一種用於製備納米流體的離心裝置及製備納米流體的方法

2023-06-05 03:25:31

專利名稱：一種用於製備納米流體的離心裝置及製備納米流體的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製備納米流體的裝置及方法，具體來說，涉及一種用於製備納米流體的離心裝置及製備納米流體的方法。
背景技術：
納米流體被認為具有提聞換熱系統能效的潛力。在納米流體製備方面，目如已有很多方法應用於強化納米顆粒在液體中分散，包括攪拌、剪切、球磨等物理方法，也有表面修飾、改變PH值等化學方法，然而溶液中還是有一部分納米顆粒處於團聚狀態，並沒有被這些方法分散開來，主要原因是納米顆粒在放置過程中，已經有部分顆粒在固體形態時已經發生團聚，納米顆粒本身有好壞之分，是優等顆粒與劣等顆粒的混合物，又由於製備過程中由於顆粒間很強的作用力，包括範德華力，甚至氫鍵的作用等發生團聚。團聚體很難再次分散開來，而這部分納米顆粒團聚體的存在不僅會削弱納米流體的優異特性，比如微對流、高傳熱傳質性能、低粘度(相對於微米顆粒懸浮液)等，而且在納米流體的使用過程中，這部分團聚體可能成為團聚吸附核心使更多的納米顆粒吸附在上面，從而導致納米流體的分散性進一步的降低。這些團聚體是很難通過物理或化學方法打開，特別是這類靠氫鍵作用的納米糰聚體。特別是對於兩步法製備納米流體過程中，目前大多採用直接添加，再採用而外的分散手段，包括分散劑、超聲水浴等，但是這些方法也很難將團聚的納米顆粒團部分散開來。對納米流體中不同分散效果的納米顆粒進行分離，有採用自然沉降、過濾和利用離心設備方法。但是自然沉降是納米顆粒團聚體和穩定分散小顆粒的共性，放置過程中均會向下沉降，在分離過程中會失去較多的分散穩定的納米顆粒，所有納米顆粒均會向下沉降，而納米流體頂部則會出現清液層。所以利用自然沉降原理能在一定程度上分離團聚顆粒，但這樣並不能快速、有效地地分離團聚顆粒與穩定分散的納米顆粒。而過濾方法由於納米級的納米顆粒具有極強的吸附性，導致過濾過程容易出現堵塞而且會損失很多納米顆粒，並且過濾後納米顆粒再處理(烘乾、分散)又容易出現團聚。而簡單採用離心設備進行分離，同樣由於離心力會使所有納米顆粒均被離心，而且強烈的離心作用會使穩定分散的納米顆粒聚集傾向與團聚，雖然離心過程能快速使納米顆粒與溶液進行分離，但是如何將穩定分散的納米流體保留是需要解決的一大問題。所以在製備納米流體的過程中除掉其中分散性較差的部分，保留分散性較好的部分，並且能同時保證獲得需要質量分數的納米流體是本領域技術人員面臨的技術問題。

發明內容
技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種用於製備納米流體的離心裝置，該離心裝置通過離心力和篩子原理，去除納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分；同時，還提供利用該離心裝置製備納米流體的方法，該方法可以保證獲得所需的納米顆粒質量分數，並且能去除分散性較差的納米糰聚體，保留穩定分散的納米流體，提高納米流體的分散性。技術方案:為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
一種用於製備納米流體的離心裝置，該離心裝置包括離心盤、內篩板、外篩板和調速電機，離心盤呈頂端為開口的筒體，離心盤的底面與調速電機的動力輸出軸連接，內篩板和外篩板位於離心盤的內腔中，內篩板和外篩板連接在離心盤的底面上，外篩板位於內篩板的外側，且外篩板的內壁面和內篩板的外壁面相貼；內篩板和外篩板將離心盤分為位於內篩板內側的內層流道和位於外篩板外側的外層流道；內篩板和外篩板均呈兩端開口的環形筒體，內篩板的壁面上設有狹縫，狹縫為通槽；外篩板的內壁上設有凹槽；凹槽的寬度等於狹縫的寬度，且凹槽與狹縫相對應；內篩板和外篩板上設有孔徑相等和目數相同的篩孔。一種利用上述的用於製備納米流體的離心裝置製備納米流體的方法，該方法包括以下步驟:
步驟10)測定初始納米流體的吸光度:首先將納米顆粒與基液混合，攪拌均勻，製備出質量分數為K.Μ的初始納米流體，其中，K>1，M為最終獲取的納米流體的質量分數，然後利用紫外可見分光光度計，測量初始納米流體的吸光度A0 ；
步驟20)加入初始納米流體:將步驟10)製備的初始納米流體加入離心裝置的離心盤的內層流道中，然後轉動內篩板，使得內篩板的狹縫與外篩板的凹槽分別對齊；
步驟30)對初始納米流體進行篩選:啟動調速電機，調節轉速，使位於離心盤中的初始納米流體保持穩定轉動，初始納米流體在流動過程中，其中的納米顆粒團聚體在離心力作用下，依次穿過內篩板的篩孔 和外篩板的篩孔，匯聚於外層流道中，穩定分散的納米顆粒流體則停留在內層流道中；尺寸大於篩孔的納米顆粒團聚體穿過內篩板的狹縫，匯聚於外篩板的凹槽中；
步驟40)封閉內層流道和外層流道:調節內篩板，將內篩板的篩孔和外篩板的篩孔錯位，進而封閉內層流道和外層流道，並將內篩板的狹縫與外篩板的凹槽錯開，進而隔開了外篩板的凹槽和內層流道；
步驟50)測量篩選後的納米流體的吸光度:用注射器取出位於內層流道的納米流體，作為篩選後的納米流體，然後注入容器中，並均勻混合，利用紫外可見分光光度計測量篩選後的納米流體的吸光度A1 ；
步驟60)製備質量分數為M的納米流體:向步驟50)提取出來的位於容器中的納米流體中添加基液，對該納米流體進行稀釋，稀釋比例為:提取出來的納米流體質量:添加的基液質量=1: (K.AcZA1-1),製備出質量分數為M的納米流體。有益效果:與現有技術相比，本發明的技術方法具有以下優點:
(I)離心裝置可以去除納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分。本發明的離心裝置中，通過調整內篩板位置，使內篩板與外篩板對離心盤的外層流道和內層流道進行連通或者封閉。也就是說，當狹縫與凹槽對齊，內篩板的篩孔與外篩板的篩孔對齊時，外層流道和內層流道連通。此時啟動調速電機，進行納米流體篩選。當篩選結束後，關閉調速電機，並調整內篩板位置，使狹縫與凹槽錯開布置，且內篩板的篩孔與外篩板的篩孔也錯開，從而隔斷了外層流道和內層流道，並封閉了凹槽和內層流道。外篩板的凹槽處於封閉空間，用於儲存了尺寸大於篩孔孔徑的團聚體。這樣，位於外層流道的納米流體和凹槽內的團聚納米顆，不會因為抽取位於內層流道中的納米流體時產生的牽引力，進入內層流道中，從而實現去除納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分的目的。(2)本發明製備納米流體的方法，可以保證獲得所需的納米顆粒質量分數，並且能去除分散性較差的納米糰聚體，保留穩定分散的納米流體，提高納米流體的分散性。現有技術中，製備一定質量分數的納米流體，通常是採用直接在基液中添加納米顆粒的方法。此方法中，分散性較差的納米顆粒嚴重影響到納米流體的分散穩定性，即使採用了各種分散促進方法，此部分團聚的納米顆粒也不一定能穩定分散。而這部分分散性較差的納米顆粒在使用過程中成為進一步團聚的附著體，導致納米流體的分散性進一步下降。對納米流體中不同分散效果的納米顆粒進行分離，有採用自然沉降、過濾和利用離心設備方法。但是自然沉降是納米顆粒團聚體和穩定分散小顆粒的共性，放置過程中均會向下沉降，在分離過程中會失去較多的分散穩定的納米顆粒，所有納米顆粒均會向下沉降，而納米流體頂部則會出現清液層。所以利用自然沉降原理能在一定程度上分離團聚顆粒，但這樣並不能快速、有效地地分離團聚顆粒與穩定分散的納米顆粒。而過濾方法由於納米級的顆粒具有極強的吸附性，導致過濾過程容易出現堵塞而且會損失很多納米顆粒，並且過濾後納米顆粒再處理又容易出現團聚。本發明巧妙地利用離心力和篩子原理相結合的離心裝置，利用納米流體在轉動時受到離心力作用，而具有向徑向方向運動的傾向性，利用內篩板和外篩板使納米流體團聚體顆粒與穩定分散顆粒分離到不同空間中。穩定分散的納米顆粒由於顆粒之間的作用和布朗運動等原因使其具備的很強的擴散能力，而保證了能繼續停留在內層流道，從而去除掉納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分。本發明同時利用吸光度與濃度成正比的特性，通過測量其吸光度來進行稀釋，保證了用戶所需要的納米流體質量分數，並提高了用戶所得納米流體的分散性。本發明的實施不影響納米流體製備的原有分散工藝，在製備者採用各種分散方法，包括分散劑、PH值、超聲振動等配置出納米流體之後，仍然可以使用本發明的裝置和方法對納米流體進行進一步的篩選，進一步促進其納米流體的分散穩定性。相比於採用過濾法來去除納米顆粒中團聚體，再烘乾獲得優質納米顆粒原料的方法來說，本發明的優勢是方法簡單，快速、易操作、並能同時去除烘乾和再分散於基液裡的時候形成的納米糰聚體。


圖1為本發明中離心盤的俯視圖。圖2為本發明中離心盤的縱向半剖圖。圖3為本發明中內篩板的俯視圖。圖4為圖3中A部放大圖。圖5為本發明中內篩板的主視圖。圖6為圖4中B部放大圖。圖7本發明中外篩板的俯視圖。圖8為圖7中C部放大圖。圖9為本發明中外篩板的主視圖。圖10為本發明的俯視圖。圖11為本發明中內篩板和外篩板對齊布設時的結構示意圖。圖12為本發明中內篩板和外篩板錯開布設時的結構示意圖。
圖13為本發明的縱向半剖圖。圖中有:離心盤1、外層流道101、內層流道102、內篩板2、狹縫201、外篩板3、凹槽301、調速電機4、篩孔5。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的描述。如圖1至圖13所示，本發明的用於製備納米流體的離心裝置包括離心盤1、內篩板2、外篩板3和調速電機4。離心盤I呈頂端為開口的筒體。離心盤I的底面與調速電機4的動力輸出軸連接。啟動調速電機4，可以帶動離心盤I旋轉。內篩板2和外篩板3位於離心盤I的內腔中。內篩板2和外篩板3連接在離心盤I的底面上。外篩板3位於內篩板2的外側，且外篩板3的內壁面和內篩板2的外壁面相貼。內篩板2和外篩板3將離心盤I分為位於內篩板2內側的內層流道102和位於外篩板3外側的外層流道101。內篩板2和外篩板3均呈兩端開口的環形筒體，內篩板2的壁面上設有狹縫201，狹縫201為通槽。外篩板3的內壁上設有凹槽301。凹槽301的寬度等於狹縫201的寬度，且凹槽301與狹縫201相對應。內篩板2和外篩板3上設有孔徑相等和目數相同的篩孔5。作為優選，所述的篩孔5的孔徑為0.05—0.2 mm,目數為100-200。進一步，所述的外篩板3凹槽301深度為外篩板3厚度的2/3。這樣可以保證凹槽301有足夠的空間存放大於篩孔5尺寸的團聚顆粒，並保證了外篩板3的結構強度。進一步，所述的外篩板3通過過盈配合固定連接在離心盤I的底面上，內篩板2通過過盈配合連接在離心盤I底面。外篩板3是固定連接在離心盤I的底面上的，不能移動的。而內篩板2雖然也採用過盈配合連接在離心盤I底面上，但是通過外力可以轉動內篩板2。通過轉動內篩板2可以調整內篩板2的篩孔和外篩板3的篩孔是否對齊。利用上述離心裝置製備納米流體的方法，包括以下步驟:
步驟10)測定初始納米流體的吸光度:首先將納米顆粒與基液混合，攪拌均勻，製備出質量分數為K.Μ的初始納米流體，其中，K>1，M為最終獲取的納米流體的質量分數，然後利用紫外可見分光光度計，測量初始納米流體的吸光度Atl。作為優選，K值為2-20
步驟20)加入初始納米流體:將步驟10)製備的初始納米流體加入離心裝置的離心盤I的內層流道102中，然後轉動內篩板2，使得內篩板2的狹縫201與外篩板3的凹槽301分別對齊。步驟30)對初始納米流體進行篩選:啟動調速電機4，調節轉速，使位於離心盤I中的初始納米流體保持穩定轉動，初始納米流體在流動過程中，團聚形成的納米顆粒在離心力作用下，依次穿過內篩板2的篩孔和外篩板3的篩孔，匯聚於外層流道101中，穩定分散的納米顆粒流體則停留在內層流道102中；尺寸大於篩孔的納米糰聚體穿過內篩板的狹縫201，匯聚於外篩板3的凹槽301中。在步驟30)中，調速電機4的運行時間為0.5—5小時，轉速為60— 600 r/min。步驟40)封閉內層流道102和外層流道101:調節內篩板2，將內篩板2的篩孔和外篩板3的篩孔5錯位，進而封閉內層流道102和外層流道101，並將內篩板2的狹縫201與外篩板3的凹槽301錯開，進而隔開了外篩板的凹槽301和內層流道102。步驟50)測量篩選後的納米流體的吸光度:用注射器取出位於內層流道102的納米流體，作為篩選後的納米流體，然後注入容器中，並均勻混合，利用紫外可見分光光度計，測量篩選後的納米流體的吸光度4。步驟60)製備質量分數為M的納米流體:向步驟50)提取出來的位於容器中的納米流體中添加基液，對該納米流體進行稀釋，稀釋比例為:提取出來的納米流體質量:添加的基液質量=1: (K.AcZA1-1),製備出質量分數為M的納米流體。通過以上步驟獲得了經過篩選的納米流體，並且能得到使用者所需要的質量分數。本發明的方法，巧妙地利用離心力和篩子原理相結合的離心裝置，利用顆粒在轉動時受到離心力作用而具有向徑向方向運動的傾向性，利用內篩板2和外篩板3使納米流體團聚體顆粒與穩定分散顆粒分離到不同空間中。納米顆粒尺寸非常小，即使團聚成微米顆粒也屬於非常小的尺寸，難以採用常規方法分離，本發明利用納米流體具備，而其團聚體不具備的特性來進行分離。穩定分散的納米顆粒由於處於納米級尺寸，由於顆粒之間的作用(靜電力或範德華力等)、布朗運動和流動過程中的擾動等原因使其具備的很強的擴散能力(能自由出入篩孔)，而保證了能繼續停留在內層流道102中。因為穩定分散的納米流體性質已經具備了流體的性質，其擴散能力能克服其離心力，所以穩定分散的納米流體能繼續停留在內層流道102中。而團聚的納米顆粒由於其質量較大，顆粒之間的作用(靜電力或範德華力等)、布朗運動等對其影響相對較小，使得其擴散作用較弱，導致團聚的納米顆粒會在離心力作用下進入外層流道101中。這樣就去除掉納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分。本發明同時利用吸光度與濃度成正比的特性，通過測量其吸光度來進行稀釋，保證了用戶所需要的納米流體質量分數，並提高了用戶所納米流體的分散性。在本發明的離心裝置中，內篩板2與離心盤I為過盈配合，但內篩板2能在外力作用下調整其位置。通過調整內篩板2位置，使內篩板2與外篩板3對離心盤I的外層流道101和內層流道102進行連通或者封閉。也就是說，當內篩板2的狹縫201與外篩板3的凹槽301對齊，內篩板2的篩孔與外篩板3的篩孔對齊時，外層流道101和內層流道102連通。此時啟動調速電機4，進行納米流體篩選。當篩選結束後，關閉調速電機4，並調整內篩板2位置，使內篩板2的狹縫201與外篩板3的凹槽301錯開布置，且內篩板2的篩孔與外篩板3的篩孔也錯開，從而隔斷了外層流道101和內層流道102，並封閉了外篩板3的凹槽301和和內層流道102。外篩板3的凹槽301處於封閉空間，用於儲存了尺寸大於篩孔孔徑的團聚體。這樣，位於外層流道101的納米流體和凹槽301內的團聚納米顆粒，不會因為抽取位於內層流道102中的納米流體時產生的牽引力，進入內層流道102中。本發明的製備方法可保證獲得所需的納米顆粒質量分數，並且能通過基於篩子原理的離心裝置來去除掉納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分，保留穩定分散的納米流體，從而提高納米流體的分散性。
權利要求
1.一種用於製備納米流體的離心裝置，其特徵在於，該離心裝置包括離心盤(I)、內篩板(2)、外篩板(3)和調速電機(4)，離心盤(I)呈頂端為開口的筒體，離心盤(I)的底面與調速電機(4)的動力輸出軸連接，內篩板(2)和外篩板(3)位於離心盤(I)的內腔中，內篩板(2)和外篩板(3)連接在離心盤(I)的底面上，外篩板(3)位於內篩板(2)的外側，且外篩板(3 )的內壁面和內篩板(2 )的外壁面相貼；內篩板(2 )和外篩板(3 )將離心盤(I)分為位於內篩板(2)內側的內層流道(102)和位於外篩板(3)外側的外層流道(101);內篩板(2)和外篩板(3)均呈兩端開口的環形筒體，內篩板(2)的壁面上設有狹縫(201)，狹縫(201)為通槽；外篩板(3)的內壁上設有凹槽(301);凹槽(301)的寬度等於狹縫(201)的寬度，且凹槽(301)與狹縫(201)相對應；內篩板(2 )和外篩板(3 )上設有孔徑相等和目數相同的篩孔(5)。
2.按照權利要求1所述的用於製備納米流體的離心裝置，其特徵在於，所述的篩孔(5)的孔徑為0.05—0.2 mm,目數為100-200。
3.按照權利要求1所述的用於製備納米流體的離心裝置，其特徵在於，所述的外篩板(3)凹槽(301)深度為外篩板(3)厚度的2/3。
4.按照權利要求1所述的用於製備納米流體的離心裝置，其特徵在於，所述的外篩板(3)通過過盈配合固定連接在離心盤(I)的底面上，內篩板(2)通過過盈配合連接在離心盤(I)底面。
5.一種利用權利要求1所述的用於製備納米流體的離心裝置製備納米流體的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: 步驟10)測定初始 納米流體的吸光度:首先將納米顆粒與基液混合，攪拌均勻，製備出質量分數為K.Μ的初始納米流體，其中，K>1，M為最終獲取的納米流體的質量分數，然後利用紫外可見分光光度計，測量初始納米流體的吸光度A0 ； 步驟20)加入初始納米流體:將步驟10)製備的初始納米流體加入離心裝置的離心盤(O的內層流道(102)中,然後轉動內篩板(2),使得內篩板(2)的狹縫(201)與外篩板(3)的凹槽(301)分別對齊； 步驟30)對初始納米流體進行篩選:啟動調速電機(4)，調節轉速，使位於離心盤(I)中的初始納米流體保持穩定轉動，初始納米流體在流動過程中，其中的納米顆粒團聚體在離心力作用下，依次穿過內篩板(2)的篩孔和外篩板(3)的篩孔，匯聚於外層流道(101)中，穩定分散的納米顆粒流體則停留在內層流道(102)中；尺寸大於篩孔的納米顆粒團聚體穿過內篩板的狹縫(201)，匯聚於外篩板(3)的凹槽(301)中； 步驟40)封閉內層流道(102)和外層流道(101):調節內篩板(2)，將內篩板(2)的篩孔和外篩板(3)的篩孔(5)錯位，進而封閉內層流道(102)和外層流道(101)，並將內篩板(2)的狹縫(201)與外篩板(3)的凹槽(301)錯開，進而隔開了外篩板的凹槽(301)和內層流道(102)； 步驟50)測量篩選後的納米流體的吸光度:用注射器取出位於內層流道(102)的納米流體，作為篩選後的納米流體，然後注入容器中，並均勻混合，利用紫外可見分光光度計測量篩選後的納米流體的吸光度A1 ； 步驟60)製備質量分數為M的納米流體:向步驟50)提取出來的位於容器中的納米流體中添加基液，對該納米流體進行稀釋，稀釋比例為:提取出來的納米流體質量:添加的基液質量=1: (K.AcZA1-1),製備出質量分數為M的納米流體。
6.按照權利要求5所述的利用離心裝置製備納米流體的製備方法，其特徵在於，所述的步驟10)中，K值為2-20。
7.按照權利要求5所述的利用離心裝置製備納米流體的製備方法，其特徵在於，所述的步驟30)中，調·速電機(4)的運行時間為0.5—5小時，轉速為60— 600 r/min。
全文摘要
本發明公開了一種用於製備納米流體的離心裝置，包括離心盤、內篩板、外篩板和調速電機，離心盤的底面與調速電機的動力輸出軸連接，內篩板和外篩板連接在離心盤的底面上，外篩板位於內篩板的外側，且外篩板的內壁面和內篩板的外壁面相貼；內篩板和外篩板將離心盤分為位於內篩板內側的內層流道和位於外篩板外側的外層流道；內篩板的壁面上設有狹縫，狹縫為通槽；外篩板的內壁上設有凹槽；凹槽與狹縫相對應。該離心裝置通過離心力和篩子原理，去除納米顆粒中包含的分散性較差的納米糰聚體部分；同時，還公開了製備納米流體的方法，該方法可以保證獲得所需的納米顆粒質量分數，並且能提高納米流體的分散性。
文檔編號B04B5/00GK103212488SQ20131010642
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者楊柳, 杜塏 申請人:東南大學