MgO—乙二醇/水基納米流體穩(wěn)定性研究

摘 要：文章采用兩步法制備了MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液，加入適量分散劑，經(jīng)超聲波振蕩后靜置，獲取其穩(wěn)定性特征。結(jié)果表明，超聲振蕩時間、納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑種類和分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響MgO-乙二醇/水基納米懸浮液穩(wěn)定性的主要因素，阿拉伯樹膠能夠改善此類納米顆粒懸浮液穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：納米流體；穩(wěn)定性；超聲振蕩；分散劑

1 概述

隨著能源約束和環(huán)境保護的日益突出，新興換熱理論和設(shè)備對高效換熱提出了更高的要求。因此，找到一種穩(wěn)定、傳輸快、效率高的傳熱介質(zhì)成為探索目標(biāo)[1-2]。納米流體是將納米級顆粒加入基液中形成一種新工質(zhì)，其原理在于納米級顆粒增大了液體的導(dǎo)熱系數(shù)，換熱能力大為提高。

學(xué)界對納米流體開展了較多研究，取得階段性進展。從研究工質(zhì)來看，大多以CuO、TiO2、Al2O3等金屬氧化物的納米顆粒懸浮物為主。從研究內(nèi)容來看，主要集中在納米流體制備、熱物性參數(shù)與換熱性能測試方面。從研究結(jié)論來看，總體上表現(xiàn)納米流體強化換熱，但在微觀規(guī)律性層面，不同文獻結(jié)論并不完全一致，甚至出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象。

文章擬制備乙二醇/水基的MgO納米顆粒懸浮液，選擇合適分散劑，采用超聲波進行振蕩分散，尋找超聲振蕩時間、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米懸浮液穩(wěn)定性能影響的定性規(guī)律，為納米流體強化換熱提供理論參考和應(yīng)用借鑒。

2 材料與方法

試驗材料包含MgO顆粒（50nm級）、乙二醇、去離子水、十二烷基苯磺酸鈉SDBS、阿拉伯樹膠粉以及超聲波振蕩器、梅特勒電子精密天平試驗設(shè)備。

試驗采用兩步法制備MgO-乙二醇/水基納米顆粒懸浮液，首先將乙二醇和去離子水按體積比1：1混合制備成基液，再將一定量的MgO粉體直接添加到基液中，同時添加適量分散劑，并用玻璃棒強力攪拌。本試驗選用分散劑為阿拉伯樹膠粉和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）。為了強化MgO納米顆粒的分散效果，采用超聲振蕩方式，增加脈動，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的MgO-乙二醇/水基納米顆粒懸浮液。每隔10min取出一定量的納米流體，分成多組分別放入試管。采用數(shù)碼相機定時定點拍攝納米懸浮液的分層規(guī)律和沉降特性。

3 結(jié)果與討論

3.1 超聲振蕩時間對納米流體穩(wěn)定性的影響

為了分析超聲振蕩對MgO-乙二醇/水基納米懸浮液穩(wěn)定性的影響，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的MgO-乙二醇/水基納米流體按體積等分為5組，其中一組未經(jīng)超聲振蕩，其余四組分別超聲振蕩10、20、30和40min，振蕩結(jié)束后放入5組試管中靜置待觀察。對比發(fā)現(xiàn)，靜置1天后各試管內(nèi)的MgO-乙二醇/水基納米懸浮液分層情況均不明顯，但靜置4天各試管分層現(xiàn)象已有區(qū)別，未經(jīng)超聲振蕩的納米流體分層最為顯著，振蕩40min的MgO-乙二醇/水基懸浮液仍無明顯分層現(xiàn)象；靜置7天后，各管內(nèi)底部均出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。這表明，納米粒子一定程度上因布朗運動保持穩(wěn)定，但是超聲振蕩對MgO-乙二醇/水基納米流體穩(wěn)定性有較大影響。究其原因，可能是因為超聲振蕩時不可避免地改變了納米流體溫度，使得MgO-乙二醇/水基納米流體的黏度、表面張力等物性參數(shù)發(fā)生改變，直接影響了其穩(wěn)定性。

3.2 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體穩(wěn)定性的影響

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和3%的MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%的分散劑阿拉伯樹膠，超聲振蕩20 min后，分置于試管A、B、C內(nèi)靜置。觀察1天、9天和18天動態(tài)過程，各試管內(nèi)納米流體分層規(guī)律。對比發(fā)現(xiàn)，初始靜置9天內(nèi)，A、B管中的MgO-乙二醇/水基納米顆粒懸浮液主體分布均勻，未見分層現(xiàn)象，而C管底部發(fā)現(xiàn)大量白色顆粒物，上部主體溶液成絮狀；靜置18天后，A、B兩管底部也出現(xiàn)沉淀物，分層現(xiàn)象同樣呈現(xiàn)。這表明，臨界沉降時間與MgO納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有直接關(guān)系，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大的懸浮液容易沉降分層現(xiàn)象，具體質(zhì)量分?jǐn)?shù)尚需進一步驗證。工程實際中應(yīng)注意優(yōu)選合適參數(shù)配備以保證納米流體的穩(wěn)定性。

3.3 分散劑種類對納米流體穩(wěn)定性的影響

為了分析不同分散劑對MgO-乙二醇/水基納米懸浮液穩(wěn)定性的影響，選擇阿拉伯樹膠和SDBS作為對比分散劑，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的MgO-乙二醇納米流體中，經(jīng)超聲振蕩后靜置。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，阿拉伯樹膠對MgO-乙二醇/水基納米流體穩(wěn)定性的作用明顯強于SDBS。其中原因可能是MgO納米顆粒是帶有極性的，MgO顆粒表面在水中呈負電性，它對陽離子表面活性劑的吸附能力大于陰離子表面活性劑，而SDBS為陰離子表面活性劑，阿拉伯樹膠為非離子型表面活性劑，具有親水性，一定程度上保證了MgO-乙二醇/水基納米流體分散系的穩(wěn)定性。

3.4 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米流體穩(wěn)定性的影響

為了分析分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液穩(wěn)定性能的影響，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%的阿拉伯樹膠分別加入MgO-乙二醇納米流體中，同樣經(jīng)超聲振蕩后靜置待觀察。對比發(fā)現(xiàn)，靜置前4天里MgO-乙二醇納米流體懸浮液穩(wěn)定性隨阿拉伯樹膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在波動。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%-10%區(qū)間內(nèi)，隨著阿拉伯樹膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加穩(wěn)定性增強，10%-15%之間隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加穩(wěn)定性反而降低，而在15%-20%之間又隨阿拉伯樹膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加穩(wěn)定性增強，但是整體的差異不明顯。靜置6天后MgO-乙二醇/水基納米流體穩(wěn)定性隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)拋物線分布，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時穩(wěn)定性最強。隨著靜置時間的進一步延長，到達靜置18天后，MgO-乙二醇/水基納米流體的穩(wěn)定性與分散劑阿拉伯樹膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈近近線性趨勢。分析其原因，或許是因為分散劑阿拉伯樹膠其增稠特性使得MgO-乙二醇/水基納米流體的黏度和表面張力增大，使得流體穩(wěn)定性增強；隨著時間的推移，阿拉伯樹膠增稠性有所減弱，相應(yīng)地MgO-乙二醇/水基納米流體粘度也會下降，造成其穩(wěn)定性降低。除此之外，阿拉伯樹膠是非離子型表面活性劑，其特有的親水性也在一定程度上保證分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

文章采用兩步法制備了MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液，經(jīng)超聲波振蕩后靜置，對比分析了該類型納米懸浮液的穩(wěn)定性能。實驗發(fā)現(xiàn)，超聲振蕩時間、MgO納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散劑種類和分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液穩(wěn)定性的主要因素。具體表現(xiàn)為，隨著超聲振蕩時間的延長，MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液的穩(wěn)定性明顯增強，但并非越長越好；MgO納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對MgO-乙二醇/水基納米流體穩(wěn)定性有較大影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大的更容易沉降分層；分散劑阿拉伯樹膠能夠改善MgO-乙二醇/水基納米顆粒懸浮液的穩(wěn)定性，而SDBS的加入會惡化納米流體的穩(wěn)定性。阿拉伯樹膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時MgO-乙二醇/水基穩(wěn)定性較好。

參考文獻

[1]章熙民，朱彤，安青松，等.傳熱學(xué)（第六版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]蔡偉，解國珍.基于偏移活化能理論研究干燥熱濕傳遞特性[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（33）：10934-10936.

*通訊作者：蔡偉（1983-），男，碩士，副教授，研究方向：建筑節(jié)能、納米流體換熱。