文章编号:100520930(2003)0220167207中图分类号:TK124文献标识码:A①纳米颗粒悬浮液稳定性分析王补宣,李春辉,彭晓峰(清华大学热能系工程热物理所,北京100084)摘要:讨论纳米颗粒悬浮液的稳定性问题.对不同颗粒、不同基液制备的悬浮液稳定性进行了实验研究,在此基础上,探讨颗粒与基液的密度、颗粒的等效直径、基液动力粘度等因素对悬浮液稳定性的影响.结果表明:颗粒等效直径与基液动力粘度对悬浮液的稳定有决定性作用.关键词:纳米颗粒悬浮液;动力粘度;团聚;等效直径自Choi[1]提出专门命名为“纳米流体”(纳米颗粒悬浮液)以后,因其在提高流体导热系数[2]、减小壁面摩擦阻力[3]、改进光学性能[4]等方面的独特特性,引起了学术界和工程应用方面的广泛关注.悬浮液的制备是对其进行开发研究的第一步.现有悬浮液的制备方法可分为两种:一步法和两步法.所谓“一步法”就是在颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中去[5],而“两步法”则首先制成颗粒,然后通过超声波振荡、混合室高速旋转以及在悬浮液中添加分散剂、改变溶液ph值的方法,使颗粒均匀稳定地分散在基液中[2,627].因为S0=6/d(粒径为d)纳米颗粒比表面积极大,造成极高的颗粒表面能,引起悬浮液的热力学不稳定性.固体颗粒密度通常大于基液密度,在重力场中会造成悬浮液的动力学不稳定性.这些不稳定因素最终将促使颗粒沉降.但通过选取合适的颗粒种类、颗粒直径、与基液种类的匹配,可显著地改善悬浮液的稳定性,在相当长时间内保持稳定.本文利用不同基液和名义粒径为50nm的CuO和25nm的SiO2纳米颗粒制备悬浮液并进行实验.在实验基础上探讨影响悬浮液稳定性的不同因素.1稳定性实验观察由于不具备制备纳米颗粒的条件,悬浮液的制备采用两步法.初期研究中以水为基液.对名义粒径为50nmCuO颗粒的悬浮液制备中发现,不使用分散剂时,超声波振荡对改善CuO与水的悬浮液稳定性几乎没有效果,脱离超声波水浴后,颗粒会立刻沉积在试管底部.在添加了适量的分散剂后,悬浮状况改善明显,但稳定性依然很差.如图1所示.图中,悬浮液质量浓度为0.5%名义粒径为50nm、CuO颗粒和水制成.各试管在超声波水浴中进行了近10个小时的连续搅拌振荡,然后在室温下自然冷却约半个小时.图中左试管是直接将颗粒分散在水中,中间试管加进了质量浓度为1%的十二烷基硫酸钠分散第11卷2期2003年6月应用基础与工程科学学报JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGVol.11,No.2June2003①收稿日期:2003201202;修订日期:2003205212基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:5999555023)作者简介:王补宣(1922—),男,中科院院士.©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.图1CuO2水稳定性Fig.1StabilityofCuO2H2Osuspensions剂,右边试管中分散剂的浓度为3%.从图中可以看出分散剂的加入对悬浮液稳定性的改善非常明显.开始的时候,后两者的稳定效果并没有明显的不同,但2天后,分散剂浓度高的悬浮液的稳定性显示出比浓度低的悬浮液的稳定性好.考虑到基液动力粘度对颗粒沉降的影响,使用粘度较大的乙二醇、丙三醇(甘油)作为基液进行实验,得到较好的稳定效果.从表1中可以看出,这些基液的密度、极性和水差不多,但动力粘度都比水大很多.悬浮液的制备过程和图1所示的相同,图2是在室温中放置1个小时后的图片.表1基液在20℃时的物性参数[829]Table1Propertiesofbasefluidsat20℃种类密度1000kg/m3相对介电常数动力粘度104×(N·S/m2)导热系数W/m·K水0.99880100.599乙二醇1.113391990.258丙三醇(甘油)1.26043148000.286图2不同CuO悬浮液稳定性实验Fig.2StabilityofdifferentCuOsuspensions图2a左侧试管为颗粒浓度5kg/m3CuO与水的悬浮液,中间试管为颗粒浓度5kg/m3CuO与甘油(丙三醇)的悬浮液,右侧试管为颗粒浓度5kg/m3CuO与乙二醇的悬浮液.从实验观测与图中效果可以看出,基液粘度的增加明显提高了悬浮液稳定性.图2b左侧试管为颗粒浓度5kg/m3CuO与水的悬浮液,中间试管为颗粒浓度10kg/m3CuO与甘油(丙三醇)的悬浮液,右侧试管为颗粒浓度10kg/m3CuO表220℃时CuO与SiO2颗粒的物性[829]Table2PropertiesofCuO,SiO2at20℃种类密度1000kg/m3导热系数W/m·KSiO22.6410.46CuO6.4395.17(Cu)与乙二醇的悬浮液.虽然...
