氧化锌纳米流体的制备及稳定性研究

王 超

（衡水学院 应用化学系，河北 衡水 053000）

1 纳米流体概述

纳米流体是指将纳米级金属或金属氧化物粒子以一定的方式和比例分散于基液中制备的均匀稳定、传热效率高的新型换热介质[1]。研究证明：液体的换热系数远小于固体的换热系数，差别甚至达到几个数量级。目前研究的固体粒子悬浮液中，大部分都存在粒子粒径过大引起颗粒聚沉，导致流体不能长期稳定存在的现象，更不要说应用于换热。还有一小部分虽然可以得到稳定的悬浮液，但是应用于换热时会导致不同程度的设备损坏，因此，极大地限制了其在生活生产中的应用。本实验研究的氧化锌纳米流体不仅克服了上述问题，还具有以下几种特性[2-3]。

（1）氧化锌颗粒粒径很小，属于纳米级别，制成纳米流体后，粒子所引起的布朗运动完全可以抵制重力，使悬浮液稳定存在。

（2）氧化锌纳米颗粒的比表面积较大，在传热上极大地增强了换热效果，提高了流体的换热效率。同时，该流体具有润滑性，可以减轻换热过程中对设备和管道的磨损。

（3）除上述特性外，纳米氧化锌在制备过程中还具有粒子廉价易得、制备工艺简单、生产成本低等特点。

由于纳米颗粒的体积分数、粒径、密度、表面特性及形状等特性[4-5]，作为换热介质在热导、对流换热、热辐射热导等方面的应用引起人们越来越多的关注。因此，制备导热系数高、换热性能好、传质效果强的纳米流体也必定会促进其在能源、化工、微电子、信息等领域的发展。

2 实验部分

2.1 实验药品及仪器

氧化锌（南京埃普瑞复合材料科技有限公司），氢氧化钠（石家庄市华迪化工工贸有限公司），十二烷基硫酸钠（天津市大茂化学试剂厂），六偏磷酸钠（天津市西青区辛口工业区），聚乙二醇600（石家庄市有机化工厂），十二烷基苯磺酸钠（天津市西青区辛口工业区）。

电子分析天平（金坛市国旺实验仪器厂），超声波清洗机（上海汗诺仪器有限公司），循环水泵（保定兰格恒流泵有限公司），电热恒温水浴锅（北京市长风仪器仪表公司），多功能搅拌专用电机（上海普申化工机械有限公司）。

2.2 氧化锌纳米流体的制备

用电子天平准确称量0.5 g纳米氧化锌粒子，置于250 mL的烧杯中，加入1 mL聚乙二醇600，将氧化锌试样的表面润湿之后，加入一定量的分散剂十二烷基苯磺酸钠，搅拌均匀后加入100 mL蒸馏水，再用之前配制好的氢氧化钠溶液调节pH为8左右后，再使用超声波分散30 min，制得氧化锌纳米流体。

2.3 上层清液和沉淀物高度的测量

本实验测量上层清液高度和沉淀物高度两个变量，以此来验证纳米流体的稳定性，具体实验方法为：在比色管中加入相同高度的纳米流体，静置24 h后，分别测量上层清液和沉淀物高度，上层清液高度越小、沉淀物高度越小，说明纳米流体越稳定。

3 结果与讨论

本实验的目的是制备均匀稳定、传热效果好的悬浮液，即氧化锌纳米流体。在不经过换热实验的前提下，纳米流体效果好坏的评判标准是其稳定性，即比较纳米流体在相同时间内上层清液的高度，上层清液高度最小的效果最佳，该条件下的纳米流体最稳定。因此，将纳米流体在室温下静置24 h后，通过测量纳米流体上层清液高度得到在相应条件下最为稳定的纳米流体。

3.1 纳米颗粒加入量的影响

通过总结前人经验教训，在制备纳米流体的过程中，随着加入的纳米粒子越来越多，氧化锌纳米粒子所占比例也逐渐增加，悬浮液中的分散剂-纳米流体-水的稳定体系被打破，使悬浮液容易沉降。对上述数据进行整理得到纳米颗粒加入量的影响结果如图1所示。

由图1可知，当纳米氧化锌的用量为0.5 g时，氧化锌纳米流体上层清液高度为2 mm，分散之后的稳定性较好；当氧化锌用量超过0.5 g时，悬浮液的上层清液高度逐渐升高，稳定性逐渐下降。由于氧化锌密度大于水，分散后很容易沉降。但其中存在一个稳定性的平衡，当加入纳米粒子较多时，氧化锌纳米粒子所占比例也相应增加，悬浮液中的分散剂-纳米流体-水的稳定体系就会被打破，使悬浮液容易沉降。当氧化锌的加入量低于0.5 g时，上层清液高度也呈上升趋势，由于纳米颗粒加入量少而不能使其均匀分散到基液中，无法达到稳定状态。总的来说，选用纳米氧化锌用量为0.5 g时，二氧化钛纳米流体稳定性最好。

图1 纳米颗粒加入量的影响结果

3.2 分散剂的影响

本实验中用到的分散剂主要有阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、六偏磷酸钠。通过实验比较得到的数据如表1所示。

由表1可知，以十二烷基苯磺酸钠为分散剂时制备的纳米流体最稳定。由于六偏磷酸钠属于无机分散剂，相比于其他两种来说分散效果较差。十二烷基硫酸钠对碱和硬水不敏感，十二烷基苯磺酸钠在碱性、弱酸性环境下可以稳定存在。

十二烷基苯磺酸钠的作用机理是通过范德华力克服静电排斥力而被吸附于缝隙表面，使表面因带同种电荷导致排斥力增强以及渗透水产生渗透压共同作用，使微粒间的黏结度降低，减少了固体粒子所需的机械功，使粒子团被碎裂成更小的晶体，并逐步均匀地分散在液体介质中。

3.3 分散方式的影响

由上述实验结果可知，使用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠作为分散剂得到的纳米流体最稳定。因此，通过相同的实验步骤，配制两份以十二烷基苯磺酸钠作为分散剂的等比例纳米流体，采用不同的分散方式进行分散，所得数据如表2所示。

当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，介质发生物理和化学变化，产生一系列力学效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波在流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性堆积。因此，超声分散效果好。

表1 分散剂的影响结果

表2 分散方式的影响结果

3.4 溶液pH的影响

基于前人的研究经验得知，纳米流体在碱性条件下较为稳定。因此，本实验通过提前配制好的氢氧化钠溶液，将氧化锌纳米颗粒调配成pH分别为7、8、9、10、11的纳米流体，然后观察其稳定性并记录，将上述数据整理如图2所示。

图2 溶液pH的影响结果

由图2可知，当纳米流体pH为8时，氧化锌纳米流体上层清液高度为1 mm，分散之后的稳定性最好；当纳米流体pH超过或低于8时，悬浮液的上层清液高度逐渐升高，稳定性逐渐下降。由于pH低于7时的溶液呈酸性，加入的分散剂不易稳定存在。当pH高于8时，随着溶液碱性增强，溶液中OH-离子增多，与基液中的氧化锌颗粒反应生成氢氧化锌沉淀，使纳米流体的稳定性逐渐降低。

经过上述实验对比，可以确定添加阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，经过超声波进行分散且溶液pH为8时，制备的纳米流体稳定性最好。因此，在纳米流体最优的情况下对其进行换热实验测试，进一步检验纳米流体的传热性能。由于实验条件有限等不良因素，本实验存在一定的误差。

4 结语

在制备均匀稳定的氧化锌纳米流体的实验过程中，影响因素较多，可以通过对照实验和平行实验确定最优的制备条件。经过实验分析比较得出，采用氧化锌纳米颗粒用量为0.5 g、分散剂用十二烷基苯磺酸钠、调节反应液pH为8、采用超声分散制备的纳米流体最稳定。