SiO_(2)纳米流体对油基钻井液性能影响试验研究

油基钻井液因具有抗高温、抗盐钙侵、润滑性好、利于井壁稳定而在钻井中应用广泛,研究了在油基钻井液中加入不同质量分数(0.5%~2%)SiO_(2)纳米流体对其黏度、流变性能、滤失性、摩阻性等性能的影响。结果表明,在油基钻井液中加入纳米颗粒对钻井液的性能有明显影响,即使纳米流体质量分数较低,油基钻井液的物理化学参数也会明显改善,表明纳米颗粒的应用可成为改进油基钻井液性能的研究方向。

Al_(2)O_(3)/SiO_(2)混合纳米流体微量润滑铣削润滑性能评价

由于不同纳米粒子组成的混合纳米流体比单一纳米粒子切削液具有更好的热物理性能,研究了纯Al_(2)O_(3)、纯SiO_(2)和不同质量比混合纳米流体微量润滑(minimum quantity lubrication,MQL)铣削45号钢的切削性能。试验结果表明,混合纳米流体比纯SiO_(2)铣削力降低,接触角减小,工件微观形貌好。不同配比的混合纳米粒子展现出了不同的润滑效果。当Al_(2)O_(3)的配比小于SiO_(2)时,Al_(2)O_(3)纳米粒子未完全包覆住SiO_(2),润滑效果较差。随着Al_(2)O_(3)比例增加,切削力和接触角都显著减小,工件表面质量提高。当Al_(2)O_(3)和SiO_(2)的质量比为3∶1时,得到的铣削力、表面粗糙度和接触角最小,工件表面质量最好。由此可见,Al_(2)O_(3)的含量影响了混合纳米流体的润滑效果。

纳米SiO_(2)流体的性能及其渗吸驱油效果评价

在分析储层岩石物性及地层水离子成分的基础上,通过实验评价了0.5%纳米SiO_(2)、0.5%纳米SiO_(2)+0.3%十二烷基硫酸钠表面活性剂、地层水的流变性、界面张力和接触角等参数,进而考察这3种不同组分流体的渗吸驱油效果。结果表明:实验所用纳米SiO_(2)流体中纳米颗粒的粒径介于10~100 nm,其中介于25~60 nm的占比最高,达75%以上,粒径均值约40 nm。这种纳米SO_(2)流体具有胀塑性流体特征,其与原油的界面张力为12.05 mN/m,约为地层水与原油界面张力的30%,能够将亲油性的岩心改变为弱亲水性,接触角从126°减小为86°;这种纳米SiO_(2)流体的渗吸驱油效率约为44.67%,比地层水的渗吸驱油效率提高了13.59%。纳米SiO_(2)颗粒和加入十二烷基硫酸钠可不同程度降低流体与原油的界面张力,改变岩石孔喉表面的润湿性,促进岩心中的油水置换,最终提高渗吸采收率。

SiO_(2)纳米流体的制备及在太阳能集热管中的应用研究

纳米流体具有较高的导热系数,采用纳米流体替代传统传热工质是提高太阳能集热器传热性能重要方法。为量化分析纳米流体对太阳能集热器性能影响特性,该研究采用“两步法”实验制备了不同质量分数下的SiO_(2)-水纳米流体,并测定纳米流体的导热系数。同时,建立SiO_(2)-水纳米流体太阳能集热管数学模型,对比分析纳米流体对太阳能集热器流动特性影响机理。结果表明,质量分数对纳米流体导热系数有重要影响,而且添加纳米流体后集热管内工质流动速度明显提高,管内流体速度平均升高14%。本研究为纳米流体应用于太阳能行业提供一定科学依据。

纳米SiO_(2)复合粒子/有机硅低聚物透明超疏水复合涂层的制备及其性能

将Stöber法制备的胶体SiO_(2)粒子溶液与粉体SiO_(2)粒子进行物理共混得到SiO_(2)复合粒子溶液,以三乙氧基甲基硅烷(MTES)与正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体制备的酸性有机硅低聚物为黏结剂,使用3-氨丙基三甲氧基硅(KH540)与全氟癸基三甲基氧硅(PFDT)对其进行改性,通过喷涂法在玻璃基底上制备出SiO_(2)复合粒子/酸性有机硅低聚物复合透明超疏水涂层。考察了SiO_(2)复合粒子、酸性有机硅低聚物、KH540及PFDT对复合涂层的影响。结果表明,当SiO_(2)复合粒子溶液由粒径为110 nm的胶体SiO_(2)粒子溶液与粒径为50 nm的粉体SiO_(2)粒子(其用量为胶体SiO_(2)粒子溶液质量的1%)组成、SiO_(2)复合粒子溶液与酸性有机硅稀释液质量比为4∶1、KH540与PFDT的添加量(以混合液总质量计,下同)均为1%时,制备的复合涂层在可见光波长范围内透光率可达88%,静态接触角达155°,在800目砂纸上磨损60 cm后仍能保持超疏水性能,具有良好的自清洁性。

基于SiO_(2)纳米颗粒的无标记化学发光氯霉素适体传感器

经由食物链长期摄入氯霉素残留物会给人体带来各种危害和疾病。因此,建立快速、准确且高灵敏的食品中氯霉素检测方法具有重要意义。采用溶胶-凝胶法制备了表面氨基化的SiO_(2)纳米颗粒,并用X射线衍射、透射电镜和红外光谱对其进行了表征。然后,利用酰胺键和碱基互补配对作用在SiO_(2)纳米颗粒表面依次组装互补DNA链和氯霉素适配体,成功构建了无标记化学发光氯霉素适配体传感器。该传感器制备简便,其中的氯霉素适配体既可作为生物识别元件,又可与苯甲酰甲醛反应产生化学发光信号,无需标记信号分子。该传感器的氯霉素检出限为3.26×10^(-9) mol·L^(-1),且选择性较好。将该传感器应用于实际样品中进行加标,回收率在94.67%~103.00%之间,表明该适体传感器可用于食品中氯霉素的检测。

纳米SiO_(2)改性界面剂对混凝土黏结性能的影响

混凝土结构修补加固后的工作性能取决于新旧混凝土的界面黏结性能,增强新旧混凝土黏结强度的有效途径之一是使用界面剂。通过新旧混凝土界面的斜剪试验、劈裂抗拉试验和界面过渡区SEM形貌分析,对比研究了纳米SiO_(2)溶液、纳米SiO_(2)砂浆、砂浆、丁苯乳胶、环氧树脂5种类型界面剂以及凿毛处理的界面黏结效果,分析了纳米SiO_(2)溶液、纳米SiO_(2)砂浆作为界面剂提升界面黏结性能的机理。试验结果表明:3.75%纳米SiO_(2)砂浆界面剂对新旧混凝土界面的修补效果最好,其界面过渡区的水化反应更充分,生成的网状C-S-H凝胶使得整体结构更加紧密,28 d的斜剪强度和劈裂抗拉强度最高,分别为27.3 MPa和6.3 MPa,其斜剪强度甚至比最优粗糙度(6 mm)26.5 MPa要高。

两亲SiO_(2)纳米颗粒的制备和界面扩张流变行为研究

制备了一种两亲SiO_(2)纳米颗粒,借助红外光谱及接触角测量证实了相关基团在SiO_(2)纳米颗粒表面的成功接枝,探究了其界面活性和界面扩张流变行为。通过动态界面张力测量及小幅正弦振荡实验发现,两亲SiO_(2)纳米颗粒相比亲水和疏水SiO_(2)纳米颗粒能够更稳定地吸附在界面形成一层吸附膜,降低界面张力,同时由于其扩散交换速度较慢,界面扩张模量大于亲水和疏水SiO_(2)纳米颗粒。进一步的大幅线性压缩实验发现两亲SiO_(2)纳米颗粒在表面比为0.35时其界面吸附量会发生激增,扩张模量迅速增大,其形成的界面膜具有抵抗较大程度形变的能力。

硅油/SiO_(2)纳米胶囊改性MC尼龙复合材料的性能

以二甲基硅油为芯材、二氧化硅(SiO_(2))为壁材,利用模板法及溶胶凝胶法,在水包油(O/W)乳液体系中,制备了规则球形的壳为SiO_(2)、囊芯为硅油的硅油/SiO_(2)纳米胶囊。并且,将纳米胶囊添加到MC尼龙中,制备MC尼龙/纳米胶囊复合材料。利用FTIR、SEM及TEM对纳米胶囊进行结构表征,利用DSC、TG、SEM、电子万能试验机、数字冲击试验机及DIN磨耗测试对复合材料的性能进行测试,实验结果表明,加入纳米胶囊后,材料的稳定性能得到改善,与纯样品相比,材料的热分解温度较高。当硅油/SiO_(2)纳米胶囊的添加量为0.2%时,复合材料的拉伸强度提高了24.11%;当硅油/SiO_(2)纳米胶囊的添加量为0.3%时,其磨损性能及冲击强度表现最佳,磨耗量降低了29.5%,冲击强度提高了49.82%。

纳米SiO_(2)改性粉煤灰混凝土力学性能及吸水特性研究

为了探索粉煤灰混凝土的高性能,开展了纳米SiO_(2)改性粉煤灰混凝土的力学和吸水试验,研究了粉煤灰取代率和纳米SiO_(2)掺量对混凝土力学性能(抗压强度、劈拉强度、动弹性模量)和吸水特性的影响。结果表明:粉煤灰混凝土的力学性能指标均随纳米SiO_(2)掺量的增加先增大后减小;当纳米SiO_(2)掺量从0%增加至2%时,粉煤灰混凝土28 d抗压强度、劈拉强度和动弹性模量分别提高了12.90%、7.53%和5.85%,可见纳米SiO_(2)对抗压强度影响更显著;当粉煤灰取代率从10%增加至30%时,混凝土28 d抗压强度、劈拉强度和动弹性模量分别降低了7.24%、2.61%和9.87%,可见粉煤灰对动弹性模量影响更显著;随纳米SiO_(2)掺量增加,粉煤灰混凝土的毛细吸水系数呈现出先下降后上升的趋势;随粉煤灰取代率增加,混凝土毛细吸水系数增大,且纳米SiO_(2)对混凝土毛细吸水系数影响也越显著;粉煤灰取代率和纳米SiO_(2)掺量对混凝土力学性能与毛细吸水系数之间的相关性无显著影响,混凝土抗压强度、劈拉强度以及动弹性模量与毛细吸水系数均呈现负相关性,其中抗压强度与毛细吸水系数相关性最好。

纳米SiO_(2)增强高强套筒灌浆料及高温后性能试验研究

研究了常温下不同纳米SiO_(2)(NS)掺量(0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%)对高强套筒灌浆料流动度和强度的影响,以及不同高温温度(150、200、250℃)下NS掺量对高强套筒灌浆料质量损失和强度的影响,并进行了微观机理分析。结果表明:常温下,NS的掺入降低了灌浆料的流动度,灌浆料的强度随NS掺量的增加先增大后降低;高温后,灌浆料的质量损失率随温度的升高逐渐增大,抗折强度逐渐降低,抗压强度先增大后降低;NS的掺入能够降低灌浆料的质量损失率和抗折强度损失率,提高抗压强度,且随着NS掺量的增加,质量损失率和抗折强度损失率先降低后增大;NS能够改善灌浆料的内部孔结构;随着温度的升高,灌浆料的内部结构先密实后疏松。

植酸/聚间苯二胺修饰纳米SiO_(2)制备水性环氧复合涂层及其防腐性能

以溶胶凝胶法制备了γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性SiO_(2)(f-SiO_(2));将间苯二胺(mPD)原位聚合制备的聚间苯二胺(PmPD)共价接枝在f-SiO_(2)表面,制得(PmPD-SiO_(2));最后,通过分子间作用力将植酸(PA)与PmPD-SiO_(2)结合制得PA/PmPD-SiO_(2)复合材料,用于制备水性环氧复合涂层。采用红外光谱、热失重分析和X射线光电子能谱表征了产物结构,通过扫描电镜、电化学和盐雾试验对涂层的防腐性能进行分析。结果表明,当添加质量分数为0.5%的PA/PmPD-SiO_(2)时,涂层附着力0级、铅笔硬度3H、耐冲击45 kg·cm,缓蚀效率为97.2%,耐腐蚀性最佳;腐蚀电流密度较纯水性环氧树脂(WEP)涂层缩小了36倍,低频阻抗模量较纯WEP涂层提升了2个数量级。

醋酸纤维素水性高分子/SiO_(2)纳米复合皮革涂饰剂的制备

以A50为亲水剂,通过转换反应位点和反应官能团,调节分子链软硬段比例,引入纳米SiO_(2)提升乳液涂膜综合性能,制备WSCDA/SiO_(2)纳米复合乳液。结果表明,亲水剂A50用量为10.8%(质量分数),复合乳液及涂膜性能最优。最优条件下合成的复合乳液的平均粒径为109.5nm,粒径分布均匀,涂膜表面致密光滑,柔韧性、附着力、耐水性、耐黄变性、机械性能和热稳定性良好。WSCDA/SiO_(2)纳米复合乳液成膜时,在涂膜表面形成许多小“乳突”,产生荷叶效应,提高涂膜耐水、耐介质及耐黄变等性能。

纳米SiO_(2)/MUG复合改性剂的制备及其改性材性能研究

为进一步提升三聚氰胺-尿素-葡萄糖(MUG)生物质树脂改性木材尺寸稳定性,采用单一或复合硅源[纳米SiO_(2)、KH550(K5)、KH560(K6)单一或复配后]与MUG生物质树脂复合,制得K5/MUG、K6/MUG、Si/MUG、Si/K5/MUG、Si/K6/MUG 5种有机-无机复合改性剂,分别浸渍处理人工林杨木,考察不同改性剂对杨木密度、吸水性、尺寸稳定性和力学强度等性能的影响,优选出性能最佳的复合改性剂,利用SEM和FTIR分析改性剂的分布及与木材组分的反应情况,探明复合硅协同效应及复合体系之间的相互作用机制。结果表明,5种复合改性剂均具有良好渗透性,改性材的吸药量均>200%、增重率均>44%,吸水性均比素材显著降低;其中,以5%质量分数的KH550、1%质量分数的纳米SiO_(2)和30%质量分数的MUG复合改性杨木的径向、弦向和体积湿胀率最低,分别为1.14%、2.13%和3.20%;增容率最小(8.1%);抗胀缩率最高(77.5%);顺纹抗压强度最高(130.9 MPa),较素材提高了92.03%。纳米SiO_(2)经KH550接枝改性后,能更均匀分散于MUG树脂中,并被树脂包覆固化于木材内,有机-无机协同效应使复合体系的交联程度提高,无机Si元素的刚性增加了木材机械支撑强度。因此,硅烷偶联剂改性纳米SiO_(2)能进一步提升MUG改性材的尺寸稳定性和力学强度等性能。

包载型聚丙烯腈/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维制备及其隔热性能

针对传统气凝胶纤维后处理操作复杂、加工不稳定等问题,且为有效集成纳米气凝胶与纳米纤维功能和结构优势,本文围绕新型气凝胶复合纳米纤维成形与结构调控的关键难题,利用溶液喷射同轴纺丝技术将聚丙烯腈(PAN)与SiO_(2)气凝胶通过一步法制备PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维,研究了复合纳米纤维中SiO_(2)气凝胶质量浓度对纤维形态结构、稳定性、孔径分布、隔热性能的影响。结果表明:所制备的PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维形态结构上呈三维卷曲状,SiO_(2)气凝胶的引入使纤维表面形成多孔褶皱型结构,且纤维表面的微孔、介孔含量随SiO_(2)气凝胶质量浓度的增加逐渐增多;该气凝胶复合纳米纤维具有优异的隔热性能,当SiO_(2)气凝胶质量浓度为6 mg/mL时,PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维在40℃的导热系数低至0.03738 W/(m·K),未来在服用保暖、工业隔热、军用热红外屏蔽等方面具有广阔的应用前景。

纳米SiO_(2)强化再生混凝土力学性能的试验研究

为了提升再生骨料的性能品质,采用不同质量分数的纳米SiO_(2)和强化时间对再生骨料浸渍强化。强化前后再生骨料分别制备再生混凝土,进行单轴受压试验,借助刚性辅助架增加加载系统刚度,成功采集到再生混凝土受压应力应变曲线下降段。对试验曲线进行无量纲化处理,理论分析不同形式应力应变曲线方程式的几何特征,通过理论方程与试验曲线的拟合对比,优选适合于再生混凝土单轴受压本构关系的函数模型。通过强化前后骨料性能变化得出:纳米SiO_(2)质量分数为2%、强化48h时再生骨料性能改善效果最佳。分析试验应力应变曲线可知,曲线上升段重合度高,下降段因再生骨料取代率的不同有一定离散性,纳米SiO_(2)可使水胶比为0.5的再生混凝土峰值应力提高13.1%~24.0%,弹性模量平均提高44.5%;水胶比为0.35试验组提高幅度因再生骨料取代率的不同差异性较大。得出过镇海提出的分段函数满足典型曲线的全部几何特征,并且与试验曲线的拟合度较高,拟合得到函数参数,进而得到本构关系方程式。

纳米SiO_(2)活化磷渣水泥胶凝材料性能研究

大量磷渣堆积严重污染了环境,将其应用于混凝土材料中可实现固废利用,但是磷渣的引入会严重降低水泥强度,因而将纳米SiO_(2)引入到磷渣混凝土中可以实现大掺量应用磷渣资源,实现节能减排。研究中发现,磷渣掺量10%、20%和30%,随着磷渣掺量增加,对水泥砂浆的早期强度影响较大,强度显著降低;纳米SiO_(2)颗粒按照水泥用量的0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%掺加,当掺量不超过4.0%的条件下,磷渣水泥的标准稠度用水量和凝结时间不断减少,并且强度得到了一定的改善,但是当掺量达到8.0%时,磷渣水泥的标准稠度用水量和凝结时间反而增加,对应强度也有所降低。因而,通过纳米SiO_(2)颗粒的合理引入,可以有效改善磷渣胶凝材料的活性,提高固废资源消纳,有助于环保和资源化社会发展。

MIL-101-OH纳米流体混基质膜的制备及其CO_(2)分离性能

随着温室效应导致的全球变暖和海平面上升等环境问题日益严峻,碳捕集利用与封存(CCUS)就显得尤为重要.金属有机框架(MOF)混合基质膜(MMMs)因具有分离效果好、渗透性高的特点而广受关注,但仍存在和聚合物基质相容性差等问题,降低了其潜在的应用价值.本研究采用共价键连接的方式,以MIL-101-OH为主体,以偶联剂KH560为连接层,以聚醚胺M2070为冠状层制备出MIL-101-OH无溶剂纳米流体(MIL-101-OH-M2070),并与Pebax1657制备混合基质膜,研究其CO_(2)分离性能.结果表明,MIL-101-OH和聚醚胺M2070间共价键的连接方式既解决了MOF界面相容性差的问题,同时也提高了聚醚胺机械性能、热稳定性.此外,MIL-101-OH-M2070凭借MIL-101-OH的优良孔隙率和M2070的CO_(2)亲和性,大幅提高了混合基质膜中CO_(2)的扩散系数和溶解系数.相较于Pebax1657纯膜,MIL-101-OH-M2070 MMMs的CO_(2)渗透系数可以达到Pebax1657纯膜的215%,且选择性基本不变.

纳米SiO_(2)表面改性稳定非水相泡沫的实验研究

非水相泡沫在石油开采、功能材料、日用化工等领域有着广泛的应用,非水相泡沫的研究进展影响着相关行业的发展。然而,由于其自身的界面张力和介电常数较低,致使发泡难度较大。为解决非水相体系发泡困难的问题,文章通过制备纳米SiO_(2)颗粒,经TEM,FT-IR及XRD对颗粒进行表征,采用3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)对纳米SiO_(2)颗粒润湿性进行调控,研究纳米SiO_(2)颗粒对非水相溶剂发泡性能的影响。结果表明:经GPTMS改性后,颗粒的接触角范围扩大至34.7°~116°之间;且能有效降低不同溶剂的表面张力并增加溶剂体系的黏度;当颗粒质量分数为7%,粒径为10 nm时,非水相产生的泡沫体积随纳米SiO_(2)颗粒接触角的增大呈现先增后减的趋势,泡沫稳定性随纳米SiO_(2)颗粒接触角的增大呈现先增强后减弱的趋势。在甲酰胺体系中,当颗粒接触角为92.3°时,泡沫体积最高可达到12 mL,泡沫稳定时长可达63 d;在乙酸苄酯体系中,当颗粒接触角为79.5°时,泡沫体积最高可达到7 mL,泡沫稳定时长可达47 d;在癸烷体系中,当颗粒接触角为60.3°时,泡沫体积最高可达到4 mL,泡沫稳定时长可达8 d。

纳米SiO_(2)颗粒稳定非水相泡沫的排液行为研究

非水相泡沫在石油化工、食品化工、日用化工和生物医药等行业有着广泛的应用,但非水相溶剂本身的低表面张力和低介电常数决定了其难以形成稳定的泡沫,而纳米Si O_(2)颗粒在发泡及稳泡领域的独特优势正得到越来越多的关注。本文通过二氯二甲基硅烷(DCDMS)对14 nm的Si O_(2)颗粒进行表面润湿性改性,研究纳米Si O_(2)颗粒润湿性对非水相泡沫排液行为的影响。研究发现:随纳米Si O_(2)颗粒表面润湿性的增大,在非水相溶剂中形成的泡沫体积呈现先增大后减小的趋势;非水相溶剂极性的增强,其发泡性能呈现逐渐增强的趋势,但在非极性溶剂中不能形成有效的泡沫。所形成的非水相泡沫排液过程分为排液初期、中期、末期三个阶段,随纳米Si O_(2)颗粒表面润湿性的增大,泡沫消泡半衰期呈现先增大后减小的趋势;强极性溶剂泡沫排液半衰期可达45 min,中等极性溶剂泡沫排液半衰期可达60 min,且在光学显微镜下观察到随排液时间的增加,泡沫粒径逐渐增大,形状逐渐趋于多边形。