一种mxene稳定的离子液体基相变乳液及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种mxene稳定的离子液体基相变乳液及其制备方法，属于新材料领域。
背景技术：2.将相变材料引入传热流体中得到的潜热型功能热流体，可利用相变材料发生相变时储存或释放大量热量来提高传热流体的表观比热容和储能密度，从而实现强化传热。潜热型功能热流体通常分为冰浆、水合物浆体、相变微胶囊浆液和相变乳液四类。其中，相变乳液具有储能密度大、制备方法简单、成本低、乳化剂保护层热阻可忽略等优点，将其作为新型集热流体有助于提高集热流体的传热性能和储热性能。相变乳液是热力学不稳定体系，液滴有自动聚结的趋势，且在限域条件下相变乳液具有较大的过冷度，降低了其在工作温度范围内的储热能力。此外，已报道的相变乳液都是以水为连续相，限制其在中高温领域应用。因此，制备出兼具稳定性好、过冷度低、比热容高且耐高温的相变乳液仍面临巨大挑战。
3.mxene是一类新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，表面含有丰富的功能化基团(-oh，-o，-f等)，具有良好的亲水性、导热性、吸光性和乳化剂特性，近年来引起研究者的广泛关注。通过阳离子乳化剂或阳离子聚合物对mxene进行界面改性降低其界面张力，所得改性mxene可以在油-水界面定向自组装形成稳定的水包油型pickering乳液
[1,2]
。尽管mxene作为固体乳化剂制备水包油型pickering乳液已有研究，但以液态温度范围宽、热稳定性好的离子液体作为连续相构建高性能离子液体基相变乳液仍面临诸多挑战。
[0004]
参考文献
[0005]
[1]bian r,lin r,wang g,et al.3d assembly of ti3c2-mxene directed by water/oil interfaces[j].nanoscale,2018,10(8):3621-5.
[0006]
[2]self-assembly of mxene-surfactants at liquid
–
liquid interfaces:from structured liquids to 3d aerogels[j].angewandte chemie international edition,2019,58(50):18171-6.
技术实现要素：[0007]
针对以上技术的一个或多个问题，本发明的目的在于提供一种二维层状材料mxene稳定的离子液体基相变乳液及其制备方法。本发明以mxene作为固体乳化剂，离子液体作为连续相，硬脂酸相变材料作为分散相，通过设计制备一种兼具稳定性好、过冷度低、比热容大且耐高温的二维层状材料mxene稳定的离子液体基相变乳液。
[0008]
一种mxene稳定的离子液体基相变乳液的制备方法，具体为：按质量百分比，将3～30％的相变材料和0.01～0.5％的二维层状材料mxene加入余量离子液体中，加热至相变材料完全熔化，随后进行乳化，即得到mxene稳定的离子液体基相变乳液。
[0009]
上述技术方案中，相变材料、二维层状材料mxene、离子液体的质量百分比之和为
100％。
[0010]
优选地，将10～20％的相变材料和0.05％的二维层状材料mxene加入余量离子液体中。
[0011]
上述技术方案中，所述加热优选采用油浴加热的方式。
[0012]
上述技术方案中，乳化优选在细胞粉碎机中进行。
[0013]
进一步地，100～800w超声功率乳化3～20min，即得到mxene稳定的离子液体基相变乳液。
[0014]
进一步地优选，所述超声功率为300～600w，乳化时间为5～15min。
[0015]
上述技术方案中，优选所述相变材料为相变熔化温度50～90℃、相变潜热为150～260j/g的脂肪酸或脂肪烃。
[0016]
进一步地，所述相变材料优选为相变熔化温度为70℃的硬脂酸。
[0017]
进一步地，所述相变材料优选为相变熔化温度为50～90℃的脂肪烃。
[0018]
最优选地，所述相变材料为rubitherm生产的rt82或熔点为62℃的石蜡。
[0019]
上述技术方案中，优选所述二维层状材料mxene为ti3c2、ti2c、mo3c2、nb4c3、nb2c中的一种。
[0020]
上述技术方案中，优选所述离子液体1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐[bmim]bf4、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[emim][bf4]、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[hmim][bf4]、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐[hmim][ntf2]或n-丁基吡啶四氟硼酸盐[bpy][bf4]中的一种。
[0021]
本发明的另一目的是提供由上述方法制得的mxene稳定的离子液体基相变乳液。
[0022]
本发明所述mxene稳定的离子液体基相变乳液工作温度-70～300℃，相变潜热5～70j/g，熔化温度为60～90℃，凝固温度为50～90℃，过冷度小于4℃。
[0023]
本发明的有益效果为：本发明采用新颖的二维层状材料mxene作为乳化剂和成核剂，在离子液体和相变材料两相界面自组装，达到同时提高离子液体基相变乳液的稳定性并降低其过冷度的双重目的；离子液体基相变乳液在相变材料发生相变过程具有相变温度恒定、相变潜热大等优点，显著提高传热流体的比热容；离子液体液态温度范围宽、热稳定性好，拓宽离子液体基相变乳液工作温度范围；制备工艺简单，成本低廉。
附图说明
[0024]
图1是本发明实施例1制备20wt％硬脂酸/离子液体相变乳液的原子力显微镜图。
[0025]
图2是本发明实施例2制备15wt％硬脂酸/离子液体相变乳液的液滴粒径分布示意图，液滴平均粒径为507.0nm。插图为样品实物图：a为新鲜制备样品，b为室温下静置7天后样品。样品没有明显分层，说明具有良好的分散稳定性。
[0026]
图3是本发明实施例2制备15wt％硬脂酸/离子液体相变乳液的dsc曲线。其中，硬脂酸质量分数为15wt％，相变熔化焓为23.3j/g；熔化温度为69.6℃，凝固温度为67.3℃，过冷度较小(69.6-67.3＝2.3℃)。
[0027]
图4是本发明实施例2制备15wt％硬脂酸/离子液体相变乳液和离子液体的表观比热容曲线。其中，15wt％硬脂酸/离子液体相变乳液的最高表观比热容为6.36j/(g
·
k)，是离子液体的最高表观比热容的4.24倍。
具体实施方式
[0028]
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0029]
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0030]
实施例1
[0031]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和20wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为20wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为31.4j/g，液滴平均粒径为529.1nm。
[0032]
实施例2
[0033]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声10min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，液滴平均粒径为507.0nm，且静置7天后样品没有明显分层，具有良好分散稳定性；15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液的熔化温度为69.6℃，凝固温度为67.3℃，过冷度较小(69.6-67.3＝2.3℃)；熔化焓为23.3j/g，最高表观比热容为6.36j/(g
·
k)是离子液体的最高表观比热容的4.24倍。
[0034]
实施例3
[0035]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.03wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声10min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为17.5j/g，液滴平均粒径为711.2nm。
[0036]
实施例4
[0037]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.07wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声10min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为21.9j/g，液滴平均粒径为482.3nm。
[0038]
实施例5
[0039]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以300w超声功率超声10min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为22.0j/g，液滴平均粒径为580.2nm。
[0040]
实施例6
[0041]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以500w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为22.4j/g，液滴平均粒径为493.8nm。
[0042]
实施例7
[0043]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为20.9j/g，液滴平均粒径为532.1nm。
[0044]
实施例8
[0045]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声15min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为22.7j/g，液滴平均粒径为487.7nm。
[0046]
实施例9
[0047]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和15wt％，余量为离子液体，在85℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为15wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为22.3j/g，液滴平均粒径为498.5nm。
[0048]
实施例10
[0049]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和5wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为5wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为7.3j/g，液滴平均粒径为433.0nm。
[0050]
实施例11
[0051]
将ti3c2相mxene和熔化温度为70.0℃的硬脂酸加入[bmim]bf4离子液体中，其中ti3c2和硬脂酸质量分数分别为0.05wt％和10wt％，余量为离子液体，在90℃条件下加热至硬脂酸完全熔化，采用细胞粉碎机以400w超声功率超声5min，制得硬脂酸含量为10wt％的硬脂酸/离子液体相变乳液，其熔化焓为13.2j/g，液滴平均粒径为449.4nm。
[0052]
以上实施例对本发明的产品及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本发明的主要步骤及实施方式进行了阐述，上述实施例只是帮助理解本发明的方法及核心原理。对于本领域的技术人员，依据本发明的核心原理，在具体实施中会对各条件和参数根据需要而变动，综上所述，本说明书不应理解为对本发明的限制。
技术特征：1.一种mxene稳定的离子液体基相变乳液的制备方法，其特征在于，按质量百分比，将3～30％的相变材料和0.01～0.5％的二维层状材料mxene加入余量离子液体中，加热至相变材料完全熔化，随后进行乳化，即得到mxene稳定的离子液体基相变乳液。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相变材料为相变熔化温度50～90℃、相变潜热为150～260j/g的脂肪酸或脂肪烃。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相变材料为相变熔化温度为70℃的硬脂酸。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相变材料为相变熔化温度为50～90℃的脂肪烃。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相变材料为rubitherm生产的rt82或熔点为62℃的石蜡。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维层状材料mxene为ti3c2、ti2c、mo3c2、nb4c3、nb2c中的一种。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子液体1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐[bmim]bf4、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[emim][bf4]、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[hmim][bf4]、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰)亚胺盐[hmim][ntf2]或n-丁基吡啶四氟硼酸盐[bpy][bf4]中的一种。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以100～800w超声功率乳化3～20min，即得到mxene稳定的离子液体基相变乳液。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述超声功率为300～600w，乳化时间为5～15min。10.权利要求1～9任一项所述方法制得的mxene稳定的离子液体基相变乳液，其特征在于，所述mxene稳定的离子液体基相变乳液的工作温度为-70～300℃，相变潜热为5～70j/g，熔化温度为60～90℃，凝固温度为50～90℃，过冷度小于4℃。
技术总结本发明涉及一种MXene稳定的离子液体基相变乳液及其制备方法，属于新材料领域。一种MXene稳定的离子液体基相变乳液的制备方法，按质量百分比，将3～30％的相变材料和0.01～0.5％的二维层状材料MXene加入余量离子液体中，加热至相变材料完全熔化，随后进行乳化，即得到MXene稳定的离子液体基相变乳液。本发明采用MXene作为乳化剂和成核剂，在离子液体和相变材料两相界面自组装，达到同时提高离子液体基相变乳液的稳定性并降低其过冷度的双重目的；离子液体基相变乳液在相变材料发生相变过程具有相变温度恒定、相变潜热大等优点，显著提高传热流体的比热容；离子液体液态温度范围宽、热稳定性好，拓宽离子液体基相变乳液工作温度范围。作温度范围。
技术研发人员：李长平 王方娴 江杰云 郭娟璇
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：2022.06.29
技术公布日：2022/11/1
