洗。
使用邻接双管热交换器3加以设置的超声波均质机2来执行该超声波操作，该热交换器3可使超声波均质机2所产生的热有效地散逸以使基础流体冷却。参考图2，超声波均质机2包含超声波探针20与电源供应21，其连接至该超声波探针20、用于供应超声波操作所需电源。以超声波探针20之尖端20a浸渍到基础流体中之方式设置超声波探针20以实现分散目的。双管热交换器3具有于其中接收基础流体的内管30及环绕着内管30的外管31。采用流体填充外管31以使超声波探针20所产生的热散逸或将其载走。如图2所示，外管31具有设置于底端处的入口311及设置于顶端处的出口312，因此流体可经由入口311进入外管31并经由出口312离开以使超声波均质机2冷却。因此，不会因于一时间周期期间为超声波探针20施加实质上高功率使超声波探针20过热而中断超声波操作。此确保超声波操作期间之恒定高功率输出以实现最佳分散效应。
依据本发明之另一较佳具体实施例，该冷却系统包含图2所示双管热交换器3与冷却循环系统4。参考图3，以使流出外管31之流体经由管40反向再循环至外管31以使热散逸之方式，将双管热交换器3连接至冷却循环系统4。且可使管40连接至冷却槽41用于在流体反向返回至双管热交换器3之外管31之前使管40中的流体进一步冷却。因此，通过图3所示冷却系统可使流体高效地再循环以使超声波均质机之热散逸或使其冷却，而不会在冷却系统中浪费太多流体。因此，可有效地降低制备纳米流体之总成本。
应注意，本发明之冷却系统不限于以上具体实施例中所述特定装置或手段。举例而言，熟习热交换技术人士可对该冷却系统加以修改或改善以在超声波探针与超声波均质机上实现类似冷却效应。
依据上述制备方法，本发明进一步揭示一种能够担当热传输流体之碳纳米流体。该碳纳米流体包含基础流体，其占体积的大约99.8至大约98％；及实质上均匀地分散到该基础流体中之功能化碳纳米管，其占体积的大约0.2至大约2.0％，其中该碳纳米流体之导热率比不具有碳纳米管之基础流体之导热率高至少1.3倍。
本发明进一步揭示一种碳纳米流体，其制造程序包括将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；通过超声波操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
依据本发明，该基础流体包括但不限于有机溶剂、无机溶剂及水溶液，其具有实质上均匀地分散于其中之碳纳米管且用于担当热传输媒介。视实际应用而定，该基础流体为乙二醇、水及油中的至少一种。虽然本发明亦包含采用表面活性剂或分散剂加以混合之碳纳米流体及其制备方法，但更佳地以不添加表面活性剂或分散剂(其会封装或涂布碳纳米管而遮盖或降低其高导热率)之方式制备流体复合物或碳纳米流体。
现在将参考下面特定的非限制性范例更详细地说明本发明。
碳纳米流体之制备(中国深圳的Nanotech Port Co.)以市售方式提供单壁、双壁或多壁碳纳米管且可购买粉末形式的此类碳纳米管。通过于图1所示实验装置中采用酸性溶液(其包括H2SO4与HNO3，比率为大约3∶1)加以处理而使上述这些碳纳米管功能化或对其加以表面修饰。接着，通过高速离心处理使未结合酸性溶液与功能化碳纳米管分离来纯化功能化碳纳米管。通过超声波使已纯化碳纳米管分散到基础流体中之前，采用工作流体清洗上述这些碳纳米管。
在存在冷却系统(例如，图3所示双管热交换器)之情况下，使用超声波均质机来执行超声波程序，该冷却系统能够使超声波程序所产生之热散逸。因此，随着通过超声波程序使碳纳米管分散到基础流体中，可使超声波探针所产生的热因流体流过外管而瞬间散逸。即使在超声波操作期间之时间周期内为超声波探针供应大约300至600W的高功率，此亦可确保超声波均质机之稳定操作。因此，在超声波操作期间可供应恒定的实质上高功率输出以使碳纳米管实质上均匀地分散到基础流体中。
导热率测量采用(Lee等人，热传输期刊，第121卷，第280页(1999))所述特别设计的受计算机控制之设备来测量碳纳米流体之导热率(k)。在室温下，将导热率作为纳米管体积分率之函数加以测量。为了测量导热率，将碳纳米流体填充到瞬时热线系统之垂直、圆筒型玻璃容器中。长玻璃容器之内直径为19mm且长度为240mm。在瞬时热线系统中，将直径为大约76.2μm的铂线浸渍到碳纳米流体中。将铂线同时用作碳纳米流体之加热器及电阻温度计。铂线表面涂布有薄的电绝缘环氧树脂以防止铂线短路。通过电阻随时间之变化来获得铂线之温度变化。因此，可通过傅立叶定律来估计导热率。碳纳米流体之导热率与铂线之时间响应对温度之斜率成反比。在室温下，使用去离子水与乙二醇来校准瞬时热线系统。测量的不确定性小于2％。
范例1纳米流体A(碳纳米管/乙二醇)通过使多壁碳纳米管分散到乙二醇中来制备纳米流体A。未对纳米流体A添加表面活性剂。通过600W下、持续大约一小时的超声波操作将碳纳米管与乙二醇结合并使其分散到乙二醇中。在超声波操作期间，使用图2所示双管热交换器施加冷却操作以于超声波均质机所执行的超声波操作期间对纳米流体A加以冷却。
接着，如上所述对纳米流体A进行导热率测量。如下面表1之列表，与仅包含乙二醇之液体相比，体积分率为0.01(1vol.％)的碳纳米管/乙二醇悬浮液之导热率(采用k值表示)增加了12.4％。因此，依据本发明所分散的小量碳纳米管可导致基础流体之导热率大大增加。
表1
范例2纳米流体B(碳纳米管/水)通过使多壁碳纳米管分散到水中来制备纳米流体B。未对纳米流体B添加表面活性剂。通过在600W下、持续大约一小时的超声波操作将碳纳米管与水结合并使其分散到水中。在超声波操作期间，使用图2所示双管热交换器施加冷却操作以于超声波均质机所执行的超声波操作期间对纳米流体B加以冷却。
接着，如上所述对纳米流体B进行导热率测量。如下面表2之列表，与仅包含水之液体相比，体积分率为0.015(1.5vol.％)的碳纳米管/水悬浮液之导热率增加了17.8％。因此，依据本发明所分散的小量碳纳米管可导致工作流体之导热率大大增加。
表2
范例3纳米流体C(碳纳米管/合成机油)通过使多壁碳纳米管分散到合成机油中来制备纳米流体C。为纳米流体C添加N羟基琥珀硫亚氨(NHS)。通过在600W下、持续大约一小时的超声波操作将碳纳米管与合成机油结合并使其分散到合成机油中。在超声波操作期间，使用图2所示双管热交换器施加冷却操作以于超声波均质机所执行的超声波操作期间对纳米流体C加以冷却。
接着，如上所述对纳米流体C进行导热率测量。如下面表3之列表，与仅包含油之液体相比，体积分率为0.02(2.0vol.％)的碳纳米管/合成机油悬浮液之导热率增加了30.3％。因此，依据本发明所分散的小量碳纳米管可导致工作流体之导热率大大增加。
表3
尽管论述了上面的具体实施例，但所属技术领域的技术人员应明白，就本发明中所述碳纳米流体及制备方法而言，其中分散有碳纳米材料的其它基础流体(无论上述这些基础流体是否已功能化)亦属于本发明之范畴内。所属技术领域的技术人员由本文所揭示的本发明之说明及实施可明白本发明之其它具体实施例。希望将该说明及范例仅看作范例性的且由下文的权利要求指示本发明之真实范畴与精神。
所属技术领域的技术人员应即了解可对上述各项具体实施例进行变化，而不致悖离其广义之发明性概念。因此，应了解本发明并不限于本揭之特定具体实施例，而为涵盖归属如后载各权利要求所定义之本发明精神及范围内的修饰。
权利要求
1.一种制备碳纳米流体的方法，其特征是该方法包含提供基础流体；提供许多碳纳米管；将上述这些碳纳米管与该基础流体结合；及通过物理搅拌操作使碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该物理搅拌操作期间执行该物理搅拌操作的系统进行冷却。
2.根据权利要求1所述之方法，其特征是该物理搅拌包含超声波。
3.根据权利要求1所述之方法，其特征是上述这些碳纳米管为单壁、双壁及多壁碳纳米管中的至少一种，上述这些单壁、双壁及多壁碳纳米管具有引入其上的多个官能基。
4.根据权利要求3所述之方法，其特征是上述这些官能基中的每一个包含COOH。
5.根据权利要求1所述之方法，其特征是该基础流体为乙二醇、水及油中的至少一种。
6.一种制备能够担当热传输媒介之流体之方法，其特征是该方法包含将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；及通过超声波操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
7.根据权利要求6所述之方法，其特征是引入上述这些官能基包含采用包含H2SO4与NHO3之酸性溶液加以处理，H2SO4与NHO3之比率为大约3∶1。
8.根据权利要求7所述之方法，其特征是其进一步包含在将上述这些碳纳米管与该基础流体结合之前，通过高速离心处理来纯化上述这些功能化碳纳米管。
9.根据权利要求8所述之方法，其特征是上述这些碳纳米管为单壁、双壁及多壁碳纳米管其中之至少一种。
10.根据权利要求8所述之方法，其特征是上述这些官能基中的每一个包含COOH。
11.根据权利要求8所述之方法，其特征是该基础流体为乙二醇、油及水中的至少一种。
12.一种能够担当热传输流体之碳纳米流体，其特征是该碳纳米流体包含(a)基础流体，其占体积的大约99.8至大约98％；及(b)功能化碳纳米管，其占体积的大约0.2至大约2.0％，实质上均匀地分散于该基础流体中，其中该碳纳米流体之导热率比不具有碳纳米管的基础流体之导热率高至少1.3倍。
13.根据权利要求12所述之碳纳米流体，其特征是上述这些功能化碳纳米管为单壁、双壁及多壁碳纳米管中的至少一种，上述这些单壁、双壁及多壁碳纳米管具有引入其上的许多官能基。
14.根据权利要求12所述之碳纳米流体，其特征是该基础流体为乙二醇、水及油中的至少一种。
15.一种碳纳米流体，其特征是其制造程序包括将许多官能基引入到碳纳米管上以提供功能化碳纳米管；提供基础流体；将上述这些功能化碳纳米管与该基础流体结合；及通过超声波操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该超声波操作期间执行该超声波操作的系统进行冷却。
全文摘要
本发明揭示一种制备碳纳米流体的方法。该方法包括提供基础流体；提供许多碳纳米管；将上述这些碳纳米管与该基础流体结合；通过物理搅拌操作使上述这些碳纳米管实质上均匀地分散到该基础流体中；及对该物理搅拌操作期间执行该物理搅拌操作的系统进行冷却。本发明亦揭示一种能够担当热传输流体的碳纳米流体。该碳纳米流体包括基础流体，其占体积的大约99.8至大约98％；及实质上均匀地分散到该基础流体中之功能化碳纳米管，其占体积的大约0.2至大约2.0％。
文档编号C09K5/14GK101063032SQ200610090368
公开日2007年10月31日 申请日期2006年7月3日 优先权日2006年4月28日
发明者刘敏生, 林景正 申请人:财团法人工业技术研究院