MgO―乙二醇/水基纳米流体稳定性研究
作者 : 未知

  摘 要:文章采用两步法制备了MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液,加入适量分散剂,经超声波振荡后静置,获取其稳定性特征。结果表明,超声振荡时间、纳米颗粒质量分数、分散剂种类和分散剂质量分数是影响MgO-乙二醇/水基纳米悬浮液稳定性的主要因素,阿拉伯树胶能够改善此类纳米颗粒悬浮液稳定性。
  关键词:纳米流体;稳定性;超声振荡;分散剂
  1 概述
  随着能源约束和环境保护的日益突出,新兴换热理论和设备对高效换热提出了更高的要求。因此,找到一种稳定、传输快、效率高的传热介质成为探索目标[1-2]。纳米流体是将纳米级颗粒加入基液中形成一种新工质,其原理在于纳米级颗粒增大了液体的导热系数,换热能力大为提高。
  学界对纳米流体开展了较多研究,取得阶段性进展。从研究工质来看,大多以CuO、TiO2、Al2O3等金属氧化物的纳米颗粒悬浮物为主。从研究内容来看,主要集中在纳米流体制备、热物性参数与换热性能测试方面。从研究结论来看,总体上表现纳米流体强化换热,但在微观规律性层面,不同文献结论并不完全一致,甚至出现相互矛盾的现象。
  文章拟制备乙二醇/水基的MgO纳米颗粒悬浮液,选择合适分散剂,采用超声波进行振荡分散,寻找超声振荡时间、MgO质量分数、分散剂种类及其质量分数对纳米悬浮液稳定性能影响的定性规律,为纳米流体强化换热提供理论参考和应用借鉴。
  2 材料与方法
  试验材料包含MgO颗粒(50nm级)、乙二醇、去离子水、十二烷基苯磺酸钠SDBS、阿拉伯树胶粉以及超声波振荡器、梅特勒电子精密天平试验设备。
  试验采用两步法制备MgO-乙二醇/水基纳米颗粒悬浮液,首先将乙二醇和去离子水按体积比1:1混合制备成基液,再将一定量的MgO粉体直接添加到基液中,同时添加适量分散剂,并用玻璃棒强力搅拌。本试验选用分散剂为阿拉伯树胶粉和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。为了强化MgO纳米颗粒的分散效果,采用超声振荡方式,增加脉动,配成质量分数为0.5%的MgO-乙二醇/水基纳米颗粒悬浮液。每隔10min取出一定量的纳米流体,分成多组分别放入试管。采用数码相机定时定点拍摄纳米悬浮液的分层规律和沉降特性。
  3 结果与讨论
  3.1 超声振荡时间对纳米流体稳定性的影响
  为了分析超声振荡对MgO-乙二醇/水基纳米悬浮液稳定性的影响,将质量分数为0.5%的MgO-乙二醇/水基纳米流体按体积等分为5组,其中一组未经超声振荡,其余四组分别超声振荡10、20、30和40min,振荡结束后放入5组试管中静置待观察。对比发现,静置1天后各试管内的MgO-乙二醇/水基纳米悬浮液分层情况均不明显,但静置4天各试管分层现象已有区别,未经超声振荡的纳米流体分层最为显著,振荡40min的MgO-乙二醇/水基悬浮液仍无明显分层现象;静置7天后,各管内底部均出现沉淀现象。这表明,纳米粒子一定程度上因布朗运动保持稳定,但是超声振荡对MgO-乙二醇/水基纳米流体稳定性有较大影响。究其原因,可能是因为超声振荡时不可避免地改变了纳米流体温度,使得MgO-乙二醇/水基纳米流体的黏度、表面张力等物性参数发生改变,直接影响了其稳定性。
  3.2 纳米颗粒质量分数对纳米流体稳定性的影响
  在质量分数为1%、2%和3%的MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液中加入质量分数均为5%的分散剂阿拉伯树胶,超声振荡20 min后,分置于试管A、B、C内静置。观察1天、9天和18天动态过程,各试管内纳米流体分层规律。对比发现,初始静置9天内,A、B管中的MgO-乙二醇/水基纳米颗粒悬浮液主体分布均匀,未见分层现象,而C管底部发现大量白色颗粒物,上部主体溶液成絮状;静置18天后,A、B两管底部也出现沉淀物,分层现象同样呈现。这表明,临界沉降时间与MgO纳米颗粒质量分数有直接关系,质量分数大的悬浮液容易沉降分层现象,具体质量分数尚需进一步验证。工程实际中应注意优选合适参数配备以保证纳米流体的稳定性。
  3.3 分散剂种类对纳米流体稳定性的影响
  为了分析不同分散剂对MgO-乙二醇/水基纳米悬浮液稳定性的影响,选择阿拉伯树胶和SDBS作为对比分散剂,分别加入质量分数0.5%的MgO-乙二醇纳米流体中,经超声振荡后静置。通过观察可以发现,阿拉伯树胶对MgO-乙二醇/水基纳米流体稳定性的作用明显强于SDBS。其中原因可能是MgO纳米颗粒是带有极性的,MgO颗粒表面在水中呈负电性,它对阳离子表面活性剂的吸附能力大于阴离子表面活性剂,而SDBS为阴离子表面活性剂,阿拉伯树胶为非离子型表面活性剂,具有亲水性,一定程度上保证了MgO-乙二醇/水基纳米流体分散系的稳定性。
  3.4 分散剂质量分数对纳米流体稳定性的影响
  为了分析分散剂质量分数对MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液稳定性能的影响,将质量分数为5%、10%、15%和20%的阿拉伯树胶分别加入MgO-乙二醇纳米流体中,同样经超声振荡后静置待观察。对比发现,静置前4天里MgO-乙二醇纳米流体悬浮液稳定性随阿拉伯树胶质量分数存在波动。在质量分数为5%-10%区间内,随着阿拉伯树胶质量分数的增加稳定性增强,10%-15%之间随着质量分数增加稳定性反而降低,而在15%-20%之间又随阿拉伯树胶质量分数的增加稳定性增强,但是整体的差异不明显。静置6天后MgO-乙二醇/水基纳米流体稳定性随分散剂质量分数的增加呈现抛物线分布,质量分数为10%时稳定性最强。随着静置时间的进一步延长,到达静置18天后,MgO-乙二醇/水基纳米流体的稳定性与分散剂阿拉伯树胶的质量分数呈近近线性趋势。分析其原因,或许是因为分散剂阿拉伯树胶其增稠特性使得MgO-乙二醇/水基纳米流体的黏度和表面张力增大,使得流体稳定性增强;随着时间的推移,阿拉伯树胶增稠性有所减弱,相应地MgO-乙二醇/水基纳米流体粘度也会下降,造成其稳定性降低。除此之外,阿拉伯树胶是非离子型表面活性剂,其特有的亲水性也在一定程度上保证分散系统的稳定性。
  4 结束语
  文章采用两步法制备了MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液,经超声波振荡后静置,对比分析了该类型纳米悬浮液的稳定性能。实验发现,超声振荡时间、MgO纳米颗粒质量分数、分散剂种类和分散剂质量分数是影响MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液稳定性的主要因素。具体表现为,随着超声振荡时间的延长,MgO-乙二醇/水基纳米流体悬浮液的稳定性明显增强,但并非越长越好;MgO纳米颗粒质量分数对MgO-乙二醇/水基纳米流体稳定性有较大影响,质量分数大的更容易沉降分层;分散剂阿拉伯树胶能够改善MgO-乙二醇/水基纳米颗粒悬浮液的稳定性,而SDBS的加入会恶化纳米流体的稳定性。阿拉伯树胶质量分数10%时MgO-乙二醇/水基稳定性较好。
  参考文献
  [1]章熙民,朱彤,安青松,等.传热学(第六版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.
  [2]蔡伟,解国珍.基于偏移活化能理论研究干燥热湿传递特性[J].安徽农业科学,2007,35(33):10934-10936.
  *通讯作者:蔡伟(1983-),男,硕士,副教授,研究方向:建筑节能、纳米流体换热。

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