MgO—乙二醇/水基納米流體穩定性研究

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，經超聲波振蕩后靜置，獲取其穩定性特征。結果表明，超聲振蕩時間、納米顆粒質量分數、分散劑種類和分散劑質量分數是影響MgO-乙二醇/水基納米懸浮液穩定性的主要因素，阿拉伯樹膠能夠改善此類納米顆粒懸浮液穩定性。

關鍵詞：納米流體；穩定性；超聲振蕩；分散劑

1 概述

隨著能源約束和環境保護的日益突出，新興換熱理論和設備對高效換熱提出了更高的要求。因此，找到一種穩定、傳輸快、效率高的傳熱介質成為探索目標[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，其原理在于納米級顆粒增大了液體的導熱系數，換熱能力大為提高。

學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。從研究內容來看，主要集中在納米流體制備、熱物性參數與換熱性能測試方面。從研究結論來看，總體上表現納米流體強化換熱，但在微觀規律性層面，不同文獻結論并不完全一致，甚至出現相互矛盾的現象。

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質量分數、分散劑種類及其質量分數對納米懸浮液穩定性能影響的定性規律，為納米流體強化換熱提供理論參考和應用借鑒。

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，配成質量分數為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。采用數碼相機定時定點拍攝納米懸浮液的分層規律和沉降特性。

3 結果與討論

3.1 超聲振蕩時間對納米流體穩定性的影響

為了分析超聲振蕩對MgO-乙二醇/水基納米懸浮液穩定性的影響，將質量分數為0.5%的MgO-乙二醇/水基納米流體按體積等分為5組，其中一組未經超聲振蕩，其余四組分別超聲振蕩10、20、30和40min，振蕩結束后放入5組試管中靜置待觀察。對比發現，靜置1天后各試管內的MgO-乙二醇/水基納米懸浮液分層情況均不明顯，但靜置4天各試管分層現象已有區別，未經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象；靜置7天后，各管內底部均出現沉淀現象。這表明，納米粒子一定程度上因布朗運動保持穩定，但是超聲振蕩對MgO-乙二醇/水基納米流體穩定性有較大影響。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發生改變，直接影響了其穩定性。

3.2 納米顆粒質量分數對納米流體穩定性的影響

在質量分數為1%、2%和3%的MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液中加入質量分數均為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內靜置。觀察1天、9天和18天動態過程，各試管內納米流體分層規律。對比發現，初始靜置9天內，A、B管中的MgO-乙二醇/水基納米顆粒懸浮液主體分布均勻，未見分層現象，而C管底部發現大量白色顆粒物，上部主體溶液成絮狀；靜置18天后，A、B兩管底部也出現沉淀物，分層現象同樣呈現。這表明，臨界沉降時間與MgO納米顆粒質量分數有直接關系，質量分數大的懸浮液容易沉降分層現象，具體質量分數尚需進一步驗證。工程實際中應注意優選合適參數配備以保證納米流體的穩定性。

3.3 分散劑種類對納米流體穩定性的影響

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，分別加入質量分數0.5%的MgO-乙二醇納米流體中，經超聲振蕩后靜置。通過觀察可以發現，阿拉伯樹膠對MgO-乙二醇/水基納米流體穩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定性。

3.4 分散劑質量分數對納米流體穩定性的影響

為了分析分散劑質量分數對MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液穩定性能的影響，將質量分數為5%、10%、15%和20%的阿拉伯樹膠分別加入MgO-乙二醇納米流體中，同樣經超聲振蕩后靜置待觀察。對比發現，靜置前4天里MgO-乙二醇納米流體懸浮液穩定性隨阿拉伯樹膠質量分數存在波動。在質量分數為5%-10%區間內，隨著阿拉伯樹膠質量分數的增加穩定性增強，10%-15%之間隨著質量分數增加穩定性反而降低，而在15%-20%之間又隨阿拉伯樹膠質量分數的增加穩定性增強，但是整體的差異不明顯。靜置6天后MgO-乙二醇/水基納米流體穩定性隨分散劑質量分數的增加呈現拋物線分布，質量分數為10%時穩定性最強。隨著靜置時間的進一步延長，到達靜置18天后，MgO-乙二醇/水基納米流體的穩定性與分散劑阿拉伯樹膠的質量分數呈近近線性趨勢。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，相應地MgO-乙二醇/水基納米流體粘度也會下降，造成其穩定性降低。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的穩定性。

4 結束語

文章采用兩步法制備了MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液，經超聲波振蕩后靜置，對比分析了該類型納米懸浮液的穩定性能。實驗發現，超聲振蕩時間、MgO納米顆粒質量分數、分散劑種類和分散劑質量分數是影響MgO-乙二醇/水基納米流體懸浮液穩定性的主要因素。具體表現為，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定性明顯增強，但并非越長越好；MgO納米顆粒質量分數對MgO-乙二醇/水基納米流體穩定性有較大影響，質量分數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定性，而SDBS的加入會惡化納米流體的穩定性。阿拉伯樹膠質量分數10%時MgO-乙二醇/水基穩定性較好。

參考文獻

[1]章熙民，朱彤，安青松，等.傳熱學（第六版）[M].北京：中國建筑工業出版社，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].安徽農業科學，2007，35（33）：10934-10936.

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