Cu-乙二醇导热纳米流体的合成及分散稳定性研究*
2016-06-05张飞龙许喜伟王东亮
张飞龙，许喜伟，王东亮，王 刚，王 莉
(1.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050)
导热纳米流体是以一定的方式和比例将纳米级金属(或非金属)、金属氧化物(或非金属氧化物)等粒子分散到水、醇及油等介质中制备而成的导热介质[1-2]，其概念最早由美国Argonne国家实验室的Choi[1]提出。由于纳米粒子的高导热性及小尺寸效应，使得纳米流体的导热能力大幅度增加，且不会发生磨损和管道堵塞现象，故其作为传热工质具有良好的应用前景，是热能工程领域的创新性研究[3-4]。
Cu-乙二醇导热纳米流体是纳米Cu粉在乙二醇基液中分散而得到的悬浮液。由于其优良的导热性和低温性而引起国内外专家的广泛关注[5-10]。研究合成的产品有以纳米Cu为分散粒子，以乙二醇为分散基液的Cu-乙二醇导热纳米流体[11-14]，也有以纳米Cu为分散粒子，以水和乙二醇混合液为分散基液的Cu-水-乙二醇导热纳米流体[15]。但是纳米Cu颗粒在液体中的布朗运动和表面的吸附作用使得其在基液中易团聚，分散性差，产品不稳定。因此，如何控制纳米Cu粉的团聚从而制备出稳定的导热纳米流体是其实际应用的首要问题。
作者在寻找使纳米Cu粉分散于乙二醇基液的较佳分散剂及分散条件的基础上，研究了合成Cu-乙二醇导热纳米流体的较佳工艺，并研究了导热性及分散稳定机理，为今后将铜-乙二醇导热纳米流体用于工业载冷剂、电脑专用导热液体、太阳能导热液、液体导热锅等提供技术支持。
1 实验部分
1．1 试剂与仪器
纳米铜粉：苏州长湖纳米科技有公司；十二烷基苯磺酸钠(SDBS )、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)：分析纯，上海中秦化学试剂有限公司；聚乙烯醇(PVA )：实验试剂，天津市大茂化学试剂厂；三聚磷酸钠( STPP )：分析纯，烟台市双双化工有限公司；聚丙烯酰胺(PAM)：生化试剂，上海山浦化工有限公司；阿拉伯树胶(GA)：生化试剂，天津市百世化工有限公司；柠檬酸钠：分析纯，天津市光复科技发展有限公司；十二烷基硫酸钠(SDS )：分析纯，莱阳化工实验厂；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：分析纯，天津市天新精细化工开发中心；NaOH：分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司；HCl：质量分数36%，天津富宇精细化工有限公司。
KQ-50DE型数控超声波清洗器、VIS-7220G型分光光度计、H1650-W型高速台式离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；TPS2500热物性仪：瑞典Hot Disk；JSM-6701F冷场发射型SEM扫描电镜：日本电子光学公司。
1．2 Cu-乙二醇导热纳米流体的制备
将一定量Cu纳米粒子加入乙二醇中，添加一定量的分散剂，将pH调节为一定值，置于一定温度超声波清洗器中超声震荡一定时间，再将超声分散后的纳米Cu-乙二醇溶液在一定转速的条件下离心一定时间，取上层清液即为Cu-乙二醇导热纳米流体。
2 结果与讨论
2.1 分散剂的选择
在不调节pH值的情况下(pH=5～6)，配制w(纳米Cu)=1%，w(分散剂)=1%的Cu-乙二醇导热纳米流体。然后以w(分散剂)=1%的蒸馏水溶液为参比液，通过测试纳米流体的吸光度大小，来分析研究了多种分散剂的分散效果，见图1。
分散剂图1 分散剂的类型对纳米流体稳定性的影响
由图1可知，不管是阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂，还是非离子表面活性剂对Cu-乙二醇导热纳米流体都有一定的分散性，其中阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂的分散稳定机理可能为静电稳定机理；非离子表面活性剂的分散稳定机理可能为空间位阻稳定机理。并且阿拉伯树胶、三聚磷酸钠、柠檬酸钠这3种分散剂的分散效果较好，其中阿拉伯树胶的分散效果最佳。因此，作者认为Cu-乙二醇导热纳米流体的分散稳定机理可能既受到静电稳定机理的影响，也受到空间位阻稳定机理的影响。
2.2 pH值对导热纳米流体稳定性的影响
取w(纳米Cu)=1%，w(分散剂)=1%，研究了阿拉伯树胶在不同pH值下对导热纳米流体稳定性的影响，见图2。
pH图2 pH值对导热纳米流体稳定性的影响
由图2可知，pH值对Cu-乙二醇导热纳米流体的分散稳定性影响较大，其中当pH=5～6时，其分散稳定性较好。由此推断，该导热纳米流体的稳定性受到静电稳定机理的影响，该结论与前述论证的结果一致。
2.3 阿拉伯树胶的最佳投料量的确定
固定纳米Cu溶液的pH=5～6，取w(纳米Cu)=1%，研究了分散剂阿拉伯树胶的最佳投料量，见图3。
w(阿拉伯树胶)/%图3 阿拉伯树胶含量对对纳米流体稳定性的影响
由图3可知，分散剂阿拉伯树胶的最佳投料量为质量分数1%。据资料报道[16]，阿拉伯树胶是由大量的多糖(总糖质量分数在85%以上)和少量的蛋白质(质量分数约4% )组成的具有绳状缠绕结构的亲水性较好的物质。因此，在Cu-乙二醇导热纳米流体中，阿拉伯树胶的一端通过偶极-偶极作用、氢键及范德华力作用等吸附缠绕在Cu纳米颗粒的表面上,形成一层弹性的覆盖层围绕在Cu纳米颗粒周围,覆盖层被压缩将引起阿拉伯树胶链段的聚集,限制了它和周围介质的相互作用,导致自由能的增加产生排斥力；另一端溶于水中后，在水介质中充分伸展，形成水合胶体,增加了溶液中连续相的密度,形成位阻层，从而有效的阻止了分散相Cu纳米颗粒的布朗运动及重力引起的运动效应，从而减少Cu纳米颗粒间的碰撞和聚结，产生稳定作用。当w(阿拉伯树胶)<1.0%时，由于料液中阿拉伯树胶有机胶体数量较少,在每一个阿拉伯树胶长链上粘附着较多的Cu纳米胶粒,使其质量增大而聚沉，纳米流体的稳定性降低，并且随着阿拉伯树胶浓度的增大,料浆中有机胶体长链增多,其线性分子在料液中形成网络结构,Cu纳米粒子颗粒粘附其上,使Cu纳米粒子胶粒表面具有有机胶体的性质,形成亲水保护膜,使Cu纳米粒子胶粒碰撞聚沉变得困难。但当w(阿拉伯树胶)>1.0%时，由于阿拉伯树胶用量过大,过量的这一部分将会溶解在溶液中,达到一定浓度时便会与吸附于Cu纳米颗粒表面的阿拉伯树胶发生缠结,将会导致纳米颗粒相互聚集成大块而发生絮凝。
2.4 纳米Cu的最佳投料量的确定
固定纳米Cu溶液的pH=5～6，取w(阿拉伯树胶)=1%，研究了纳米Cu的最佳投料量，见图4。
由图4可知，w(纳米Cu)的最佳投料量为8%。当w(纳米Cu)<3%时，随着w(纳米Cu)减少，分散剂阿拉伯树胶用量相对过剩,过量的阿拉伯树胶将会与吸附于Cu纳米颗粒表面的阿拉伯树胶发生缠结,导致纳米颗粒相互聚集成大块而发生絮凝,因此随着w(纳米Cu)的减少Cu-乙二醇导热纳米流体的吸光度明显降低；当7%
w(纳米Cu)/%图4 w(纳米Cu)对纳米流体稳定性的影响
2.5 纳米流体的稳定性分析
将前述含不同w(纳米Cu)的Cu-乙二醇导热纳米流体，进行了静止观察，结果见图5。
w(纳米Cu)/%图5 导热纳米流体的稳定时间
由图5可知，w(纳米Cu)为8%的Cu-乙二醇导热纳米流体最稳定，其静止35 d后才有沉淀出现，该结果再次验证了纳米Cu的最佳投料量为质量分数8%，并且在该投料量下，其稳定性较其它投料量下明显，这是因为分散剂阿拉伯树胶在溶液中对纳米Cu的作用有2个，一个是分散作用，一个是絮凝沉降作用，因此离开了最佳投料量点，其稳定性影响较大。
2.6 SEM表征
为了进一步说明该导热纳米流体的分散稳定性，将该产品进行了SEM表征，其结果见图6。
图6 Cu-乙二醇导热纳米流体的SEM
由图6可知，该Cu-乙二醇导热纳米流体分散较为均匀，再次证明了合成的Cu-乙二醇导热纳米流体较稳定。
2.7 导热系数测定
在t=25 ℃下，测得Cu-乙二醇导热纳米流体的导热系数为0.429 5 W/m·K，纯乙二醇的导热系数为0.296 61 W/m·K，其Cu-乙二醇导热纳米流体的导热系数较纯乙二醇的导热系数提高了44.8%。可能是因为Cu-乙二醇导热纳米流体的热导率是分散基液之间对流与分散纳米Cu粒子之间传导综合作用的结果，根据Bruggeman模型方程，其导热率可以看作是基液和团聚体2者之和[17]，纳米Cu粒子的导热率要比乙二醇的导热率大的多，是影响纳米流体导热率的主要因素，因此纳米Cu粒子的存在使得Cu-乙二醇导热纳米流体的导热系数大幅度地有所提高。
3 结 论
(1) 采用“两步法”成功合成了Cu-乙二醇导热纳米流体；
(2) 合成Cu-乙二醇导热纳米流体的较佳分散剂为阿拉伯树胶，其分散机理不但受到静电稳定机理的影响，也受到空间位阻稳定机理的影响；
(3) 合成Cu-乙二醇导热纳米流体的较佳工艺条件：pH=5～6，分散剂阿拉伯树胶的投料量为质量分数1%，纳米Cu颗粒的投料量为质量分数8%；
(4) SEM表征表明该法合成的Cu-乙二醇导热纳米流体分散较好；
(5) 该法合成的Cu-乙二醇导热纳米流体的导热系数比纯乙二醇提高了44.8%，其稳定性较好。
参 考 文 献：
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