一種石墨烯納米流體的製備方法
2023-05-28 11:18:01
一種石墨烯納米流體的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於：首先將石墨氧化，然後將氧化石墨超聲分散於分散介質中得到氧化石墨烯溶液，最後對氧化石墨烯溶液進行高速攪拌，原位機械還原氧化石墨烯形成石墨烯納米流體。不同於目前常用的石墨烯納米流體製備方法，本製備方法未加表面活性劑且未進行功能化處理石墨烯。所製備的石墨烯分散良好，所獲得的納米流體穩定性好；製備過程中不需要加還原劑，對環境無汙染；使用機械法進行製備，對設備要求低；該製備方法流程簡單，影響因素少，反應過程易控制，重現性好，可規模化生產，其製備技術極易推廣應用。
【專利說明】一種石墨烯納米流體的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米流體的製備方法，具體涉及一種以石墨為原料，利用氧化一分散一高速攪拌製備石墨烯納米流體的方法。
【背景技術】
[0002]1995年,美國Argonne國家實驗室的Choi等人提出了一薪新的概念-納米流體，即把納米粉末分散到導電係數低的分散介質(如水、醇或油)中形成懸浮液，從而提高分散介質的導熱性能。納米流體作為一種新型傳熱工質可廣泛應用於車輛、航空航天、電子等領域，滿足大功率發動機、絕熱發動機、空調裝置、超級計算機等設備的高負荷傳熱及冷卻要求。目前用於納米流體的填充物有Ag、Cu、Cu0、Al203、碳納米管等納米顆粒。雖然納米顆粒很小，顆粒的布朗運動等因素使粒子難以沉澱，但在納米顆粒的懸浮液中，由於顆粒表面的活性使它們很容易團聚在一起，形成帶有若干弱連接界面的較大團聚體。如何使納米顆粒可以均勻、穩定地分散在液體介質中，形成分散性好、穩定性高的納米流體是極其關鍵的。通常採用的方法是在製備過程中使用表面活性劑，而表面活性劑的存在會對納米流體的熱物性產生影響，且一旦表面活性劑發生老化變質，納米流體的穩定性就難以得到保證。
[0003]石墨烯是一種由碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型成蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。它的導熱係數高達5300W/m -K,高於碳納米管，因而是非常好的納米流體的填充物。但目前關於石墨烯納米流體的報導不多。由於石墨烯具有疏水性，而且常用的化學還原氧化石墨烯得到的石墨烯會發生不可逆團聚，使得石墨烯不能很好地分散於水、乙二醇等極性分散介質中。為了提高石墨烯在分散介質中的分散性，通常採用的方法是在製備納米流體過程中加入了表面活性劑或對石墨烯進行功能化處理。但這樣會引入缺陷到石墨烯中，從而降低石墨烯的導熱性，並可
[0004]能因為表面活性劑 的老化，影響石墨烯納米流體的穩定性。
【發明內容】
[0005]為了避免表面活性劑或功能化處理石墨烯造成石墨烯導熱性減弱，以及表面活性劑的老化降低石墨烯納米流體的穩定性，本發明的目的在於提出一種不用表面活性劑及功能化處理石墨烯的石墨烯納米流體的製備方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明採用了以下的技術方案:
[0007]一種石墨烯納米流體的製備方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一:對石墨原料進行氧化處理製備氧化石墨；
[0009]步驟二:將所述氧化石墨超聲分散於分散介質中，製備濃度為0.lmg/mL~IOmg/mL的氧化石墨烯溶液；
[0010]步驟三:將所述氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為15000rpm~20000rpm，溶液溫度控制為100~120°C，攪拌Ih~4h，即得到所述石墨烯納米流體。
[0011]步驟一中，所述石墨原料為純度大於等於99.5%的天然鱗片石墨。[0012]步驟一中，對所述石墨原料進行氧化處理包括如下步驟:將質量比為2:1:100~1:4:1000的石墨原料、硝酸鉀和98wt.%濃硫酸的混合物冷卻至0°C~5°C，邊攪拌邊加入與石墨的質量比為1:2~1:5的高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C~10°C，然後在30°C~50°C的油浴中攪拌20min~Ih後，再在60V~80°C的油浴中攪拌0.5h~2h，待溶液降至室溫後，把溶液到入冰中，再加入與高錳酸鉀的質量比為1:2~1:4的雙氧水，然後離心，再用濃度為5wt.%~IOwt.%的鹽酸進行洗滌，離心，冷凍乾燥即得到氧化石墨。
[0013]步驟二中所述分散介質為傳熱介質的水和乙二醇中的一種或二者的混合物。
[0014]步驟二中所述分散介質採用體積比為1:0~0:1的水和乙二醇。
[0015]步驟二中所述超聲分散時間為0.5h~4h。
[0016]本發明提出的一種石墨烯納米流體的製備方法，有益效果是:
[0017](I)機械原位還原氧化石墨烯得到的石墨烯分散良好，獲得高穩定性的納米流體。
[0018](2)不同於目前常用的石墨烯納米流體製備方法，本製備方法未加表面活性劑且未進行功能化處理石墨烯。
[0019](3)製備過程中不需要加還原劑，對環境無汙染。
[0020](4)所採用的機械法工藝流程簡單，僅需要一個高速攪拌器，對設備要求低，成本低廉，反應過程易控制，影響因素少，重現性好，可規模化生產，其製備技術極易推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1所製備的石墨烯納米流體的X射線衍射圖；
[0022]圖2為實施例1所製備的石墨烯納米流體的透射電子顯微鏡照片；
[0023]圖3為實施例1中所製備的初始石墨烯納米流體(a)和放置6個月的石墨烯納米流體(b)的照片。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
[0025]本發明一種石墨烯納米流體的製備方法,通過如下步驟實現:
[0026](I)氧化石墨:將IOg石墨原料、IOg硝酸鉀和1000mL濃硫酸的混合物冷卻至0°C，邊攪拌邊加入30g高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C，然後在35°C的油浴中攪拌0.5h後，再在70°C的油浴中攪拌2h，待溶液降至室溫後，把溶液倒入冰中，再加入IOOmL雙氧水，然後離心，再用濃度為IOwt.%的鹽酸進行洗滌，離心，冷凍乾燥即得到氧化石墨。本步驟中所用的石墨原料為粒度為1000目、純度為99.5%的天然鱗片石墨。
[0027](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)製備的氧化石墨加入到分散介質水中，超聲分散Ih,形成濃度為5mg/mL的單片層均勻分散 的氧化石墨烯溶液。
[0028](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為18000rpm，溶液溫度控制為110°C，攪拌3h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩定存在六個月以上，且其導熱係數比水的導熱係數提高48%。
[0029]本實施例所得的石墨烯納米流體的X射線衍射圖如圖1所示，石墨烯納米流體的透射電子顯微鏡照片如圖2所示，初始石墨烯納米流體(a)和放置6個月的石墨烯納米流體(b)的照片如圖3所示。[0030]實施例2
[0031]本發明一種石墨烯納米流體的製備方法，實施例2的步驟(1)同實施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0032](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)製備的氧化石墨加入到分散介質乙二醇中，超聲分散0.5h,形成濃度為0.lmg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0033](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為15000rpm，溶液溫度控制為110°C，攪拌4h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩定存在六個月以上，且其導熱係數比乙二醇的導熱係數提高9%。
[0034]實施例3
[0035]本發明一種石墨烯納米流體的製備方法，實施例3的步驟(1)同實施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0036](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)製備的氧化石墨加入到分散介質中，此處分散介質採用體積比為3:2的水和乙二醇的混合物,超聲分散4h,形成濃度為10mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0037](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為20000rpm，溶液溫度控制為100°C，攪拌2h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩定存在六個月以上，且其導熱係數比分散介質的導熱係數提高56%。
·[0038]實施例4
[0039]本發明一種石墨烯納米流體的製備方法，實施例4的步驟(1)同實施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0040](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)製備的氧化石墨加入到分散介質中，此處分散介質採用體積比為4:1的水和乙二醇的混合物,超聲分散2h,形成濃度為2mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0041](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為16000rpm，溶液溫度控制為120°C，攪拌lh，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩定存在六個月以上，且其導熱係數比分散介質的導熱係數提高21%。
[0042]實施例5
[0043]本發明一種石墨烯納米流體的製備方法，實施例5的步驟(1)同實施例1，步驟(2)至步驟(3)如下:
[0044](2)氧化石墨烯溶液:將步驟(1)製備的氧化石墨加入到分散介質中，此處分散介質採用體積比為1:1的水和乙二醇的混合物，超聲分散Ih,形成濃度為0.5mg/mL的單片層均勻分散的氧化石墨烯溶液。
[0045](3)石墨烯納米流體:將步驟(2)所得的氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為18000rpm，溶液溫度控制為120°C，攪拌4h，即得到石墨烯納米流體。此石墨烯納米流體穩定存在六個月以上，且其導熱係數比分散介質的導熱係數提高33%。
[0046]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一:對石墨原料進行氧化處理製備氧化石墨； 步驟二:將所述氧化石墨超聲分散於分散介質中，製備濃度為0.lmg/mL~10mg/mL的氧化石墨烯溶液； 步驟三:將所述氧化石墨烯溶液倒入反應容器，設置攪拌速度為15000rpm~20000rpm，溶液溫度控制為100~120°C，攪拌Ih~4h，即得到所述石墨烯納米流體。
2.根據權利要求1所述的一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於，步驟一中，所述石墨原料為純度大於等於99.5%的天然鱗片石墨。
3.根據權利要求1所述的一種石墨烯納米的製備方法，其特徵在於，步驟一中，對所述石墨原料進行氧化處理包括如下步驟:將質量比為2:1:100~1:4:1000的石墨原料、硝酸鉀和98wt.%濃硫酸的混合物冷卻至(TC~5°C，邊攪拌邊加入與石墨的質量比為1:2~1:5的高錳酸鉀，體系的溫度保持在5°C~10°C，然後在30°C~50°C的油浴中攪拌20min~Ih後，再在60°C~80°C的油浴中攪拌0.5h~2h，待溶液降至室溫後，把溶液到入冰中，再加入與高錳酸鉀的質量比 為1:2~1:4的雙氧水，然後離心，再用濃度為5wt.%~10wt.%的鹽酸進行洗滌，離心，冷凍乾燥即得到氧化石墨。
4.根據權利要求1所述的一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述分散介質為傳熱介質的水和乙二醇中的一種或二者的混合物。
5.根據權利要求4所述的一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述分散介質採用體積比為1:0~0:1的水和乙二醇。
6.根據權利要求1所述的一種石墨烯納米流體的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述超聲分散時間為0.5h~4h。
【文檔編號】B82Y30/00GK103588197SQ201310548295
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】範樂慶, 吳季懷 申請人:華僑大學