000纳米流体悬浮稳定性影响因素_彭小飞

1、第 41 卷第 4 期浙 江 大 学 学 报(工学版)Vol . 41 No . 42007 年 4 月Jo urnal of Zhejiang U niversity ( Engineering Science)Apr . 2007纳米流体悬浮稳定性影响因素彭小飞1 ,俞小莉1 ,夏立峰2 ,钟勋1(1 . 浙江大学动力机械及车辆工程研究所 ,浙江杭州 310027 ;2. 浙江银轮机械股份有限公司 ,浙江天台 317200)摘要 : 为了获取具有良好悬浮稳定性的纳米流体配方 ,采用“两步法”制备了若干种纳米流体 ,从纳米粒子种类、粒径、密度、质量分数、基础液体性质、分散剂、pH 值和超声振

2、动等方面 ,考察了纳米流体系统中粒子的沉降状态 ,并结合颗粒的受力情况 ,分析了纳米流体悬浮稳定机理. 结果表明 ,上述诸因素对纳米流体的悬浮稳定性都有不同程度的影响 ,其中又以分散剂、粒子质量分数、基液黏度和 p H 值的影响较大. 并为试验范围内的 CuO DW 、Al2 O322222DW 、Cu DW 、Al DW 等 4种纳米流体提供了具有最佳悬浮稳定性的配方.关键词 : 纳米流体;制备 ;悬浮稳定性;黏度中图分类号 : TB32文献标识码 : A文章编号: 1008 973X(2007) 04 0577 04Influence factors on suspension stabi

3、lity of nanofluids222P EN G Xiao fei1 , YU Xiao li1, XIA Li feng2 , ZHON G Xun1(.Pow e r M achi ne ry& V ehicul a rEn gi nee ri n g I nstit ute , Zhe j i an g U ni ve rsit y , H an gz hou 310027,Chi na;12 .Zhe j i an g Yi nl un M achi ne ryCo , L t d , T i ant ai 317200 , Chi na)22Abstract : To o bt

4、ain a nanofluids fo rmulatio n of goo d suspensio n stabilit y , several samples were p repared by t he“t wo step s”met ho d. Observatio n test s were carried o ut to investigate t he effect s of t he particle va2 riet y , dimensio n , densit y , co ncent ratio n , base liquid , disper sant , p H va

5、lue and ult raso nic vibratio n t he suspensio n stabilit y of nanofluids. The suspensio n mechanics were analyzed based o n t he nanoparticle st ress sit uatio ns. The test result s showed t hat t he mo st impo rtant facto rs affecting t he suspensio n are t he nanoparticle co ncent ratio n , dispe

6、r sant , visco sit y of base liquid and p H value . The best suspensio n stabilit y fo rmulatio ns of CuO2DW , Al2 O3 2DW , Cu2DW and Al2DW in t he test s were given o ut .Key words : nanofluids ; p reparatio n ; suspensio n stabilit y ; visco sit y纳米流体( nanofluids , N Fs) 具有独特的传热特性 ,可显著提高液体热导率 ,增强热

7、交换系统的传热性能;而且尺寸极为微小 ,不会发生磨损和管道堵塞现象 ,因此有着广泛的应用前景 ,近年来引起了学术界和工程应用界的极大关注 123 . 但是由于纳米粒子比表面积大 ,表面能高 ,容易团聚 ,而且固体颗粒密度比基液大 ,又容易引起沉降 ,获得悬浮稳定性好的 N Fs 成为科学研究和工程应用的前提 ,很有必要系统地研究 N Fs 的稳定性影响因素.王补宣等人 4 研究了粒子质量分数、粒径、基液质量分数对 CuO 、SiO2 悬浮液稳定性的影响 ,饶坚等人 5 则分析了 p H 值对 N Fs 稳定性的影响. 结果显示它们都是影响 N Fs 稳定性的重要因素 ,但目前还没有对其影响进行

8、全面的分析 ,也没有定量地给出获得最佳稳定效果时影响因素的取值.本文从纳米颗粒、基液、分散剂性质和超声振动等方面探讨了影响 N Fs 分散稳定性的因素 ,分析了悬浮稳定机理 , 系统地研究影响 N Fs 稳定性的因素 ,并给出了几种以水为基液的 N Fs 具备最佳分散效果的因素取值 , 以此作为制备悬浮稳定性好的222收稿日期: 2006 01 09 .浙江大学学报(工学版) 网址: www . journals. zju . edu . cn/ eng作者简介: 彭小飞(1979- ) ,男 ,湖北荆门人 ,博士生 ,主要从事车辆热管理的研究. E mail : dannilson 163

9、. com通讯联系人:2俞小莉 ,女 ,教授. E mail : yuxl zju. edu . cn578浙江 大 学 学 报(工学版)第 41 卷N Fs 的参考依据.1 悬浮液稳定理论基础 627 1. 1颗粒静力学平衡纳米颗粒在液体中的受力有范德华力、静电斥力、布朗力、沉降力、搅动力等. 由表 1 可见 ,颗粒粒径在 0 . 1 m 左右时 ,范德华力和静电斥力的影响图 1 纳米流体制备流程最大 ,是决定悬浮液稳定与否的关键.Fig. 1 Preparing p rocess of nanofluids表 1颗粒间作用力与颗粒粒径的关系散剂 ,加热共混 ,并辅以超声振动来制备纳米流体.

10、Tab. 1Fo rces due to particle dimensio ns基液及 N Fs 的黏度采用 NDJ 1 旋转黏度计进颗粒粒 范德华 静电斥布朗沉降搅动行测量.径/m力/ N力/ N力/ N力/ N力/ N2. 2 方案及现象0 . 1100100110 - 1312 . 2 . 1试验 1 不加分散剂而只做超声振动 ,纳米110001 000110 - 61 000粒子在 0 . 5 h 内已完全沉积; 只加分散剂而不做超101 0000104110106,0 . 5 h 内沉积 ,溶液中仅有少声振动大部分粒子在2范德华长程吸引力与静电斥力为一对平衡力.两球形颗粒的范德华引

11、力位能可表示为U A = - A d/ (24 H) .( 1)式中: A 是 Hamaker 常数, d 是颗粒粒径, H 是颗粒表面间距. 本试验中纳米颗粒均假设为球形, 且名义直径相同.两球形粒子间的斥力位能为U R =r d02 exp ( 1 - H) / 4 .( 2)式中:r 为基液相对介电常数;0 为颗粒表面电位; = 2 n0 z2 e2 / (r k T) 0. 5 为离子氛厚度的倒数, n0 为体相离子的浓度, z 为离子的价数 , e 为电子的浓度, k 为 Boltzmann 常数, T 为体系热平衡热力学温度.1. 2颗粒动力学平衡当颗粒受到的沉降力与黏滞阻力平衡时

12、, 颗粒保持悬浮状态. 沉降力 Fd 和黏滞阻力 Fr 分别为Fd =d3 (- 0 ) g/ 6 ,( 3)r()F= 3 d v ;4若粒子处于动力学平衡状态, 则 Fd = Fr , 且v = d3 (- 0 ) g/ ( 18) .( 5)式中:、0 分别是颗粒和基液的密度,为基液黏度, v 为颗粒沉降速度.2 试验方案设计及现象描述2. 1样品及制备采用“两步法”制备了 N Fs ,制备流程如图 1 所部分粒子悬浮 ,形成质量分数极小的悬浮液.2 . 2 . 2试验 2 添加平均粒径为 20 nm 的 Al2 O3粒子 0 . 8 g 和 P E G 分散剂 2 mL ,超声振动时间

13、分别为10 min 、1 h 、3 h 和8 h ,其他除特殊说明外的条件 :基液为 40 mL 蒸馏水、p H 值 7 . 0 左右. 超声完成后自然冷却静置到室温 ,观察混合液上层质量分数分层区高度 h (由粒子沉降而引起的混合液上层质量分数由低到高的过渡区域) 与超声时间 tv 的关系如图 2 所示. 超声 10 min 和 8 h 的分散效果均不理想 ,超声 1 h 出现 7 mm 的分层区 ,而超声 3 h 则几乎没有沉降 ,分散性最好.2. 2. 3 试验 3 添加平均粒径分别为 90 、50 和 20 nm 的 CuO 颗粒各 0. 8 g , SDBS 0. 4 g. 图 3

14、表示了不同粒径 NFs 的静置时间 td 与悬浮性的关系. 三者的黏度增幅 K =NFs /分别为1. 256 、1. 146 和 1. 080.2 . 2 . 4试验 4 添加平均粒径均为 20 nm 的 Al 和Cu 粒子各 0 . 4 g , SDBS 0 . 8 g. 静置 2 d ,后者开始出现沉降 ;前者 4 d 后开始出现沉淀. 长期观察发现仍以 Al2DW 纳米流体稳定性较好.示. 选取 CuO 、Al2 O3 、Cu 、Al 等纳米颗粒和蒸馏水图 2 不同超声振动时间 NFs 稳定性比较(DW) 、乙二醇( E G) 、丙三醇(甘油) 作为基液 ,选用Fig. 2 Stabi

15、lity comparison of N Fs due to different ul2十二烷基苯磺酸钠( SDBS) 、聚乙二醇( P E G) 作为分t raso nic vibrating time第 4 期彭小飞 ,等 : 纳米流体悬浮稳定性影响因素5792 . 2 . 5试验 5 添加平均粒径为 20 nm 的 CuO 粒子 0 . 4 g , SDBS 分别为 0 . 05 、0. 10 、0. 20 、0. 60 、0 . 80和 1 . 20 g. 静置时间与质量分数渐变区高度关系如图 4 所示.2 . 2 . 6 试验 6 分别添加平均粒径为 20 nm 的 CuO 粒子 0

16、 . 4 、0. 8 、1 . 2 和 2 . 4 g , SDBS 0 . 8 g ,静置 3 d 后的质量分数渐变区高度如表 2 所示. 表中 m 为 CuO 的质量.2 . 2 . 7试验 7 添加平均粒径为 50 nm 的 CuO 粒子 0 . 4 g , SDBS 0 . 8 g , 基液分别为蒸馏水、乙二醇和丙三醇. 稳定性效果如表 3 所示.图 3不同粒径 NFs 稳定性对比Fig. 3Stability compariso n ofN Fs due todifferentparticle dimensio ns图 4不同分散剂添加量的 NFs 稳定性对比Fig. 4Stabil

17、ity co mpariso n ofN Fs due to differentdo ses of dispersant表 2不同粒子质量分数 NFs 稳定性对比Tab. 2Stability co mpariso n of N Fs due to different particleconcent ratio nsm/ gw (CuO) / %Kh/ mm0. 40. 981. 0450. 50. 81. 941. 0912. 01. 22. 881. 1242. 02. 45. 611. 2204. 0表 3不同基液 NFs 稳定性对比Tab . 3Stability comparison

18、 of NFs due to different base liquids基液t1) / hh1) / mmDW456E G605甘油852注:1)t 为出现分层时间; h 为 7 d 后渐变区高度.22 . 2 . 8试验 8 用氨水和盐酸分别调节 CuO DW(分散剂为 SDBS) 和 Al2 O3 2DW (分散剂为 P E G) 纳米流体的 p H 值. 颗粒开始沉降时间与 p H 值的关系如图 5 所示.图 5颗粒沉降时间与 pH 值的关系Fig. 5Stability co mpariso n of N Fs due to different p Hvalues3 影响因素分析3.

19、 1超声振动由试验 1 和 2 知 ,超声振动对 N Fs 的分散至关重要. 超声振动产生高频机械波 ,能有效抑制颗粒的团聚. 超声时间对分散效果也有明显影响. 超声时间过短(1 h 之内) ,振动波尚未能完全阻止粒子聚集而引起沉降;超声时间过长 ,则已经分散的粒子会在强烈振动之下重新聚集. 结果显示 ,超声 3 h 能取得最佳的分散效果.3. 2粒径由式(1) 知 ,颗粒粒径越大 ,颗粒间吸引力位能越大 ,容易引起团聚 ,不利于稳定 ,式(5) 也表明粒径大的颗粒沉降速度快 ,重力作用趋于明显. 试验 3 中粒径 90 nm 的 N Fs 最容易沉降 ,稳定性最差; 而粒径 20 nm 的

20、N Fs 稳定性最好 ,且黏度最小. 表明粒子分散均匀 ,相同转速下剪切应力最小 ,因此分散稳定性亦最好.3. 3粒子质量分数式 (1) 和(2) 分别表明粒子引力位能、斥力位能与粒子间距有很大关系. 粒子质量分数大(粒子间距小) 会导致颗粒间引力位能和斥力位能同时增大;但H 改变量相同时 ,1/ H 1/ exp (H) , 则 U A U R ,不利于稳定. 由试验 6 知 ,粒子质量分数为 0 . 98 %的 N Fs 悬浮稳定性最好 ,而 5 . 61 %的最差.3. 4基液黏度由式(2) 可知 ,颗粒间斥力位能与r 、0 有关.r大的溶液颗粒间斥力位能大 ,因此颗粒在水中团聚几率小.

21、 表 4 列出了基液的物性参数. 式( 5) 则表明基液黏度大的颗粒沉降速度小 , 黏度的增加使得布580浙江 大 学 学 报(工学版)第 41 卷表 4基液物性参数1)Tab. 4Properties of base liquids基液/ ( mPa s)rDW1 . 00675. 76E G42 . 00038. 66甘油1 480. 00042. 501) 表中参数均为 25下的参考值.朗运动减缓 ,从而减小颗粒碰撞几率 ,减少团聚. 虽然颗粒在水中不容易团聚 ,但是由于水的黏度小 ,颗粒容易沉降. 试验 7 中观察到以丙三醇为基液的N Fs 稳定性最好.3. 5粒子密度式 (5) 还表

22、明沉降速度与基液和颗粒的密度差成反比. 试验 4 恰好说明了基液相同时 ,密度小的颗粒 ( Al) 制备的 N Fs 比密度大的颗粒 ( Cu ) 制备的N Fs 发生沉降的时间长 ,长期稳定性也要好.3. 6分散剂分散剂吸附在粒子表面 ,与带正电的粒子结合 ,增加了粒子间距 ,减小了范德华力作用 ,降低了引力势能 ,对分散有很大帮助.但是适合每种 NFs 的分散剂类别不同. 试验中 ,纳米 CuO2DW、Cu2DW、Al2DW 适合用 SDBS ,而 PEG 更适合用于 Al2 O3 2DW. 分散剂的添加量也存在一个最佳值. 当分散剂添加较少时 ,分散剂不能完全包裹颗粒 ,导致颗粒间的静电

23、斥力较弱 ,容易发生团聚;当分散剂过量时 ,出现过饱和吸附现象 ,降低了颗粒间的静电斥力 ,反而起到了絮凝的作用. 从试验 5 中能看出添加 0. 8 g 分散剂的稳定性比其他要好 ,正说明了这一规律.3. 7p H 值p H 值对稳定性有着显著的作用 , 既影响静电分散效果 ,又影响电空间稳定效果. 不同 p H 值下颗粒表面因吸附的反号离子的数量不同而带电状况不同 ,这会直接影响粒子间的静电斥力. 从试验 8 来看 ,当 CuO2DW 和 Al2 O3 2DW 稳定性最佳时 , p H值分别为 9 . 1 和 5 . 2 .3. 8因素最佳取值以大量试验数据为基础 ,本文归纳出若干纳米流体

24、(以水为基液) 获得最佳稳定性效果的制备方案 ,如表 5 所示.4结 论表 5NFs 最佳稳定性因素取值1)Tab. 5Values for best stable N FsN Fsd/ mm wB1 / % 分散剂tv / hwB2 / %p HCuO DW200. 97SDBS31. 949. 12200. 90PE G32. 545. 2Al2 O3 DW2180. 97SDBS31. 458. 9Cu DW2SDBS31. 86AlDW180. 979. 02注:1)wB1 、wB2 分别为粒子和分散剂的质量分数.定性都较为重要. 添加量的最佳值因不同 NFs 而不同. (2) 颗粒密

25、度越大 ,沉降趋势越明显 ,稳定性越差 ;颗粒平均粒径大的溶液分散性差 ,容易沉积 ,稳定性差; 粒子质量分数影响 N Fs 悬浮液稳定性 ,质量分数大则粒子团聚机会增多 ,悬浮稳定性差.(3) 基液的黏度在较大程度上影响着悬浮液的稳定性 ,相同极性的基液的黏度越大则稳定性越好.(4) 控制 p H 值对 N Fs 的稳定性至关重要 , 最佳 p H 值因不同粒子、分散剂和基液的极性而不同.参考文献( References) : 1 C HO I U S. Enhancing t hermalconductivity offluidswit h nanoparticles J . ASME FED , 1995 , 231 :99 103 . 2 XUAN Y , L I Q . Heat t ransfer enhancement of nanofluids J . International Journal ofFlow,2000 , 21 (1) :58264 .Heat and Fluid22 3