一种石墨烯基改性纳米流体传热工质及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯基改性纳米流体传热工质及其制备方法，首先经两次氧化制得氧化石墨烯，再还原后得到石墨烯，石墨烯、丙三醇、酮或醛进行混合后于80～150℃下反应2～12小时，反应结束后减压蒸馏除去未反应的酮或醛，然后将所得的悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声1～5小时，得到改性的石墨烯：酮/醛缩丙三醇纳米流体。本发明专利技术将传统“两步法”制备纳米流体方法与有机合成化学反应巧妙结合，制备过程简单易操作，制备出的纳米流体在基液的基础上导热系数提高92％、粘度减小98％、且工作温度范围扩展至‑18～300℃，制备流程简单，材料来源广泛、过程易于控制，重复性好，技术易于推广应用。

A Graphene-based Modified Nanofluids Heat Transfer Working Fluid and Its Preparation Method

The present invention discloses a graphene-based modified nanofluids heat transfer working fluid and its preparation method. Firstly, graphene oxide is prepared by twice oxidation and then reduced to graphene. Graphene, glycerol, ketone or aldehyde is mixed and reacted at 80-150 degrees C for 2-12 hours. After the reaction, the unreacted ketone or aldehyde is removed by vacuum distillation, and then the obtained suspension is placed in ultrasonic wave. Modified graphene: ketone/aldehyde glycerin nanofluids were prepared by ultrasound for 1-5 hours in cell grinder. The present invention skillfully combines the traditional two-step method for preparing nanofluids with the organic synthesis chemical reaction, and the preparation process is simple and easy to operate. The thermal conductivity of the prepared nanofluids is increased by 92% and the viscosity is reduced by 98% on the basis of the base liquid, and the working temperature range is extended to 18-300 C. The preparation process is simple, the material source is wide, the process is easy to control, the repeatability is good, and the technology is simple. The operation is easy to popularize and apply.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基改性纳米流体传热工质及其制备方法
本专利技术属于传热
，涉及一种纳米流体传热工质，尤其涉及一种石墨烯基改性纳米流体传热工质及其制备方法。
技术介绍
热量传递过程涉及到工业上的各行各业。随着传热系统的热负荷日益增大以及传热系统结构的复杂化，对传热技术提出了更高的要求，比如，保温超导体冷却，薄膜沉积中的热控制、动力电池热管理、大功率电子原件散热及航空航天器热管理等等。提高传热介质的性能是强化传热的主要方式之一。1995年，美国Argonne实验室的Choi教授提出了纳米流体(Nanofluid)的概念，即在液体中添加纳米颗粒而形成的纳米粒子悬浮液，是突破传统工质低导热特性的新方法。基液作为纳米流体的主要组成部分，对于分散纳米颗粒和纳米流体的导热起到决定性的作用。基液的选择主要考虑它的热稳定性，粘度，导热系数，热容，凝固点和沸点。在寒冷地区，如中国北方地区，最低温度可达-30℃；而在炎热地区，太阳能收集系统的最高温度可达270℃，传统的水基工质将会受限于较高的凝固点和较低的沸点而无法正常工作。丙三醇为工业生物柴油及制皂业的主要副产物，来源广泛，价格低廉。由于它具有较高的导热系数、热稳定性、安全性及较宽的工作温度范围(18℃～230℃)而被用作传热介质，然而过高的粘度导致过高泵耗，限制了其广泛使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种石墨烯基改性纳米流体传热工质的制备方法，解决传统液体传热介质的传热能力差和工作温度范围窄的问题。本专利技术的另一目的是提供由上述方法制备得到的石墨烯基改性纳米流体传热工质，工作温度范围宽，且相对于丙三醇基液的纳米流体具有更高的导热系数和更低的粘度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种石墨烯基改性纳米流体传热工质的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨、五氧化二磷、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于10～50℃下反应1～8小时，其中五氧化二磷与高锰酸钾的质量比为1:1，石墨与五氧化二磷、高锰酸钾总质量的质量比为1:1～2:1，石墨与浓硫酸的质量比为3:1～5:1，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥后得到预氧化的石墨；(2)将步骤(1)得到的预氧化的石墨、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于0～50℃下反应2～5小时，其中预氧化的石墨与高锰酸钾的质量比为1:3～1:5，预氧化的石墨与浓硫酸的质量比为1:30～1:50，反应结束后以质量百分比浓度为30％过氧化氢水溶液中和未反应氧化剂，离心，以水溶性有机溶剂的水溶液为洗涤溶剂离心洗涤沉淀物3～5次，真空干燥得到氧化石墨烯；(3)在溶剂环境中，将步骤(2)得到的氧化石墨烯与还原剂按质量比为1:30～1:50进行混合，氧化石墨烯与溶剂的质量体积比为1:1～1:3(g/L)，调节溶液pH至9～10，于80～120℃下反应12～24小时，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥得到石墨烯；(4)将步骤(3)得到的石墨烯、丙三醇、酮或醛进行混合后于80～150℃下反应2～12小时，其中石墨烯与丙三醇的质量比为0.216％～1.264％，丙三醇与酮或醛的摩尔比为1:3～1:5，反应结束后减压蒸馏除去未反应的酮或醛，然后将所得的悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理1～5小时，得到改性的石墨烯：酮/醛缩丙三醇纳米流体。优选的，步骤(1)至步骤(3)中，所述真空干燥的温度为35～60℃，干燥时间为12～24小时。优选的，步骤(2)中，所述离心转速为2000～4000rpm。优选的，步骤(3)中，所述还原剂为硼氢化钠、甲酸、水合肼、甲醛、柠檬酸钠中的任意一种；所述溶剂为水、乙醇、甲醇中的任意一种。优选的，步骤(3)中，调节pH使用饱和碳酸钠溶液。优选的，步骤(4)中，所述酮为苯乙酮、环己酮、丙酮中的一种。优选的，步骤(4)中，所述醛为苯甲醛、苯乙醛、乙醛、丁醛中的一种。优选的，步骤(4)中，所述超声的功率为30～60KW。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术将传统“两步法”制备纳米流体方法与有机合成化学反应巧妙结合，制备过程简单易操作，制备出的纳米流体在基液的基础上导热系数提高92％、粘度减小98％、且工作温度范围扩展至-18～300℃(丙三醇的为18～230℃)。研究表明未反应完全的丙三醇起到分散剂的作用而使该纳米流体具有较好的稳定性。本专利技术的制备流程简单，材料来源广泛、过程易于控制，重复性好，技术易于推广应用。附图说明图1为本专利技术中制备的石墨烯的扫描电子显微镜图10μm。图2为本专利技术中制备的石墨烯的X射线衍射图。图3为本专利技术实施例1制备的丙酮缩丙三醇：石墨烯纳米流体的透射电子显微镜图；A：1μm；B：500nm。图4为本专利技术实施例1制备的丙酮缩丙三醇：石墨烯纳米流体和丙三醇粘度随温度变化的曲线图。图5为本专利技术实施例1-3制备的丙酮缩丙三醇：石墨烯纳米流体和丙酮缩丙三醇基液导热系数随温度变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。以下实施例中所用试剂或原料，如无特殊说明，则均为市售商品试剂。实施例1：以丙三醇、丙酮、石墨烯为原料制备纳米流体。在配有磁力搅拌器的反应器中投入石墨、五氧化二磷、高锰酸钾、浓硫酸，其中五氧化二磷与高锰酸钾的质量比为1:1，石墨与五氧化二磷、高锰酸钾总质量的质量比为2:1，石墨与浓硫酸的质量比为4:1，上述物料混合后于30℃下反应6小时，反应结束后过滤，依次用去离子水和无水乙醇洗涤，然后放入50℃真空干燥箱中干燥18小时，得到预氧化的石墨。在配有磁力搅拌器的反应器中投入预氧化的石墨、高锰酸钾、浓硫酸，其中预氧化的石墨与高锰酸钾的质量比为1:4，预氧化的石墨与浓硫酸的质量比为1:40，上述物料混合后于30℃下反应3小时，反应结束后以质量百分比浓度为30％过氧化氢水溶液中和未反应氧化剂，用3000rpm离心机离心，以体积分数为50％的乙醇水溶液为涤溶剂离心洗涤三次，然后放入50℃真空干燥箱中干燥18小时得到氧化石墨烯。在配有磁力搅拌器的反应器中投入氧化石墨烯、水合肼、去离子水，用饱和碳酸钠溶液调节溶液pH至9，其中氧化石墨烯与水合肼的质量比为1:40，氧化石墨烯与溶剂的质量体积比为1:2g/L，上述物料混合后于100℃下反应18小时，反应结束后过滤、洗涤，50℃真空干燥18小时得到石墨烯。将制得的石墨烯置于扫描电子显微镜(型号为：FEIQuantaTM250)下观察，如图1所示，可以看到本专利技术制备的石墨烯主要为片层结构，具有化学氧化还原法制备石墨烯所特有的边缘褶皱特性，形貌与文献报道的一致。X射线衍射仪(XRD)(型号为：BrukerX－RayDiffraction，D8Advance)结果显示石墨经强氧化剂作用后2θ＝26.4°左右002晶面特征峰完全消失，同时在10.1°左右出现了氧化石墨烯的001晶面特征峰，表明石墨在两次氧化的条件下完全转化为氧化石墨烯(图2A)。氧化石墨烯经过还原后，氧化石墨烯在10.1°左右的001晶面特性峰消失，衍射峰变宽，强度非常弱，这是由于还原后石墨的尺寸更加减小，晶体的结构完整性下降，无序度增加(图2B)，与文献报道的石墨烯的XRD谱图一致。在配有磁力搅拌器的反应器中投入丙三醇12.5g(0.136mol)，丙酮39.3g(0.679mol)，石墨烯79m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯基改性纳米流体传热工质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨、五氧化二磷、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于10～50℃下反应1～8小时，其中五氧化二磷与高锰酸钾的质量比为1:1，石墨与五氧化二磷、高锰酸钾总质量的质量比为1:1～2:1，石墨与浓硫酸的质量比为3:1～5:1，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥后得到预氧化的石墨；(2)将步骤(1)得到的预氧化的石墨、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于0～50℃下反应2～5小时，其中预氧化的石墨与高锰酸钾的质量比为1:3～1:5，预氧化的石墨与浓硫酸的质量比为1:30～1:50，反应结束后以质量百分比浓度为30％过氧化氢水溶液中和未反应氧化剂，离心，以水溶性有机溶剂的水溶液为洗涤溶剂离心洗涤沉淀物3～5次，真空干燥得到氧化石墨烯；(3)在溶剂环境中，将步骤(2)得到的氧化石墨烯与还原剂按质量比为1:30～1:50进行混合，氧化石墨烯与溶剂的质量体积比为1:1～1:3(g/L)，调节溶液pH至9～10，于80～120℃下反应12～24小时，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥得到石墨烯；(4)将步骤(3)得到的石墨烯、丙三醇、酮或醛进行混合后于80～150℃下反应2～12小时，其中石墨烯与丙三醇的质量比为0.216％～1.264％，丙三醇与酮或醛的摩尔比为1:3～1:5，反应结束后减压蒸馏除去未反应的酮或醛，然后将所得的悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理1～5小时，得到改性的石墨烯：酮/醛缩丙三醇纳米流体。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基改性纳米流体传热工质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将石墨、五氧化二磷、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于10～50℃下反应1～8小时，其中五氧化二磷与高锰酸钾的质量比为1:1，石墨与五氧化二磷、高锰酸钾总质量的质量比为1:1～2:1，石墨与浓硫酸的质量比为3:1～5:1，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥后得到预氧化的石墨；(2)将步骤(1)得到的预氧化的石墨、高锰酸钾、浓硫酸进行混合后于0～50℃下反应2～5小时，其中预氧化的石墨与高锰酸钾的质量比为1:3～1:5，预氧化的石墨与浓硫酸的质量比为1:30～1:50，反应结束后以质量百分比浓度为30％过氧化氢水溶液中和未反应氧化剂，离心，以水溶性有机溶剂的水溶液为洗涤溶剂离心洗涤沉淀物3～5次，真空干燥得到氧化石墨烯；(3)在溶剂环境中，将步骤(2)得到的氧化石墨烯与还原剂按质量比为1:30～1:50进行混合，氧化石墨烯与溶剂的质量体积比为1:1～1:3(g/L)，调节溶液pH至9～10，于80～120℃下反应12～24小时，反应结束后过滤、洗涤、真空干燥得到石墨烯；(4)将步骤(3)得到的石墨烯、丙三醇、酮或醛进行混合后于80～150℃下反应2～12小时，其中石墨烯与丙三醇的质量比为0.216％～1.264％，丙三醇与酮或醛的摩尔比为1:3～1:5，反应结束后减压蒸馏除去未反应的酮或醛，然后将所得的悬浊液置于超声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌会，饶中浩，刘臣臻，赵佳腾，霍宇涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32