用石墨纳米颗粒和碳纳米管提高液体热导率制造技术

本发明专利技术描述了热导率提高的液体组合物，大于其常规类似物２５０％，以及制备这些液体的方法。组合物中至少包含油或水等液体介质，和提高液体热导率所需有效量的碳纳米材料。一种优选的碳纳米材料是高热导率石墨，其热导率优于所分散的纯液体，通过研磨，粉碎或自然形成，平均粒径小于５００纳米，优选小于２００纳米，最优选小于１００纳米。通过一种或多种不同方法将石墨分散在液体中，包括超声处理，粉碎和化学分散。虽然还可以使用其他碳纳米材料，但是具有石墨结构的碳纳米管是另一种优选的碳纳米材料来源。为了获得长期稳定性，优选使用一种或多种化学分散剂。与不含碳纳米材料的液体相比，热导率的提高基本上正比于碳纳米材料（碳纳米管和／或石墨）的添加量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
将具有一定热导率的碳纳米材料分散在作为介质的液体中，能够制得热导率提高的液体。用物理和化学处理方法实现分散。描述了制造方法并确定了液体组合物，说明使用选定的分散剂和混合方法，将碳纳米材料分散在水相和/或石油液体介质中，形成稳定的碳纳米材料分散液，能够获得提高的热导率。现有技术各种类型的润滑剂和冷却剂在设备和制造方法中被用来消除多余热量和其他目的。通常，水是最优选的散热剂，但是为扩大其工作范围，有时要添加乙二醇和/或丙二醇等防冻剂，其含量一般大于10体积％，例如，汽车冷却剂一般是50-70％乙二醇的水溶液。防冻液的热导率只是水的2/3左右。又由于各种原因，不能在许多过程和应用中使用水，而使用一种油，例如矿物油，聚α烯烃油，酯合成油，氧化乙烯/氧化丙烯合成油，聚亚烷基二醇合成油等。这些油的热导率在室温下一般是0.1到0.7W/m-K，作为传热剂时的可比热导率是0.61W/m-K，比水差。通常这些油具有许多其他重要功能，被仔细调配成精确规格，用于磨擦，磨损性能，低温性能等目的。设计者经常会期望一种比普通油热导率更高的液体，但又必须限制其属于油类，因为该液体还必须满足许多其他参数的要求。石墨固体在润滑剂等液体中的应用是众所周知的。石墨作为减摩剂被加入液体中，也可以承担一部分加载在工作液体上的负载，从而有助于减轻对工作部件表面的损坏；然而在常规应用中，石墨的热导性能并不是重要的考虑因素。虽然已有很多关于含石墨润滑剂的专利文件，如美国专利6169059，但都没有明确依靠石墨来提高液体热导率的。虽然含石墨的汽车发动机油一度实现了商业化(ARCO石墨)，但是用石墨作为油中传热促进材料的潜力还尚未利用。所用石墨的粒径(1到几微米左右)大于本专利技术中的粒径。结果是，被混入上述汽车发动机油的石墨，在液体中具有强烈的沉淀倾向。这种粒径的石墨也会明显影响液体的磨擦和磨损特性，迄今为止一直被用来降低磨擦和提高液体的磨损性能，例如，用于金属加工液体中。在再循环系统的润滑剂中使用石墨不是很常见的，部分原因是，美国国家航空和宇宙航行局的文件认为，石墨会在有限流动区域内因密集接触“而堆积”，从而导致润滑剂匮乏。从未就石墨粒径对该现象的影响进行过研究。而且，现有技术参考文献中也没有说明使用平均粒径小于500纳米的石墨颗粒能够提高液体的热导率。碳纳米管是由碳原子形成的一种新颖纳米材料，具有不同于其他形式碳材料的特性。它具有均匀的原子结构，很高的长径比，和异常的机械性能(强度和柔性)，非常适合作为复合材料和其他结构材料中的增强纤维。碳纳米管的特征是，一般具有包括碳纳米纤维的坚硬多孔碳三维结构，高表面积和高孔隙率，低体积密度，少量微孔和增强的压碎强度。本方法适用于含有或不含无定形碳的纳米管。术语“纳米纤维”是指横截面(例如有棱的角状纤维)或直径(例如圆形的)小于1微米的长形结构。该结构可以是中空或实心的。因此，该术语包括“巴基管”和“纳米管”。术语纳米纤维也指各种纤维，特别是直径很小的碳纤维，包括纤丝，晶须，纳米管，巴基管等。由于其尺寸和形状的原因，在混入结构中时能提供很大的表面积。而且，制得的这些纤维可以具有很高的纯度和均匀性。优选本专利技术所用的纳米纤维直径小于1微米，较优选小于约0.5微米，更优选小于0.1微米，最优选小于0.05微米。碳纳米管一般是具有几纳米到几十纳米直径的中空石墨管，以分散的纤维或纳米纤维聚集物形式存在。术语“内部结构”是指集合体的内部结构，包括纤维相对取向，纤维取向多样性及其总体平均，纤维彼此接近度，因为纤维之间的缝隙和空间所产生的空穴或孔隙，以及由于空穴和/或孔隙的连通所形成流动管道或通道的尺寸，形状，数量和取向。该结构还可以包括与组成集合体的聚集颗粒的尺寸，空间和取向有关的特性。术语“相对取向”是指单个纤维或聚集体相对于其他纤维的方向(即，对准的或不对准的)。纤维或集合体取向的“多样性”和“总体平均”是指结构内纤维取向的范围(相对于结构外表面的对准情况和方向)。可以用碳纤丝形成坚硬的集合体或制造成3.5到7.纳米范围的直径。本申请中所称纤丝，巴基管，纳米管和晶须是与作为商用增强材料的连续碳纤维有区别的。与比较大但是不可避免地具有有限长径比的纳米纤维相比，连续碳纤维的长径比(长度/直径)至少是104，通常是106甚至更大。连续纤维的直径也远大于纤丝直径，一般大于1.0微米，通常是5到7微米。连续碳纤维是通过有机前体纤维的高温分解制成的，有机前体纤维通常是人造丝，聚丙烯腈(PAN)和沥青。因此，其结构中可能包含杂原子。“所制得”连续碳纤维的石墨性质是不同的，但是可以随后对其进行石墨化处理步骤。如果石墨平面的石墨化度，取向和结晶度存在差别的话，则可能存在的杂原子，甚至衬底直径中的绝对差也会导致对连续纳米纤维化学性质的预测很差。碳纳米纤丝是直径小于1.0微米的蠕形碳沉积物，优选小于0.5微米，更优选小于0.2微米，最优选小于0.05微米。它们以各种形式存在，通过在金属表面对各种含碳气体进行催化分解而制得。碳纳米管通常是直径为几纳米到几十纳米的中空石墨细管。碳纳米管以多种形式存在。纳米纤维可以是分散的纤维或纳米纤维聚集物的形式。前者导致具有相当均匀特性的结构。后者导致两层结构，其整体宏观结构中包括结合在一起形成多孔物质的纳米纤维聚集颗粒，和单个聚集颗粒中的缠绕纳米纤维微观结构。例如，一种碳纤丝的特征是，具有基本恒定的直径，长度是直径的5倍，催化生长，多重，基本连续的有序碳原子层组成的有序外区(有序碳原子层的外径是大约3.5和70纳米)和清晰的内核区。各个层和核心都基本同心地位于纤丝圆柱轴周围。纤丝中基本不含热解沉积的碳，纤丝的直径等于有序外区的外径。而且，适用于本方法的碳纤丝是一种圆柱碳纤丝，其特征是具有3.5和约70纳米之间基本恒定的直径，长度是直径的大约5倍，包括多重有序碳原子层的外区和清晰的内核区，各个层和核心都同心地位于纤丝圆柱轴的周围。优选整个纤丝中基本不含热裂碳外层。这里用术语“圆柱形”表示宽泛几何概念，即表面一条直线平行于一固定直线移动，并与一曲线相交形成的表面。圆形或椭圆形是圆柱形多种可能曲线中的两种。纤丝的内核区可以是中空的，或者可能含有其有序性不如外区的碳原子。这里用“有序碳原子”表示其c轴基本垂直于纤丝圆柱轴的石墨畴。在一个实施方式中，纤丝长度是直径的大约20倍。在另一个实施方式中，纤丝直径在大约7和25纳米之间。在另一个实施方式中，内核区的直径大于约2纳米。将纳米管分散在有机和水相介质中是一个很大的挑战。纳米管倾向于发生聚集，形成聚集体，从分散液中分离出来。有些工业应用要求一种制备选定纳米材料在液体介质中稳定分散液的方法。例如，Strumban的美国专利提出了表面活性剂和油介质的用途；但是，其颗粒是0.01微米的Cu-Ni-Sn-Zn合金颗粒，其悬浮液能在大约30天的有限时间内保持稳定。而且，其所用的表面活性剂不包括常用于润滑剂工业的分散剂。Uchida等人的美国专利5560898提出了含有表面活性剂的水相液体介质；但是，其分散液的稳定性根本不重要，因为在分散时进行了离心。Shibuta的美国专利5853877提出将解缠结的纳米管分散在极性溶剂中，形成具有分散剂等添加剂的涂布组合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热导率提高的液体组合物，包括：具有选定热导率的有效量纯溶液；分散在所述纯溶液中的有效量碳纳米材料，所述碳纳米材料具有大于纯溶液的热导率；有效量的至少一种化学分散剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：Z张，FE洛克沃德，
申请(专利权)人：爱什兰股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]