多壁碳纳米管冷冻机油密度和热导率的实验研究

陈梦寻，张华，娄江峰，张博涵（上海理工大学能源与动力工程学院，上海0009；浙江盾安人工环境设备股份有限公司，浙江 诸暨85；大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连606）



研究开发

多壁碳纳米管冷冻机油密度和热导率的实验研究

陈梦寻1，张华1，娄江峰2，张博涵3
（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2浙江盾安人工环境设备股份有限公司，浙江 诸暨311835；3大连海事大学轮机工程学院，辽宁 大连116026）

摘要：采用超声振荡的方法制备稳定性良好的多壁碳纳米管冷冻机油。在不同温度(20～80℃)下，利用密度计和热导率测试系统对不同浓度的多壁碳纳米管冷冻机油（MWCNTs的质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）进行测试和分析。实验结果表明：冷冻机油的密度随MWCNTs质量分数的增加而增大，随温度的升高而减小；冷冻机油的热导率随MWCNTs质量分数的增大而增大，随温度的升高而增大，其中，热导率增大的效果随质量分数增加较随温度升高更为明显。当多壁碳纳米管质量分数为 2%、温度为 80℃时，纳米冷冻机油的热导率可达到0.1637W/(m·K)，较同温度下纯RL68H冷冻机油热导率增大9.13%。

关键词：多壁碳纳米管；制备；纳米粒子； 分散；密度；热导率

第一作者：陈梦寻（1992—），女，硕士研究生，主要从事纳米制冷技术的研究。E-mail 1090357452@qq.com。联系人：张华，教授，博士生导师，主要从事制冷空调与新能源利用方向的研究。E-mail zhanghua3000@163.com。

纳米制冷剂是指将纳米颗粒添加到制冷剂中得到的稳定悬浮液，可应用于制冷、空调和热泵系统中。纳米颗粒的添加可以提高润滑油和制冷剂的溶解度[1]，提高流体的热物理性能和传热性能，在很多设备中应用均有良好的性能体现[2]。已有的研究发现，在家用冰箱和家用空调系统中，纳米颗粒的添加可以使制冷系统的性能系数提高、节能效果明显、运行稳定[3-6]，其中，换热是非常重要的过程，增强换热系统的性能可以减少能源消耗[7]。此外，纳米颗粒的添加可降低摩擦系数，提高压缩机的工作性能[8-9]。密度和热导率是纳米冷冻机油的基本物性参数，热导率与换热效果有很强的关联性，实验测量分析纳米冷冻机油的密度和热导率是分析和应用纳米冷冻机油的前提，有非常重要的研究意义。

目前，关于纳米流体热导率的实验研究已有一些成果，大部分的研究都集中在Al2O3、CuO、ZnO、Fe3O4、MgO、TiO2等氧化粒子方面[10-12]，研究成果显示，纳米材料的添加对纳米流体热导率有不同程度的提高作用。LIU等[13]用化学还原方法制备了体积分数为0.1%的Cu/水纳米流体，测试发现热导率增加23.8%。HWANG等[14]提出，纳米粒子的热导率对纳米流体热导率提高有很大影响。本次实验选用的多壁碳纳米管材料是碳的同素异形体，具有非常大的长径比和良好的传热性能，沿着长度方向的热交换性能很高，刚度和强度性能比铁好几千倍，优越的热性能使其在很多领域都有应用[15]，研究将其添加到冷冻机油后的热物性能很有意义。

本文配制了质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2%的多壁碳纳米管冷冻机油，用密度计和热导率测试系统对不同浓度下，温度区间为20～80℃，冷冻机油的密度和热导率进行测量，整理数据并分析了纳米冷冻机油的密度和热导率随浓度和温度的变化关系，为纳米冷冻机油的相关研究提供了必要的数据基础和理论分析。

1 纳米冷冻机油的制备

为单纯研究纳米材料本身的热物性能，避免添加分散剂对密度和热导率测量的影响，实验选用氨基化多壁碳纳米管作为纳米材料，用利凯玛系列冷冻机油RL68H为冷冻机油，采用超声振荡的方法制备，超声波清洗器的型号为KQ3200DE。利凯玛系列冷冻机油 RL68H常作为压缩机的润滑油用于制冷系统中。制备步骤如下:首先，按质量分数将一定量已化学修饰的氨基化多壁碳纳米管加入冷冻机油中，混合均匀后再将其放入超声波清洗器，在60℃恒温水浴中超声振荡1h，即可配得某一浓度下的MWCNTs冷冻机油，纳米颗粒和冷冻机油的质量均用电子分析天平测得。MWCNTs冷冻机油的浓度统一选用质量分数而不是体积分数，是为了避免体积读数中因目测产生的随机误差较大导致实验结果不准确。如图1所示，从左至右分别为浓度0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的纳米冷冻机油，图1(a)为刚制备好的纳米冷冻机油，图1(b)为静置7天的纳米冷冻机油，可观察到，纳米冷冻机油在静置7天后没有出现分层和明显沉淀，稳定性良好。密度和热导率的测量在5天内完成，因此实验过程中的纳米冷冻机油分散稳定。

图1 不同质量分数纳米冷冻机油沉降图片

2 实验仪器和实验步骤

实验所用密度计是 Anton Paar生产的型号为DMA4500M 的数字式密度计（测量范围为 0～3g/cm3，测量准确度:密度 5×10–5g/cm3，温度0.03℃），具有进样自动检测功能和热平衡功能。

密度测量中，先对仪器进行校正，设定温度后，用注射器将待测样本（质量分数为 0.5%、1.0%、1.5%、2%的MWCNTs冷冻机油）缓慢注入测量池，测试完后，调节下一个温度点继续测量。实验所测的温度范围为20～80℃，每隔10℃测量一次。每次换浓度测量前，需对仪器进行清洗和干燥，必要时应对仪器校正后再进行下一组数据的测量。

测量热导率所用的仪器是Hot Disk TPS2500S型热常数分析仪，另配有恒温水浴、测量探头、稳压电源等。测试系统介绍见参考文献[16]。

仪器的测量方法是瞬间平面热源法，在低功率下快速加热，软件读取探头温升等数据分析得出不同质量分数（0.5%、1.0%、1.5%、2%）MWCNTs冷冻机油的热导率。操作中，待恒温水浴和不锈钢模块温度稳定后，根据热常数分析仪的使用说明书和娄江峰等[16]的实验经验，实验在0.005W加热功率下，通电时间20s，测量热导率数值，测量5次记平均值，以减小随机误差。实验继续测量了不同温度（20℃、40℃、60℃、80℃）下热导率的数值，以探究温度变化对热导率的影响。

实验另对纯 RL68H冷冻机油在不同温度下的密度和热导率进行测量，作为后续对比分析的参照。

3 实验结果和分析

3.1 纳米冷冻机油的密度

图2为不同温度下纳米冷冻机油密度随浓度的变化情况。由图2可知，多壁碳纳米管质量分数越高，纳米冷冻机油密度越大，影响程度越明显，且在不同温度下均体现了很好的一致性。

图3为不同浓度下纳米冷冻机油密度随温度的变化趋势，由图3可知，纳米冷冻机油的密度随温度升高线性下降，且不同浓度下下降斜率一致，每升温10℃，密度均降低0.007g/cm3。实验结果表明，多壁碳纳米管冷冻机油密度随温度变化的规律和纯油（RL68H）相同，且规律性不随浓度的增减而变化。纳米冷冻机油密度与温度的线性关系同时也佐证了实验配制的纳米冷冻机油分散稳定性良好。

3.2 纳米冷冻机油的热导率

实验测得5组不同浓度下（质量分数为0、0.5%、 1.0%、1.5%、2.0%）的多壁碳纳米管冷冻机油的热导率随温度变化的数据，整理后用Origin制图如图4～图6。

图2 不同温度纳米冷冻机油密度随浓度的变化

图4 不同温度、浓度下纳米冷冻机油热导率

图5 不同温度纳米冷冻机油热导率随浓度变化

图6 不同浓度纳米冷冻机油热导率随温度变化

图4所示的是不同温度、浓度下纳米冷冻机油的热导率。图5、图6是纳米冷冻机油的相对热导率随温度、浓度的变化情况。相对热导率是指添加纳米材料冷冻机油的热导率与纯 RL68H冷冻机油热导率的比值。图5所示的是不同温度下纳米冷冻机油相对热导率随MWCNTs质量分数变化的曲线，由图5可看出，多壁碳纳米管的添加对RL68H的热导率有一定的提高作用，当MWCNTs质量分数增加时，纳米冷冻机油相对热导率增大，曲线斜率变大，说明颗粒浓度越大，影响效果越明显，这与李强等[17]研究的结论相同。图6所示的是一定浓度下，纳米冷冻机油相对热导率随温度的变化情况，由图6可知，随温度升高，纳米冷冻机油相对热导率稍有上升趋势。这与ESFE等[18]研究成果相似:在低浓度（体积分数）下，纳米冷冻机油相对热导率随温度升高效果不明显。

实验探究纳米冷冻机油热导率上升的机理主要是两个方面:随着多壁碳纳米管质量分数的提高，流体中分散的纳米颗粒增多，布朗运动中碰撞概率增大；随着温度升高，粒子携带的能量增大，布朗运动中粒子的碰撞更剧烈。多壁碳纳米管浓度的增加和流体温度的升高都增强了布朗运动中粒子的碰撞作用，其中，纳米颗粒质量分数的影响效果更为明显。

4 结 论

将修饰好的氨基化多壁碳纳米管与 RL68H冷冻机油混合，超声振荡后制得的纳米冷冻机油稳定性良好。实验对制备好的多壁碳纳米管冷冻机油进行密度和热导率的测量，得到以下结论。

（1）多壁碳纳米管冷冻机油的密度随颗粒浓度的增大而增大，随温度的升高而减小，且随温度呈一致线性变化，每升温 10℃，密度均降低0.007g/cm3。

（2）多壁碳纳米管冷冻机油的热导率随颗粒浓度的增大和温度的升高而增大，颗粒浓度的影响更明显。当多壁碳纳米管质量分数为 2%时，在温度为 80℃下的多壁碳纳米管冷冻机油的热导率可达到0.1637W/(m·K)，较同温度下纯RL68H冷冻机油热导率增大9.13%。

参 考 文 献

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Experimental study on density and thermal conductivity of multiwalled carbon nanotube nanolubricate

CHEN Mengxun1，ZHANG Hua1，LOU Jiangfeng2，ZHANG Bohan3
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093 China;2Zhejiang DUN’AN Artificial Environmental Equipment Co.，Ltd.，Zhuji 311835，Zhejiang，China；3College of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China）

Abstract：Multiwalled carbon nanotube nano-oil with good stability were prepared by ultrasonic vibration methods. Under different temperatures (20—80℃)，density and thermal conductivity of the multiwalled carbon nanotube nano-oil (MWCNTs mass fraction were 0.5%，1.0%，1.5%，2.0%) were investigated experimentally by using density meter and the thermal conductivity test system. The experimental results show that the density of the multiwalled carbon nanotube nano-oil increases with an increase of nanoparticles mass fractions，and decreases as temperature，while the thermal conductivity increases with nanoparticles mass fractions and temperature. Among them，the effect of the thermal conductivity increasing with mass fraction is more apparent than that with temperature. When the mass fraction of multi-walled carbon nanotubes is 2% and temperature is 80℃，the thermal conductivity of MWCNTs nano-oil could reach 0.1637W/(m·K)，increased by 9.13% compared with that of pure RL68H under the same temperature.

Key words：multiwalled carbon nanotube; preparation; nanoparticles; dispersion; density; thermal conductivity

中图分类号：TB 61+2；TB 383

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1490-04

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.033

收稿日期：2015-08-07；修改稿日期：2015-09-11。

基金项目：国家自然科学基金（51176124）、上海市曙光计划（跟踪）项目（10GG21）及上海市研究生创新基金（JWCXSL1101）项目。