一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法與裝置，所述方法包括將改性后的納米粉體與基液混合形成納米添加液，將該納米添加液霧化成微米、亞微米級霧滴，然后以基液作為初始母液噴灑接觸上述霧滴并將霧滴帶入母液后形成新母液，新母液作為被霧化掉的納米添加液的補充液，最終制備出納米流體。所述裝置由霧化部分和液體循環(huán)部分組成，霧化部分將納米添加液霧化成微米或亞微米級霧滴，液體循環(huán)部分中的液體循環(huán)泵將儲液器中的母液泵到儲液器頂端，霧滴與噴淋下來的母液液膜充分混合，一并回流至儲液器母液中，霧化容器中的添加液通過下部連通管道由儲液器中的母液補充。本發(fā)明提高了納米粉體的分散效率和制備出的納米流體的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米流體制備過程中將納米顆粒均勻分散到基液中的方法與裝置。
【背景技術】
[0002]納米流體具有顯著的強化流體傳熱傳質效果和獨特的輻射吸收特性等，使其在能源、化工、汽車、建筑、微電子等領域具有巨大的潛在應用前景。
[0003]納米流體的制備方法根據(jù)納米粒子加入基液的方式不同，可分為“一步法”
和“兩步法”?！耙徊椒ā睂⒓{米顆粒的化學制備與納米流體的制備有機結合在一起，避免粉體的干燥、煅燒及儲運等過程，既可以減少硬團聚的形成，又能降低納米流體的制備成本，得到的納米流體穩(wěn)定性好。但是，“一步法”方法復雜，對儀器要求高。兩步法是先制備出的納米粉體(干粉)，然后再通過適當?shù)氖侄畏稚⒌揭后w介質中。兩步法制備工藝相對簡單、易操作，易制備高固相量的納米流體，且成本低。通常“二步法”制備過程中采用加入分散劑、改變流體體系PH值、納米粉體表面改性處理、超聲振動，以及在一定溫度下攪拌等措施實現(xiàn)納米顆粒在水、水溶液、醇或油中的分散，但由于納米粉體其巨大的比表面積及表面活性，在納米粉體的制備、存儲、運輸?shù)冗^程，顆粒易形成團聚體，發(fā)生團聚、沉淀，從而降低了納米流體的穩(wěn)定性，使其向普通流體退化，大大削弱了納米流體強化傳熱傳質和輻射吸收等效果。由此可見，對于“二步法”配制納米流體而言，解決納米顆粒在基液中的均勻分散問題，包括金屬、金屬氧化物、石墨、碳納米管等納米顆粒在潤滑油、導熱油等非極性分子的液體介質中的分散，對制備出穩(wěn)定性好的納米流體至關重要。

【發(fā)明內容】

[0004]技術問題:目前配制納米流體采用的兩步法，通常首先將納米粉體表面改性，一次性添加或分若干次添加將其分散于基液中。添加過程中一般控制流體在一定溫度下，采用攪拌器長時間不斷攪拌以完成分散。這種方法效率低，分散效果差，且容易再次團聚。本發(fā)明提出了 一種將表面改性后納米粉體分散到基液中的方法和裝置，采用霧化措施，將要配比的一定質量的納米粉體以每次添加微少質量的方式，每次添加都可以把含有高濃度納米顆粒的混合物與基液一起霧化成微米或亞微米尺度的小顆粒，通過裝置的不斷循環(huán)，使得基液連續(xù)不斷地與添加的納米顆粒均勻混合，形成一定質量或體積配比的納米流體，達到很好的分散效果和穩(wěn)定性。
[0005]技術方案:
一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，包括以下步驟:
步驟一，將納米粉體表面改性，再將該納米粉體與基液混合形成納米添加液；
步驟二,將所述納米添加液霧化成微米、亞微米級霧滴；
步驟三，將母液噴灑接觸上述霧滴，母液接觸霧滴后形成新母液；
所述的步驟三中的初始母液為基液，新母液作為被霧化的納米添加液的補充液，循環(huán)進行步驟二和步驟三，直至形成所需納米顆粒濃度的母液，即納米流體。
[0006]具體地，以油類基液的納米流體為例，首先將納米粉體加入去離子水中，置于超聲波發(fā)生器中，利用超聲振動作用使納米粉體在去離子水中分散，超聲振動后的溶液置于恒溫水浴，在70°C的溫度下加入適當?shù)谋砻婊钚詣?，攪拌一定時間后，去離子水完全蒸發(fā)，則得到表面改性后的納米粉體。將改性后的納米粉體與基液混合攪拌一定時間，形成高濃度的納米粉體與基液的混合添加液。將納米添加液霧化成微米、亞微米級霧滴，母液經噴淋頭噴出，接觸霧滴并將其一并帶入母液中，形成一定質量或體積份數(shù)的納米流體。上述過程不斷循環(huán)進行，以微分添加的方式使得母液的納米顆粒的質量或體積份數(shù)不斷增加，最終得到所需要的質量或體積份數(shù)的均勻分散的納米流體。
[0007]進一步地，所述母液作為納米添加液的補充液與納米添加液一并被霧化。納米顆粒每次以微米、亞微米級霧滴的形式不斷循環(huán)添加到母液中。
[0008]進一步地，所述的基液包括水、水溶液、醇、油。所述的霧化采用噴嘴加壓霧化或者
超聲霧化。
[0009]一種制備納米流體的微分添加霧化分散裝置，所述裝置由霧化部分和液體循環(huán)部分組成；所述霧化部分包括霧化容器以及霧化部件，所述的用于霧化納米添加液的霧化部件位于霧化容器內部，霧化容器上方和下方分別設有霧滴出口和液體進口 ；所述液體循環(huán)部分包括儲液器、液體循環(huán)管道、噴淋頭、篩孔板，所述儲液器在靠近上端和下端位置通過連通管道分別與霧化容器上的霧滴出口和液體進口連通，儲液器上設置有將儲液器中的母液泵到儲液器頂端的液體循環(huán)管道，在該管道末端、儲液器內部上方安裝有噴淋頭，在該噴淋頭下方設置有篩孔板。霧化部件將納米粉體與基液混合而成的添加液霧化成微米或亞微米級霧滴，霧滴通過上端連通管路進入儲液器，液體循環(huán)泵將儲液器中的母液泵到儲液器頂端，經噴淋頭噴在篩孔板上，霧滴與噴淋下來的母液液膜充分混合，一并回流至儲液器母液中，霧化容器中的添加液通過下端連通管道由儲液器中的母液補充，該連通管道中間設有連通閥門。
[0010]具體地，所述的霧化部件采用噴嘴加壓霧化裝置或者超聲霧化裝置。
[0011]所述噴嘴加壓霧化裝置由霧化噴嘴、霧化擋板、導氣管、活塞泵、噴嘴外側夾套層、隔離板組成，所述霧化噴嘴內側呈梯形圓柱面，內部形成截面積逐漸縮小的導氣通道，該導氣通道與外部導氣管一端連接，導氣管另一端與活塞泵連接，導氣通道外側設有雙層夾套，噴嘴導氣通道、內層夾套、外層夾套三者之間依次形成兩個液體引流通道，所述霧化擋板位于霧化噴嘴上方，所述隔離板兩端分別與霧化容器內壁和噴嘴內層夾套緊密連接，將噴嘴外側的霧化容器空間分隔成上下兩部分，空氣通過活塞泵被壓縮，經導氣管進入噴嘴內側通道并在噴嘴出口處高速噴出，遇到霧化噴嘴上方的擋板形成負壓，霧化容器隔離板上方一定量的納米添加液與隔離板下方的一定量的母液被分別吸入噴嘴的兩個引流通道中，避免了被引入噴嘴的流體中添加液比例難以控制，而影響納米流體制備效率的問題，被吸入噴嘴頂端的液體在負壓和高速氣流的撞擊下一起被霧化成微米或亞微米級顆粒。
[0012]所述超聲霧化裝置包括超聲霧化片組、超聲發(fā)生電路、風機，所述超聲霧化片組位于霧化容器內，該霧化片組內部封裝有換能器(鎳或鈦高頻壓電片)并連接超聲發(fā)生電路，在霧化容器壁上正對上方連通管道高度處設置有風口，風口處安裝風機。接通超聲發(fā)生電路后，通過霧化片組內部換能器的高頻諧振，將添加液的分子結構打散產生微米或亞微米級霧滴，再通過風機的強制對流作用把霧滴從吹向連通管路，進入儲液器中，從而實現(xiàn)微分添加過程，最終得到所需要的體積份數(shù)的均勻分散納米流體。
[0013]所述的微分添加霧化分散裝置中的霧化容器與儲液器可以做成一個分列式可拆卸的整體裝置。
[0014]有益效果:
1.在母液中添加表面改性后納米粉體，采用每次添加微少質量的方式，每次添加量與母液一起被霧化成微米、亞微米級液滴進行混合，通過裝置的不斷循環(huán)，形成一定質量或體積配比的納米流體，這種微分添加方式比一次性或分幾次添加納米顆粒具有更好的分散效果，防止納米顆粒的團聚，減少了顆粒表面能。
[0015]2.采用霧化措施，納米粉體與基液被霧化后的顆粒只有微米、亞微米級，有效增大了改性后的納米粉體與基液的接觸面積，提高了分散效率和穩(wěn)定性。
[0016]3.裝置可做成分列式可拆卸的一個整體，若采用透明容器整個分散過程具有可視性，適用小型實驗系統(tǒng)中納米流體的制備，采用承壓性能好的鋼材則也可用于工業(yè)中大量的納米流體制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是采用氣力式噴嘴加壓霧化方式的一種納米流體微分添加霧化分散裝置的示意圖，圖中所示:1-霧化容器；2-霧化噴嘴；3_容器蓋；4_霧化擋板；5_導氣管；6_活塞泵；7 (a)_噴嘴內層夾套；7 (a)_噴嘴外層夾套；8_隔離板；9_儲液器；10-液體循環(huán)泵；11-噴淋頭；12-篩孔板；13-過濾器；14-排氣閥；15_管路閥門；16_管路閥門；17_排液閥門；18-連通閥門；19-連通管路。
[0018]圖2是篩孔板截面圖，20-孔板；21_篩孔。
[0019]圖3是采用超聲霧化方式的一種納米流體微分添加霧化分散裝置的示意圖，圖中:22-霧化容器；23_超聲霧化片組；24_超聲發(fā)生電路；25_風機。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]實施例一
本實施例為采用噴嘴加壓霧化方式的一種納米流體微分添加霧化分散的裝置及方法。
[0022]該霧化分散裝置主要由霧化部分和液體循環(huán)部分組成。
[0023]如圖1所示，所述霧化部分由霧化容器(1)，霧化噴嘴(2)，容器蓋(3)、霧化擋板
(4)、導氣管(5)、活塞泵(6)、噴嘴內層夾套(7a)和外層夾套(7b)、隔離板(8)組成。霧化擋板(4)與容器蓋(3)可加工成一整體。霧化噴嘴內側呈梯形圓柱面，內部形成導氣通道，并穿過霧化容器底部與外部風管(5 ) 一端連接，風管(5 )另一端與活塞泵(6 )連接。噴嘴內側導氣通道與噴嘴內層夾套(7a)、外層夾套(7b)依次形成兩個互不相通的液體引流通道。隔離板(8)與霧化容器內壁和噴嘴內層夾套(7a)緊密連接，將噴嘴外側的霧化容器空間分隔成上下兩部分。
[0024]所述液體循環(huán)部分主要包括:儲液器(9)、液體循環(huán)泵(10)、噴淋頭(11)、篩孔板(12)、過濾器(13)、排氣閥(14)、管路閥門(15)、(16)和排液閥門(17)。液體循環(huán)裝置上方采用了噴淋措施，噴淋頭下方以20°左右的傾斜角設置多級篩孔板(12)，如圖2所示，孔板
(20)上若干毫米級孔篩(21)以等邊三角形方式均勻布置，增大了循環(huán)液體與霧化顆粒的接觸面積。
[0025]所述霧化容器(I)和儲液器(9)在靠近底端和上端位置分別由管道連通，下端連通管道中間設有連通閥門(18 )。
[0026]制備納米流體的霧化分散過程具體如下:
步驟1、首先將納米粉體表面改性。對于不同的納米顆粒和基液，選擇適合的分散劑以相對應的改性方法進行納米顆粒表面的改性。如果采用油類為基液，則先將納米粉體加入去離子水中，利用超聲振動作用使納米粉體在去離子水中分散，超聲振動后的溶液置于恒溫水浴，在70°C的溫度下加入適當?shù)谋砻婊钚詣?，如油酸等，攪拌一定時間后，去離子水完全蒸發(fā)，從而獲得表面改性后的納米粉體。
[0027]步驟2、再將改性后的納米粉體加入少量的基液油，在90°C的溫度下，攪拌一定時間，形成高濃度的納米粉體與基液油的混合物，作為添加液，倒入圖1所示霧化容器(I)中隔離板(8)的上方，同時基液作為分散初始的母液倒入儲液器(9)中，打開二者之間的連通閥門，則隔離板(8)下方空間也充滿母液。開啟活塞泵(6)和液體循環(huán)泵(10)，以及相應的管道閥門(15)、(16)、(18)和排氣閥(14)。
[0028]步驟3、空氣通過活塞泵(6)被壓縮，經導氣管(5)進入噴嘴內側通道并在噴嘴出口處高速噴出，遇到噴嘴上方擋板(4)形成負壓，霧化容器隔離板(8)上方一定量的納米添加液，與隔離板下方的一定量的母液分別通過兩個引流通道被吸入噴嘴頂端，在負壓和高速氣流的撞擊下被霧化成微米或亞微米級顆粒，從而使得納米顆粒與基液油充分混合，均勻分散，進入儲液器(9)上方空間。
[0029]步驟4、儲液器(9)中母液被泵到頂端，經噴淋頭(11)噴在多級篩孔板(12)，夾帶霧滴的氣流碰撞篩孔板，空氣通過篩孔排出，霧滴則與噴淋下來的母液液膜充分混合，一并回流添加進儲液器母液中，形成一定質量或體積份數(shù)的納米流體?？諝鈴呐艢忾y(14)排出容器前經過過濾器(13)，進一步將攜帶的少量母液過濾出來。
[0030]步驟5、上述步驟3和步驟4的霧化與分散過程同時不斷循環(huán)進行，以微分添加的方式使得儲液器(9)中母液的納米顆粒的質量或體積份數(shù)不斷增加，當該霧化分散和微分循環(huán)添加過程進行到一定時間以后，最終得到所需要的質量或體積份數(shù)的均勻分散納米流體。關閉循環(huán)泵和空氣活塞泵，打開排液閥(17)排出納米流體。
[0031]實施例二
本實施例為采用超聲霧化的一種納米流體微分添加霧化分散的裝置及方法。
[0032]該裝置與的液體循環(huán)部件組成與圖1所示的完全一致，不同的只是霧化部件，主要包括:超聲霧化容器(22)、超聲霧化片組(23)，超聲發(fā)生電路(24)、風機(25)。霧化容器
(22)與液體循環(huán)部件的儲液器(9)連通，連通管(19)下方某高度的霧化容器壁上固定設置超聲霧化片組(23)，使容器中納米添加液剛好浸沒霧化片組，其內部封裝有換能器(鎳或鈦高頻壓電片)，并連接超聲發(fā)生電路(24)。正對連通管(19)高度附近的容器壁設置風口
(26)，風口一端安裝風機(25)。
[0033]霧化分散工作過程如下:
步驟la、將納米粉體表面改性。同實施例一中步驟I ;步驟2a、改性后的納米添加液，倒入超聲霧化容器(22)，添加液面高度略微高出超聲霧化片組(23)，母液放入儲液器(9)，二者液面高度保持一致。打開相應閥門(14)、(15)、
(16)和(18)，并接通超聲發(fā)生電路(24)、循環(huán)泵(10)、風機(25)。
[0034]步驟3a、接通超聲發(fā)生電路后，通過霧化片內部換能器的高頻諧振，將液態(tài)的納米添加液的分子結構打散，而產生微米或亞微米級霧滴，再通過風機的強制對流作用把霧滴從吹向連通管路(19)，進入儲液器(9)中。霧化減少的添加液通過連通閥(18)自動由儲液器中的母液補充，即儲液器(9)和霧化容器(22)的液面高度始終保持一致，從而使超聲霧化片組(23)始終處于添加液面下方，不斷進行霧化，并防止霧化片損壞。
[0035]步驟4a、同上述步驟4。
[0036]步驟5a、同上述步驟5。
[0037]該霧化裝置結構簡單，易小型化。
[0038]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，其特征在于，包括: 步驟一，將納米粉體表面改性，再將該納米粉體與基液混合形成納米添加液； 步驟二,將所述納米添加液霧化成微米、亞微米級霧滴； 步驟三，將母液噴灑接觸上述霧滴，初始母液為基液，母液接觸霧滴后形成新母液； 所述的步驟三中的新母液作為被霧化的納米添加液的補充液，循環(huán)進行步驟二和步驟三，直至形成所需納米顆粒濃度的母液，即納米流體。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，其特征在于，母液作為納米添加液的補充液與納米添加液一并被霧化。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，其特征在于，納米顆粒每次以微米、亞微米級霧滴的形式不斷循環(huán)添加到母液中。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，其特征在于，所述的基液包括水、水溶液、醇、油。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種制備納米流體的微分添加霧化分散方法，其特征在于，所述霧化采用噴嘴加壓霧化或者超聲霧化。
6.一種制備納米流體的微分添加霧化分散裝置，其特征在于: 所述裝置由霧化部分和液體循環(huán)部分組成；所述霧化部分包括霧化容器(I)以及霧化部件，所述的霧化部件位于霧化容器(I)內部，霧化容器(I)上方和下方分別設有霧滴出口和液體進口 ；所述液體循環(huán)部分包括儲液器(9)、液體循環(huán)管道、噴淋頭(11)、篩孔板(12)，所述儲液器(9)在靠近上端和下端位置通過連通管道分別與霧化容器(I)上的霧滴出口和液體進口連通，儲液器(9)上設置有將儲液器中的母液泵到儲液器頂端的液體循環(huán)管道，在該管道末端、儲液器內部上方安裝有噴淋頭(11)，在該噴淋頭(11)下方設置有篩孔板(12)。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種制備納米流體的微分添加霧化分散裝置，其特征在于，所述的霧化部件采用噴嘴加壓霧化裝置或者超聲霧化裝置； 所述噴嘴加壓霧化裝置由霧化噴嘴(2)、霧化擋板(4)、導氣管(5)、活塞泵(6)、噴嘴外側夾套層(7)、隔離板(8)組成，所述霧化噴嘴(2)內側的導氣通道呈梯形圓柱面，該導氣通道與外部導氣管(5)—端連接，導氣管(5)另一端與活塞泵(6)連接，噴嘴導氣通道外側設有雙層夾套，噴嘴導氣通道、內層夾套(7a)、外層夾套(7b)三者之間依次形成兩個液體引流通道，所述隔離板(8)兩端分別與霧化容器內壁和噴嘴內層夾套(7a)緊密連接，所述霧化擋板(4)位于霧化噴嘴(2)上方； 所述超聲霧化裝置包括超聲霧化片組(23)、超聲發(fā)生電路(24)、風機(25)，所述超聲霧化片組(23)位于霧化容器內，該霧化片組(23)內部封裝有換能器(鎳或鈦高頻壓電片)并連接超聲發(fā)生電路(24)，在霧化容器壁上、正對上方連通管道(19)高度處設置有風口(26)，風口處安裝風機(25)。
【文檔編號】B01F3/12GK103623720SQ201310698938
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權日:2013年12月19日
【發(fā)明者】徐國英, 李凌志, 周曉鋒, 張小松, 孫岳明 申請人:東南大學