導熱油基TiO2納米流體熱物性研究

史繼媛，劉宗明，李金凱，李 莉，趙蔚琳

(濟南大學材料科學與工程學院，濟南 250022)

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導熱油基TiO2納米流體熱物性研究

史繼媛，劉宗明，李金凱，李 莉，趙蔚琳

(濟南大學材料科學與工程學院，濟南 250022)

采用“兩步法”將粒徑為15 nm、30 nm和60 nm的TiO2納米粉添加到導熱油中，制備出體積分數為0.1%～0.5%的導熱油基TiO2納米流體。實驗研究了其在20～60 ℃的導熱性能、粘性和潤濕性能，結果表明，該導熱油基TiO2納米流體的導熱性能隨著溫度的升高增加率為20%～38%，隨著體積分數的增大提高了7%～49%，隨著TiO2納米粉粒徑的增加降低了9%～25%。與基液相比，該導熱油基TiO2納米流體的粘性隨著溫度和體積分數的增加也增大了3%～37%，但隨著溫度的升高納米流體的粘性卻呈線性降低趨勢，隨著TiO2納米粉粒徑的增加降低了7%～22%。室溫下，導熱油基TiO2納米流體的接觸角比基液減小了28%～50%，表面張力卻增加了0.3%～0.5%。

導熱油； TiO2納米流體； 導熱性能； 粘性； 潤濕性

1 引 言

“納米流體”是指以傳統傳熱工質作為基液，向其中加入納米尺寸的顆粒而形成的一種多相體系[1]。與傳統工質相比，納米流體具有更加優良的傳熱性能[2]，在工業和商業等領域展示了巨大的應用前景。目前用于制備納米流體的納米顆粒主要有Al2O3、CuO和SiO2等粉體，基液多為水和乙二醇等液體[3-6]；研究重點主要集中在其方法的制備、穩定性的提高和傳熱過程的強化等方面[7-9]。

導熱油也是一種傳統的傳熱介質，由于其傳熱效率高、熱穩定性好，因而有廣泛的工業應用，近年來有學者嘗試研究導熱油基納米流體以進一步提高導熱油的傳熱性能[10,11]。為豐富導熱油基納米流體的實驗數據，為工程提供應用的依據，本文研制導熱油基TiO2納米流體。利用兩步法將TiO2顆粒分散在導熱油中，制備成不同濃度的導熱油基TiO2納米流體，進一步研究其導熱性能、粘性及潤濕性能，并初步探討影響上述納米流體熱物性能的因素，為導熱油基TiO2納米流體在傳熱領域內的應用奠定基礎。

2 導熱油基TiO2納米流體的制備

本實驗采用兩步法制備導熱油基TiO2納米流體，TiO2納米粉由宣城晶瑞新材料有限公司提供，導熱油購于上海由博實業有限公司。實驗過程中稱取一定質量的TiO2納米粉，緩慢添加到一定體積的導熱油中，輕微攪拌后加入TiO2質量的0.008%的油酸和硬脂酸，二者親油性很強，作為表面活性劑加入到在油相中可增溶，磁力攪拌40 min之后再經超聲分散15 min，制備出體積分數為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的納米流體。超聲的主要機理是空化作用[12]，可有效的打碎團聚的納米顆粒，使之分散達到均化的效果，制備出懸浮穩定性較高的納米流體。

圖1 靜置15 d的導熱油基TiO2納米流體Fig.1 Photographic view of heat transfer oil based TiO2nanofluid stewing 15 d

圖2 導熱油基TiO2納米流體吸光度測量值Fig.2 Absorbance of heat transfer oil based TiO2nanofluid at different time

本實驗利用沉降法和吸光度分析表征所制備的導熱油基TiO2納米流體懸浮穩定性，結果如圖1、2所示。圖1為導熱油基TiO2納米流體靜置15 d的照片，由圖可見納米流體并未出現明顯的沉淀分層，說明其具有良好的懸浮穩定性。圖2展示了導熱油基TiO2納米流體自制備結束起15 d的吸光度測量值。從圖中可以看出，隨著時間的增加，吸光度逐漸下降，但降幅很小，第15 d的測量值僅比剛制備的測量值小9%，吸光度變化不大可進一步說明實驗制備的導熱油基TiO2納米流體具有良好的懸浮穩定性。

3 導熱油基TiO2納米流體熱物性能研究

3.1 納米流體導熱性能研究

導熱性能常用導熱系數來表征。本實驗采用美國培安公司的KD2-Pro熱物性分析儀測量不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體在不同溫度下(20～60 ℃)的導熱系數。該儀器采用“瞬態熱絲法”，即用溫度隨時間的變化來計算流體的導熱系數。測試時，將熱物性分析儀的探針全部浸入待測納米流體中，保持探針平穩，120 s后屏幕讀數即為納米流體的導熱系數。測量結果如圖3和圖4。

圖3為體積分數為0.2%的導熱油基TiO2納米流體在不同溫度時的導熱系數。由圖可知，添加TiO2顆粒后，導熱油的導熱系數均有不同程度的增加，且納米流體的導熱系數隨著溫度的升高而增加。20 ℃時，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體導熱系數最大增加率分別為38%、29%、20%；隨著溫度升高，納米流體與基液的導熱系數比呈降低趨勢。導熱系數隨溫度發生如此變化的主要原因有兩點，首先納米顆粒的布朗運動隨著溫度增加變得更加劇烈，顆粒與液體之間微對流增強；其次，高溫雖然使得納米流體內的納米顆粒運動劇烈，但是也增加了納米顆粒碰撞團聚的幾率，弱化了納米顆粒的小尺寸效應，因此導熱系數比會逐漸降低。

圖4展示了室溫下不同粒徑的導熱油基TiO2納米流體在不同體積分數下的導熱系數。從圖中可以看出，三種粒徑的導熱油基TiO2納米流體的導熱系數均隨著體積分數的增大呈非線性增加；納米流體與基液的導熱系數比也隨著體積分數增加而增加。例如，當納米TiO2粉體的體積分數為0.1%時，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體導熱系數比導熱油分別增加了33%、15%、7%；而當納米TiO2粉體的體積分數增加至0.5%時，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體導熱系數分別增加了51%、49%、45%。這是因為體積分數增加，單位體積納米流體中所含的納米顆粒的數目增加，體系內部傳遞的能量增加，因而導熱系數增大。

圖3 不同溫度下導熱油基TiO2納米流體的導熱系數(a)及與基液的導熱系數比(b)Fig.3 Thermal conductivity of heat transfer oil based TiO2nanofluid (a) and the thermal conductivity ratio compared with base fluid (b) at different temperature

圖4 室溫下不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體的導熱系數(a)及與基液的導熱系數比(b)Fig.4 Thermal conductivity of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction (a) and the thermal conductivity ratio compared with base fluid (b) at room temperature

進一步將圖3和圖4結合分析還可看出，TiO2納米粉體粒徑增加會使納米流體的導熱系數降低。例如，當納米流體的體積分數均為0.2%時，與粒徑為15 nm的導熱油基TiO2納米流體相比，粒徑為30 nm的納米流體導熱系數降低了2%～9%，粒徑為60 nm時降低了4%～18%；室溫下，粒徑為30 nm的導熱油基TiO2納米流體導熱系數降低了1%～18%，粒徑為60 nm時降低了5%～25%。這是因為越大的納米顆粒其比表面積越小，布朗運動減慢，從而減弱了能量的傳遞，因此導熱系數降低。

3.2 納米流體粘性研究

納米流體的粘性強弱可由粘度值的大小衡量，粘度是反映納米流體流動阻力的一個重要物理性能參數。本實驗采用恩氏粘度計對所制備的導熱油基TiO2納米流體的恩氏粘度進行測量，結果見圖5和圖6。

圖5 不同溫度下導熱油基TiO2納米流體粘度(a)及與基液的粘度比(b)Fig.5 Engler viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid (a) and the viscosity ratio compared with base fluid (b) at different temperature

圖6 室溫下不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體粘度(a)及與基液的粘度比(b)Fig.6 Engler viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction (a) and the viscosity ratio compared with base fluid (b) at room temperature

圖5展示了不同測量溫度下導熱油基TiO2納米流體的粘度及與基液的粘度比。由圖可見，TiO2納米粉加入后導熱油的粘度變大，且納米流體的粘度隨著溫度的升高而降低。例如溫度自20 ℃上升到60 ℃，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體的粘度值分別減小了52%、52%、58%。粘度值下降的原因主要是溫度升高使得分子布朗運動變得劇烈，從而減弱了分子與分子之間、粒子與粒子之間的粘附效應。

圖6則描述了室溫下導熱油基TiO2納米流體的粘度值與納米流體體積分數的關系。圖中顯示，隨著體積分數的增加，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體的粘度值最大分別增加了8%、11%、10%。納米流體的粘度隨著體積分數的增加而增加，原因可歸結到納米流體體積分數增加，單位體積內納米顆粒增多，增大了納米流體的剪切效應。

結合圖5和圖6還可以看出，在溫度一定、體積分數一定的情況下，TiO2粒徑越大，納米流體的粘度越小。與粒徑為15 nm的導熱油基TiO2納米流體的粘度相比，50 ℃時粒徑為30 nm和60 nm的納米流體粘度降低的最多，分別為9%和22%；體積分數為0.1%時，粒徑為30 nm和60 nm的納米流體粘度降低的最多，分別為4%和7%。

3.3 納米流體潤濕性能研究

圖7 室溫下不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體接觸角(a)15 nm;(b)30 nm;(c)60 nmFig.7 Contact angle of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction at room temperature

本實驗以接觸角和表面張力為指標研究了室溫下下導熱油基TiO2納米流體的潤濕性能。接觸角利用JC2000D1型接觸角測量儀測量，結果如圖7a～c所示；表面張力則采用JK99B型全自動界面張力儀測量，圖8為其測量結果。

從圖7可以看出，當TiO2納米粉粒徑一定時，隨著其體積分數的增加，導熱油基TiO2納米流體的接觸角小幅增加，但是均低于導熱油的接觸角(60°)；與導熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體接觸角分別減小了28%、39%、50%；當納米TiO2粉體的體積分數一定時，隨著粒徑的增加，導熱油基TiO2納米流體的接觸角逐漸減小。與粒徑為15 nm的導熱油基TiO2納米流體接觸角相比，當納米TiO2粉體體積分數為0.1%時，粒徑為30 nm、60 nm的納米流體接觸角減小值最大，分別為15%和18%。

圖8a和b分別為室溫下不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體表面張力及其增加值。由圖可見，當TiO2納米粉體粒徑一定時，隨著體積分數的增加，導熱油基TiO2納米流體的表面張力小幅增加，與基液導熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體表面張力最大分別增加了0.3%、0.4%、0.5%；當納米TiO2粉體的體積分數一定時，隨著粒徑的增加，導熱油基TiO2納米流體的表面張力逐漸增大。與粒徑為15 nm的導熱油基TiO2納米流體表面張力相比，當納米TiO2粉體體積分數為0.1%時，粒徑為30 nm、60 nm的納米流體表面張力分別增加了0.13%和0.34%。由楊氏方程[13]可知，接觸角減小，表面張力增加，潤濕性能增加，因而，TiO2納米粉體的加入增強了基液導熱油的潤濕性能，原因主要是液體的潤濕性能與其表面能緊密相關，基液導熱油中加入TiO2納米粉后，液-氣界面內積聚的TiO2納米顆粒之間的分子力會使液體的表面自由能增加，故納米流體的潤濕性優于基液[14,15]。

圖8 室溫下不同體積分數的導熱油基TiO2納米流體的表面張力(a)及增加值(b)Fig.8 Surface tension of heat transfer oil based TiO2nanofluid with different volume fraction(a) and the increasement (b) at room temperature

4 結 論

(1) TiO2納米粉體可以顯著的增強基液的導熱性能。與導熱油相比，室溫下導熱油基TiO2納米流體的導熱系數增加量為7%～51%；當溫度為20～60 ℃時，相應的導熱系數增加量為20%～38%；納米TiO2粉體粒徑增加會使得導熱油基TiO2納米流體的導熱系數降低，粒徑由15 nm增加到60 nm，相應的導熱系數降低了9%～25%;

(2) TiO2納米粉體的加入不同程度的增大了導熱油的粘度。在導熱油中加入體積分數為0.1%～0.5%的納米TiO2粉體，與基液相比，溫度自20 ℃上升到60 ℃，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體粘度增加了3%～37%；納米TiO2粉體粒徑增大，粘度降低；粒徑由15 nm增加到60 nm，納米流體的粘度降低了4%～22%;

(3) TiO2納米粉還可以增強基液導熱油的潤濕性能。隨著體積分數的增加，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的導熱油基TiO2納米流體接觸角比導熱油分別減小了28%、39%、50%；室溫下，在導熱油中加入納米TiO2粉體，其表面張力變化不大；與導熱油相比，粒徑為15 nm、30 nm、60 nm的納米流體表面張力增加了0.3%～0.5%。

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Investigation on Thermophysical Properties of Heat Transfer Oil Based TiO2Nanofluid

SHIJi-yuan,LIUZong-ming,LIJin-kai,LILi,ZHAOWei-lin

(School of Material Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)

Heat transfer oil based TiO2nanofluid of 15 nm, 30 nm and 60 nm with various volume concentration from 0.1% to 0.5% was produced using a two-step method. The properties of thermal conductivity, viscosity and wettability were investigated experimentally over a temperature range of 20-60 ℃. The results show that with the temperature and volume fraction increasing, thermal conductivity of nanofluid respectively increase by 20%-38% and 7%-49%. With the TiO2nanoparticles size increasing, decreasement of thermal conductivity is 9%-25%. Though with temperature and volume fraction increasing, the enhancement in viscosity of heat transfer oil based TiO2nanofluid is 3%-37% compared with base fluid, there is also a linear decrease trend of the viscosity with the increasing of temperature. Moreover, with the TiO2nanoparticles size increasing, the viscosity of the nanofluid is observed to has a decreasement of 7%-22%. At room temperature, the contact angle of heat transfer oil based TiO2nanofluid decrease by 28%-50% while the surface tension has a increasement of 0.3%-0.5%.

heat transfer oil;TiO2nanofluid;thermal conductivity;viscosity;wettability

山東省自然科學基金(ZR2015EM048)

史繼媛(1990-),女,碩士研究生.主要從事納米流體制備及應用的研究.

趙蔚琳,教授.

TF12

A

1001-1625(2016)10-3324-06