CuO_水纳米流体悬浮液分散性能研究_李金凯

第 1期
李金凯 , 等 :CuO/水纳米流体悬浮液分散性能研究
11
明当超声振动时间超过 1.5 h时其分散性能较好 。
图 4 超声振动时间对 CuO/水纳米 流体 悬浮液分散性能的影响
2.2 分散剂种类和质量分数对 CuO/水纳米流体悬 浮液分散性能的影响
各种分散剂自带的基团不同 , 对颗粒表面的包 覆效果会有很大的差别 , 因此 , 分散剂的种类和用量 会影响纳米颗粒的分散性能 。 本实验中主要考虑了 SDBS、 PEG6000 及 两 者 配 合 SDBS+PEG6000 对 CuO悬浮液体系分散性能的影响 。
附层 , 中和颗粒表面的负电荷 , 降低了颗粒表面的带 电量 [ 10] , 另一方面 CuO颗粒表面吸附已达到饱和 , 多余分散剂分子自行缔合为胶束 , 胶束数目增加 , 增 大了颗粒间碰撞的几率 , 使悬浮液的性能下降[ 11] 。 同样 , 当使用 PEG6000 +SDBS作为分散剂时 , 其质 量分数为 0.06%时 , zeta电位的绝对值达到最大 , 其 变化与 SDBS相似 。
图 3 CuO/水纳米流体制 备的沉降照片
1.3 CuO/水纳米流体的分散性实验 采用美国 BIC公司生产的 PALS型 Zeta电位分
析仪测量纳米 CuO在去离子水中的 zeta电位 ;采用 美国 BackmanCounlterInc公司生产的 LS13320 型 激光粒度分析仪测量其粒度 。
用 HCl和 NaOH溶液调节悬浮液 pH值 , 经超 声振动后 , 采用上海菁华科技仪器有限公司生产的 722 可见 分光 光度 计测 定其 在 一定 波 长 入 射光 下 悬 浮液的吸光度 。
1 实 验
1.1 纳米 CuO粉体的表征 实验中使用的纳米 CuO颗粒由北京纳辰公司
提供 , 经超声振动 15 min后的 TEM照片如图 1所 示 , 从 TEM照片可以看出纳米 CuO颗粒的平均粒 径为 30 nm, 形貌为球状或类球状 , 且晶粒大小分布 均匀 。 对 CuO颗粒进行 XRD分析如图 2 所示 , 从 XRD图可以看出纳米 CuO颗粒的结晶度较好 , 由半 高宽公式计算粒径 :
在最佳的超声振动时间 1.5 h下 , 对 3种分散 剂形成的悬 浮液进行 zeta电 位测试 , 如 图 5 所示 。 从图 5中 可以看出 , 当使 用 PEG6000 作为 分散剂 时 , 其 zeta电位绝对值存 在波动 , 当 其质量分数在 0.01%左右时 zeta电位绝对值最大 , 分散性能最好 。 PEG6000是一 种非 离子 型分 散 剂 , 主要 靠空 间位 阻 [ 9] 来实 现颗粒 的分散 , 它 的高 分子 链通过 静电 力 、范德华力等吸附在 颗粒的表面上 , 能够在 CuO 粉体表面形成高分子保护膜包裹颗粒 , 把亲液性基 团伸向水中 , 使得颗粒之间产生较大的空间位阻 , 从 而达到分散的目的 。
第 24 卷第 1期 2010年 1月
济南大学学报 (自然科学版 ) JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.＆ Tech.)
文章编号 :1671 -3559(2010)01 -0009-04
CuO/水纳米流体悬浮液分散性能研究
Vol.24 No.1 Jan.2010
李金凯 , 刘宗明 , 赵蔚琳 , 管延祥
(SchoolofMaterialScienceandEngineering, UniversityofJinan, Jinan250022, China)
Abstract:CuO/H2 OnanofluidwaspreparedbyaddingCuOnanoparticlesintowater, whichisanewkindofheattransferfluid. Basedonthemeasurementofzetapotential, particlesize, absorbancyofCuOnanoparticles, theinfluencesofsupersonictime, surfactant kindsandconcentration, andpHvalueonthedispersionofCuO/H2 Osuspensionweresystematicallystudiedbyusingsuchsurfactants asionicpolyethyleneglycol6000 (PEG6000), non-ionicsodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS).TheresultsshowthatthedispersionofCuO/H2Osuspensionfirstlyincreasestoamaximumandthendecreaseswiththeincreaseofultrasonictime.Itisthesamewith theincreaseofsurfactantconcentrationandpHvalue.ThedispersionofCuOnanoparticlesexistsanoptimalultrasonicdispersiontime, dispersingagentconcentrationandpHvalue.SDBSisthebetterdispersantagentamongthetwokindsofsurfactantsusedintheexperiment.Theoptimalultrasonictimeis1.5 hthedispersingconcentrationis0.06% inmasspercentofSDBSandthepH valueis8.
(济南大学 材料科学与工程学院 , 山东 济南 250022)
摘 要 :通过在去离子水中添加纳米 CuO颗粒 , 制备一种新型 强化传 热工质 CuO/水纳 米流体 。 采用离子 型表面 活性剂
十二烷基苯磺酸钠 (SDBS)、非离子型表面活性剂聚乙二醇 6000(PEG6000)对纳米 CuO颗粒进行分散 , 并对 其 zeta电位 、粒度
d=0D.c8o9sλ θ 其中 , λ为 X衍射线波长 , D为半高宽 , θ为衍射角 , 计算得 CuO颗粒的粒径为 27.5 nm, 与 TEM结果基 本一致 。
1.2 CuO/水纳米流体的制备 在本实验中采用两步法制备 CuO/水纳米流体
悬浮液 , 即称取一定量的纳米 CuO粉体 , 直接添加
及吸光度进 行测量 。 系统研究超声 振动时间 、表面活性剂种类和 质量分数 、pH值等对 CuO/水纳米流体悬浮 液分散性能的影
响 。 实验结果 表明 , 随超声振 动时间的延 长 、分 散剂浓度及 pH值 的增加 , 纳米 CuO颗粒的 分散性均出 现先增后降 的变化规
律 ;纳米 CuO颗粒的分散存在一个最佳超声振动时间 、分散剂质量分数和 pH值 。 纳米 CuO在悬浮液中 的最佳分散 工艺条件
可改变纳米颗粒表面的性质 , 从而实现纳米颗粒的
10
济 南 大 学 学 报 (自然科学版 )
第 24卷
分散 , 抑制其团聚趋势 。 Xuan和 Li[ 6] 采用油酸作为 表面活性剂制备了 Cu/水纳米流体 。可见 , 超声振 动时间 、分散剂的种类和质量分数等都可以影响纳 米颗粒的悬浮稳定性 。本文所述实验主要研究超声 振 动 时 间 、 分 散 剂 (PEG6000, SDBS, SDBS + PEG6000)种类和最佳类型的分散剂用量 、pH值等 因素对 CuO/水纳米流体悬浮液的分散性能影响 , 并 以纳米 CuO在水基液中的粒度 、吸光度 、zeta电位等 对其分散性能进行表征 。
收稿日期 :2009 -04 -07 基金项目 :山东省自然科学基金 (SZR0708) 作者简介 :李金凯 (1985 -), 男 , 山东潍坊人 , 硕士生 ;
刘宗明 (1965 -), 男 , 山东招远人 , 教授 , 博士 , 硕 士生 导师 。
域的新局面 , 立即引起研究者的广泛关注 。 但由于
为 :超声振动时间 1.5 h, pH=8, wSDBS=0.06%。 关键词 :纳米流体 ;超声振 动 ;pH值 ;分散剂 ;分散性

中图分类号 :TB383
文献标志 码 :A
DispersionBehaviorofCuO/H2 ONanofluid
LIJin-kai, LIU Zong-ming, ZHAO Wei-lin, GUAN Yan-xiang
纳米颗粒比表面积极大 , 颗粒表面的活性极高 , 将其 添加到流体中很容易发生团聚 , 分散性能很差 。 因
此 , 纳米颗粒在悬浮液中的分散性能就成为纳米流 体强化传热所考虑的首要问题 。
通常采用超声振动来分散纳米颗粒 , 降低纳米 颗 粒 在 流 体 中 的 团 聚 。 Eastman[ 2] , Lee[ 3] , Wang 等[ 4] 采用此种方法制备了 Al2 O3 /水纳米流体 , Murshed等 [ 5] 用超声振动制备了 TiO2 /水纳米流体 。 在 悬浮液中加入表面活性剂或改变悬浮液的 pH值也
到去离子水中 , 添加适量分散剂 , 经磁力搅拌后进行 超声振动 , 配成质 量分数 为 0.1%的 CuO/水 悬浮 液 。 在制备纳米流体时发现 , 超声振动对 CuO/水悬 浮液的分散效果不明显 , 但对于添加了分散剂的纳 米流体悬浮液 , 其分散性能得到明显提高 。如图 3 所示 , 左试管是将纳米 CuO颗粒直接分散 到水中 , 颗粒已经沉降 。右试管加入了一定量的分散剂 , 其 悬浮稳定性较好 。 因此 , 分散剂的加入对于颗粒分 散性能的提高具有重要的意义 。
当使用 SDBS作为分散剂时 , zeta电位绝对值先 增大后减小 。当分散剂加入的质量分数小于 0.06% 时 , 随着分散剂的加入 , zeta电位绝对值逐渐增大 , 分散性能增加 ;当分散剂的质量分数在 0.06%左右 时 , 悬浮液 zeta电位的绝对值最大 , 分散性能最好 ; 继续添加分散剂时 , 悬浮液 zeta电位的绝对值减小 , 分散性能降低 。 因为 SDBS靠静电作用机制实现颗 粒的分散 , 它是一种阴离子型分散剂 , 在水中能电离 出阴离子 , 而 CuO颗粒在中性水介质中带正电 , 具 有强烈吸附阴离子的能力 , 中和颗粒表面的负电荷 从而使颗粒表面的电性发生改变 。在低质量分数区 时 , 随着质量分数的增加 , 颗粒表面吸附的阴离子质 量分数增加 , 从而使颗粒之间的排斥力增加 , 悬浮液 的分散性能增加 。 在高质量分数区时 , 一方面由于 SDBS中含有 Na+离子 , Na+离子进入颗粒表面的吸