專利名稱：氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學，具體說就是一種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料 及其制備方法。
背景技術(shù)：
納米流體材料最先應用于強化傳熱領(lǐng)域，可作為一種均勻、穩(wěn)定、高導熱的新型換 熱介質(zhì)。隨著納米流體材料性能研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)該材料可廣泛應用于微納米加 工制造、生物醫(yī)學、熱電傳導、智能催化與吸收等領(lǐng)域。其組成部分主要包括具有納米尺度 結(jié)構(gòu)的功能材料介質(zhì)和具備某些特殊力學、物理化學性質(zhì)的液體。近年來，隨著納米尺度材 料加工技術(shù)，特別是納米孔材料加工技術(shù)的發(fā)展，納米流體材料同樣可應用于能量的吸收 和耗散領(lǐng)域。喬宇等人理論分析和實驗研究了水分子在表面疏水的沸石和碳顆粒介孔材料孔 道中的運動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了迫使水分子進入上述兩類疏水性材料納米孔道中，外界所需提供 的最小壓強主要取決于固——液界面張力值、孔道直徑和液體流動速度等因素，成功制備 了基于介孔二氧化硅的流體功能材料，研究發(fā)現(xiàn)該類流體功能材料將外界輸入的機械能轉(zhuǎn) 化為材料固——液界面能，能量轉(zhuǎn)化效率約為ioj/g，比傳統(tǒng)形狀記憶合金、高分子聚合物 等耗能材料大很多。不管是介孔二氧化硅流體功能材料還是碳納米管基納米流體耗能材 料，其耗能原理都是液體在微納米孔道中的受限運動。在這方面，Jeetain Mittal等人采 用分子動力學方法，研究了非極性介質(zhì)界面處水分子密度的靜態(tài)和動態(tài)變化。研究表明，大 尺寸、非極性強的介質(zhì)表面水分子的密度是不斷變化的，并受固——液毛細波變化的影響， 此結(jié)論在性質(zhì)上符合自由氣——液界面的相關(guān)理論。Dujardin等人實驗驗證了表面張力小于130-170mN/m的液體常壓下都能自動浸 潤碳納米管并自動進入碳納米管孔道中。而Mriolo等人采用蒙特卡羅分子模擬法研究了 單壁碳納米管在M8-M8K溫度范圍內(nèi)吸收水分子的能力，研究結(jié)果卻表明水分子不能自 動進入碳納米管內(nèi)，除非外界壓強達到一個閥值。通過國外學者的理論分析和實驗研究可知，流體在納米尺度范圍內(nèi)的運動規(guī)律還 沒有徹底研究清楚，仍存在許多問題。同時，水分子在常壓下是否能自動進入碳納米管中的 研究仍然沒有一個明確的定論。目前國內(nèi)外還沒有對流體在表面非極性處理過的碳納米管 內(nèi)運動規(guī)律的研究和應用，也沒有碳納米管耗能納米流體材料的研究和應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料及其制備 方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的所述的氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料， 它是由在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管和極 性高表面張力的液體組成的，長度為300-500nm的多壁碳納米管在管內(nèi)外壁，特別是管口
3分別接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團。所述的接枝不同鏈長的含氟三甲氧基硅 烷官能團的多壁碳納米管配套使用極性高表面張力液體，所選極性高表面張力液體必須與 處理后的多壁碳納米管不能相互浸潤，采用測量極性高表面張力液體在處理后的多壁碳納 米管表面的接觸角和滾動角的方法，水或乙二醇或丙三醇與在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈 長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管粉末組成氟硅烷系列碳納米管基納米流 體耗能材料。所述的氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料的制備方法，步驟如下步驟一將外徑小于8nm，純度大于95%的多壁碳納米管與濃度為68%的濃硝酸 按Ig IOOmL的比例混合，常溫下磁力攪拌lOmin，將混合液倒入圓底燒瓶120°C油浴加熱 回流Mh，回流完畢后將溶液稀釋并真空過濾，反復沖洗過濾直至碳納米管PH值為中性后 50°C真空干燥24h ；步驟二將濃硝酸氧化處理的多壁碳納米管置入圓底燒瓶，將甲苯與碳納米管按 Ig 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪拌溶液混合均勻后將三氟丙基三甲氧基硅烷、十二氟 庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷或十七 氟癸基三甲氧基硅烷溶液與甲苯按ImL IOmL的比例加入，然后加入0.5mL濃鹽酸，并用 玻璃塞封住瓶口常溫混合lOmin，將混合均勻的溶液90°C油浴加熱回流Mh，回流完畢后將 溶液真空過濾，并用甲苯和蒸餾水反復沖洗過濾，最后將材料100°C真空干燥Mh。本發(fā)明氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料及其制備方法，本發(fā)明提出的這 種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料耗能能量密度大，材料成本低，制備過程較為 簡單，易于批量生產(chǎn)，并具有電毛細效應和磁效應發(fā)展?jié)摿Φ葍?yōu)點，可成為一種性能優(yōu)良的 智能型耗能材料。


圖1為本發(fā)明的接枝十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷碳納米管基納米流體耗能曲 線.線；圖2為本發(fā)明的五種接枝氟硅烷碳納米管基納米流體耗能曲線對比圖；圖3為本發(fā)明的接枝十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷碳納米管基納米流體XPS圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1 本發(fā)明氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料，它是由在管口、管內(nèi) 外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管和極性高表面張力的液 體組成的，長度為300-500nm的多壁碳納米管在管內(nèi)外壁，特別是管口分別接枝不同鏈長 的含氟三甲氧基氟硅烷官能團。所述的接枝不同鏈長的含氟三甲氧基硅烷官能團的多壁碳 納米管配套使用極性高表面張力液體，所選極性高表面張力液體必須與處理后的多壁碳納 米管不能相互浸潤，采用測量極性高表面張力液體在處理后的多壁碳納米管表面的接觸角 和滾動角的方法，水或乙二醇或丙三醇與在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基 氟硅烷官能團的多壁碳納米管粉末組成氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料。所述的氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料的制備方法，步驟如下
步驟一將外徑小于8nm，純度大于95%的多壁碳納米管與濃度為68%的濃硝酸 按Ig IOOmL的比例混合，常溫下磁力攪拌lOmin，將混合液倒入圓底燒瓶120°C油浴加熱 回流Mh，回流完畢后將溶液稀釋并真空過濾，反復沖洗過濾直至碳納米管PH值為中性后 50°C真空干燥24h ；步驟二將濃硝酸氧化處理的多壁碳納米管置入圓底燒瓶，將甲苯與碳納米管按 Ig 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪拌溶液混合均勻后將三氟丙基三甲氧基硅烷、十二氟 庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷或十七 氟癸基三甲氧基硅烷溶液與甲苯按ImL IOmL的比例加入，然后加入0.5mL濃鹽酸，并用 玻璃塞封住瓶口常溫混合lOmin，將混合均勻的溶液90°C油浴加熱回流Mh，回流完畢后將 溶液真空過濾，并用甲苯和蒸餾水反復沖洗過濾，最后將材料100°C真空干燥Mh。實施例2 結(jié)合圖1，本發(fā)明氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料是由表面接 枝氟硅烷官能團的多壁碳納米管與極性高表面張力液體(水或丙三醇)組成。目前國內(nèi)許 多碳納米管生產(chǎn)廠家提供的氧化活化過的碳納米管一般羧基和羥基的含量不高，沒有達到 飽和值，影響氟硅烷官能團的接枝率。為了制備性能穩(wěn)定的納米流體材料，碳納米管的長度 應盡量小，因此本發(fā)明選用純度為95%的多壁碳納米管進行氧化切斷處理。碳納米管表面 處理方法為將外徑小于8nm的多壁碳納米管與濃度為68%的濃硝酸按Ig IOOmL的比 例混合，常溫下磁力攪拌lOmin。將混合液倒入圓底燒瓶120°C油浴加熱回流Mh?；亓魍?畢后將溶液加入大量蒸餾水稀釋后真空過濾，反復沖洗過濾直至碳管PH值為中性，50°C真 空干燥Mh。將甲苯與氧化處理過的多壁碳納米管按Ig 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪 拌溶液混合均勻后將十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷溶液按與甲苯按ImL IOmL的比例快 速加入，然后加入0. 5ml濃鹽酸溶液提高氟硅烷的表面接枝率，并用玻璃塞封住瓶口常溫 混合lOmin。將混合均勻的溶液90°C油浴加熱回流Mh?；亓魍戤吅笕芤赫婵者^濾，并用甲 苯反復沖洗過濾最后將材料100°C真空干燥Mh。組成耗能納米流體的極性高表面張力液體必須滿足與處理后的多壁碳納米管不 能相互浸潤的條件，本發(fā)明采用測量固——液表面接觸角和滾動角的方法來尋找合適的液 體。經(jīng)試驗證明水、乙二醇、丙三醇等多種極性高表面張力液體均可與接枝十三氟辛基丙基 三甲氧基硅烷官能團的多壁碳納米管粉末形成大于90°的接觸角，固液不能相互浸潤，可 組成納米流體耗能材料。將表面處理過的多壁碳納米管與水或丙三醇的混合液體倒入液壓缸內(nèi)，采用 Instron4505萬能材料試驗機將活塞壓入缸內(nèi)。為了盡量避免活塞與液壓缸的摩擦力影響， 試驗機加載采用位移控制方法，加載速度為lmm/min，加載條件可視為擬靜力加載。當缸內(nèi) 壓強達到試驗所需最高壓強時，將試驗機以lmm/min的速度卸載，完成一次加卸載實驗。對 于碳納米管加水組成的納米流體，材料加載前碳納米管由于孔道內(nèi)含有空氣，碳納米管全 部漂浮在水面上，可采取高壓摩擦碳納米管的方法將碳納米管外表面官能團除去，則可得 到穩(wěn)定碳納米管懸浮液。對于碳納米管加丙三醇組成的納米流體，由于丙三醇黏度較大，將 碳納米管加入后劇烈攪拌，可使碳納米管均勻分散于丙三醇中。從圖1中可以看出，該納米流體材料在低壓強作用下，流體無法進入碳納米管道 中，曲線初始階段為液體的壓縮。當缸內(nèi)壓強分別達到0. 和2. 4MPa時，丙三醇分子和 水分子開始進入某些毛細力較弱的碳納米管道中。隨著壓強的進一步升高，液體分子逐步進入毛細力較強的碳納米管道中，形成類似鋼材的塑性變形。當缸內(nèi)壓強分別達到4. IMPa 和7. 9MPa時，所有碳納米管都被液體分子占據(jù)，曲線又變?yōu)橐后w的壓縮過程。當缸內(nèi)壓強 達到ISMPa時開始卸載，此時曲線按液體的卸載方式進行，其中部分液體分子從碳納米孔 中流出。加卸載曲線形成了一個類似矩形的包絡面積，求解該面積的就得到該納米流體材 料耗散的能量約為0. 8J/g和4J/g。實施例3 結(jié)合圖2，本發(fā)明研究了接枝不同鏈長的氟硅烷官能團對碳納米管基納 米流體材料耗能能力的影響。碳納米管表面處理方法為將外徑小于8nm的多壁碳納米管 與濃度為68%的濃硝酸按Ig IOOmL的比例混合，常溫下磁力攪拌lOmin。將混合液倒入 圓底燒瓶120°C油浴加熱回流Mh。回流完畢后將溶液加入大量蒸餾水稀釋后真空過濾，反 復沖洗過濾直至碳管PH值為中性，50°C真空干燥Mh。將甲苯與氧化處理過的多壁碳納米 管按Ig 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪拌溶液混合均勻后將三氟丙基三甲氧基硅烷、 十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷 或十七氟癸基三甲氧基硅烷溶液按與甲苯按ImL IOmL的比例快速加入，然后加入0.5ml 濃鹽酸溶液提高氟硅烷的表面接枝率，并用玻璃塞封住瓶口常溫混合lOmin。將混合均勻的 溶液90°C油浴加熱回流Mh?；亓魍戤吅笕芤赫婵者^濾，并用甲苯反復沖洗過濾最后將材 料100°C真空干燥Mh。組成耗能納米流體的極性高表面張力液體選為蒸餾水，與表面接枝 氟硅烷的碳納米管都形成大于90°的接觸角，固液不能相互浸潤。將表面處理過的氟硅烷系列多壁碳納米管與水的混合液體倒入液壓缸內(nèi)，采用 Instron4505萬能材料試驗機將活塞壓入缸內(nèi)。為了盡量避免活塞與液壓缸的摩擦力影響， 試驗機加載采用位移控制方法，加載速度為lmm/min，加載條件可視為擬靜力加載。當缸內(nèi) 壓強達到試驗所需最高壓強時，將試驗機以lmm/min的速度卸載，完成一次加卸載實驗。從圖2中可以看出，接枝三氟丙基三甲氧基硅烷官能團的碳納米管液體開始進入 管內(nèi)的壓強為1. IMPa，材料耗能為lj/g。隨著接枝的氟硅烷官能團鏈長的增加，液體開始 進入管內(nèi)的壓強和材料耗能能力均單調(diào)遞增。當接枝的氟硅烷鏈長達到十二氟庚基丙基三 甲氧基硅烷鏈長時，液體開始進入管內(nèi)的壓強和材料耗能能力均達到最大值，約為2. 6MPa 和4. 2J/g。若接枝的氟硅烷鏈長繼續(xù)增加，則壓強和材料耗能能力均單調(diào)遞減，例如接枝 十七氟癸基三甲氧基硅官能團時，液體開始進入管內(nèi)的壓強和材料耗能能力分別減少到 0. 98MPa和0. 9J/g。由此可知，對應于外徑小于8nm，平均內(nèi)徑為4nm的多壁碳納米管，表面 改性采用的氟硅烷官能團存在一個最優(yōu)的鏈長值，使得該管徑下的碳納米管取得最大的耗 能能力。實施例4 結(jié)合圖3，本發(fā)明采用X射線光電子能譜分析(XPS)的方法，定性定量的 研究了碳納米管壁接枝的氟硅烷官能團的性質(zhì)。由于選用的氟硅烷偶聯(lián)劑每個分子鏈上只 含有一個硅原子，因此研究改性后的碳納米管硅元素的含量可以得到碳納米管表面氟硅烷 偶聯(lián)劑的接枝率。從圖3中可以看出，沒有經(jīng)過表面處理的碳納米管XPS檢測不到硅元素， 而經(jīng)過十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷表面改性的碳納米管XPS檢測到明顯的硅峰，硅元素 含量高達2. 12%，說明該氟硅烷和碳納米管表面羥基和羧基形成了穩(wěn)定的化學鍵，達到了 表面改性的效果。實施例5 本發(fā)明氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料是由表面接枝三氟丙
基三甲氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷或十七氟癸基三甲氧基硅烷等官能團的多壁碳納米管與極性高表面張力 液體組成。目前國內(nèi)許多碳納米管生產(chǎn)廠家已能提供氧化活化過的碳納米管，但由于一般氧 化程度不高，導致碳納米管表面的羧基和羥基的含量不能達到飽和值，影響氟硅烷官能團 的接枝率；同時碳納米管較長，影響其在流體中形成穩(wěn)定的懸浮液。因此本發(fā)明選用純度 為95%的多壁碳納米管首先進行酸化氧化處理。碳納米管表面處理方法為將外徑小于 8nm的多壁碳納米管與濃度為68%的濃硝酸按Ig IOOmL的比例混合，常溫下磁力攪拌 IOmin0將混合液倒入圓底燒瓶120°C油浴加熱回流Mh?；亓魍戤吅髮⑷芤杭尤氪罅空麴s 水稀釋后真空過濾，反復沖洗過濾直至碳管PH值為中性，50°C真空干燥Mh。將甲苯與氧化 處理過的多壁碳納米管按Ig 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪拌溶液混合均勻后將三氟 丙基三甲氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基 丙基三甲氧基硅烷或十七氟癸基三甲氧基硅烷溶液按與甲苯按ImL IOmL的比例快速加 入，然后加入0. 5ml濃鹽酸溶液提高氟硅烷的表面接枝率，并用玻璃塞封住瓶口常溫混合 IOmin0將混合均勻的溶液90°C油浴加熱回流Mh?；亓魍戤吅笕芤赫婵者^濾，并用甲苯反 復沖洗過濾，最后將材料100°C真空干燥Mh。組成納米流體耗能材料的極性高表面張力液體必須滿足與處理后的多壁碳納米 管不能相互浸潤的條件，本發(fā)明采用測量固——液表面接觸角和滾動角的方法來尋找合適 的液體。經(jīng)試驗證明水、乙二醇、丙三醇等多種極性高表面張力液體均可與接枝不同鏈長氟 硅烷官能團的多壁碳納米管粉末形成大于90°的接觸角，固液不能相互浸潤，可組成納米 流體耗能材料。為了驗證該納米流體的耗能能力，本發(fā)明將表面處理過的多壁碳納米管Ig與IOg 極性高表面張力液體混合后放入液壓罐中進行加卸載試驗，加卸載實驗采用^stron 4505 萬能材料試驗機進行。試驗證明利用本發(fā)明制備的納米流體材料在一次加卸載后形成較 大的滯回面積。例如流體在外界壓強達到浸潤壓強閥值時克服固——液毛細力進入碳納米 管內(nèi)，形成類似于鋼材的塑性變形，卸載后部分液體流出，完成能量的一次耗散。
權(quán)利要求
1.一種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料，它是由在管口、管內(nèi)外壁接枝不同 鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管和極性高表面張力的液體組成的，其特 征在于長度為300-500nm的多壁碳納米管在管內(nèi)外壁，特別是管口分別接枝不同鏈長的 含氟三甲氧基氟硅烷官能團。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料，其特征在 于所述的接枝不同鏈長的含氟三甲氧基硅烷官能團的多壁碳納米管配套使用極性高表面 張力液體，所選極性高表面張力液體必須與處理后的多壁碳納米管不能相互浸潤，采用測 量極性高表面張力液體在處理后的多壁碳納米管表面的接觸角和滾動角的方法，水或乙二 醇或丙三醇與在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米 管粉末組成氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料。
3.—種如權(quán)利要求1所述的氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料的制備方法，其 特征在于步驟如下步驟一將外徑小于8nm，純度大于95%的多壁碳納米管與濃度為68%的濃硝酸按 1g 1OOmL的比例混合，常溫下磁力攪拌lOmin，將混合液倒入圓底燒瓶120°C油浴加熱 回流Mh，回流完畢后將溶液稀釋并真空過濾，反復沖洗過濾直至碳納米管PH值為中性后 50°C真空干燥Mh ；步驟二 將濃硝酸氧化處理的多壁碳納米管置入圓底燒瓶，將甲苯與碳納米管按 1g 20mL的比例加入燒瓶內(nèi)，常溫攪拌溶液混合均勻后將三氟丙基三甲氧基硅烷、十二氟 庚基丙基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基丙基三甲氧基硅烷或十七 氟癸基三甲氧基硅烷溶液與甲苯按ImL IOmL的比例加入，然后加入0.5mL濃鹽酸，并用 玻璃塞封住瓶口常溫混合lOmin，將混合均勻的溶液90°C油浴加熱回流Mh，回流完畢后將 溶液真空過濾，并用甲苯和蒸餾水反復沖洗過濾，最后將材料100°C真空干燥Mh。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料及其制備方法。所述的氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料，它是由在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管和極性高表面張力的液體組成的，采用測量極性高表面張力液體在處理后的多壁碳納米管表面的接觸角和滾動角的方法，水或乙二醇或丙三醇與在管口、管內(nèi)外壁接枝不同鏈長的含氟三甲氧基氟硅烷官能團的多壁碳納米管粉末組成氟硅烷系列碳納米管基納米流體耗能材料。本發(fā)明耗能材料耗能能量密度大，材料成本低，制備過程較為簡單，易于批量生產(chǎn)，并具有電毛細效應和磁效應發(fā)展?jié)摿Φ葍?yōu)點，可成為一種性能優(yōu)良的智能型耗能材料。
文檔編號C09C3/12GK102146222SQ20111002299
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者徐翔, 李惠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學