Cu-乙二醇導熱納米流體的合成及分散穩定性研究*

張飛龍，許喜偉，王東亮，王 剛，王 莉

(1.蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

導熱納米流體是以一定的方式和比例將納米級金屬(或非金屬)、金屬氧化物(或非金屬氧化物)等粒子分散到水、醇及油等介質中制備而成的導熱介質[1-2]，其概念最早由美國Argonne國家實驗室的Choi[1]提出。由于納米粒子的高導熱性及小尺寸效應，使得納米流體的導熱能力大幅度增加，且不會發生磨損和管道堵塞現象，故其作為傳熱工質具有良好的應用前景，是熱能工程領域的創新性研究[3-4]。

Cu-乙二醇導熱納米流體是納米Cu粉在乙二醇基液中分散而得到的懸浮液。由于其優良的導熱性和低溫性而引起國內外專家的廣泛關注[5-10]。研究合成的產品有以納米Cu為分散粒子，以乙二醇為分散基液的Cu-乙二醇導熱納米流體[11-14]，也有以納米Cu為分散粒子，以水和乙二醇混合液為分散基液的Cu-水-乙二醇導熱納米流體[15]。但是納米Cu顆粒在液體中的布朗運動和表面的吸附作用使得其在基液中易團聚，分散性差，產品不穩定。因此，如何控制納米Cu粉的團聚從而制備出穩定的導熱納米流體是其實際應用的首要問題。

作者在尋找使納米Cu粉分散于乙二醇基液的較佳分散劑及分散條件的基礎上，研究了合成Cu-乙二醇導熱納米流體的較佳工藝，并研究了導熱性及分散穩定機理，為今后將銅-乙二醇導熱納米流體用于工業載冷劑、電腦專用導熱液體、太陽能導熱液、液體導熱鍋等提供技術支持。

1 實驗部分

1．1 試劑與儀器

納米銅粉：蘇州長湖納米科技有公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS )、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)：分析純，上海中秦化學試劑有限公司；聚乙烯醇(PVA )：實驗試劑，天津市大茂化學試劑廠；三聚磷酸鈉( STPP )：分析純，煙臺市雙雙化工有限公司；聚丙烯酰胺(PAM)：生化試劑，上海山浦化工有限公司；阿拉伯樹膠(GA)：生化試劑，天津市百世化工有限公司；檸檬酸鈉：分析純，天津市光復科技發展有限公司；十二烷基硫酸鈉(SDS )：分析純，萊陽化工實驗廠；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)：分析純，天津市天新精細化工開發中心；NaOH：分析純，天津市德恩化學試劑有限公司；HCl：質量分數36%，天津富宇精細化工有限公司。

KQ-50DE型數控超聲波清洗器、VIS-7220G型分光光度計、H1650-W型高速臺式離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；TPS2500熱物性儀：瑞典Hot Disk；JSM-6701F冷場發射型SEM掃描電鏡：日本電子光學公司。

1．2 Cu-乙二醇導熱納米流體的制備

將一定量Cu納米粒子加入乙二醇中，添加一定量的分散劑，將pH調節為一定值，置于一定溫度超聲波清洗器中超聲震蕩一定時間，再將超聲分散后的納米Cu-乙二醇溶液在一定轉速的條件下離心一定時間，取上層清液即為Cu-乙二醇導熱納米流體。

2 結果與討論

2.1 分散劑的選擇

在不調節pH值的情況下(pH=5～6)，配制w(納米Cu)=1%，w(分散劑)=1%的Cu-乙二醇導熱納米流體。然后以w(分散劑)=1%的蒸餾水溶液為參比液，通過測試納米流體的吸光度大小，來分析研究了多種分散劑的分散效果，見圖1。

分散劑圖1 分散劑的類型對納米流體穩定性的影響

由圖1可知，不管是陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑，還是非離子表面活性劑對Cu-乙二醇導熱納米流體都有一定的分散性，其中陰離子表面活性劑或陽離子表面活性劑的分散穩定機理可能為靜電穩定機理；非離子表面活性劑的分散穩定機理可能為空間位阻穩定機理。并且阿拉伯樹膠、三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉這3種分散劑的分散效果較好，其中阿拉伯樹膠的分散效果最佳。因此，作者認為Cu-乙二醇導熱納米流體的分散穩定機理可能既受到靜電穩定機理的影響，也受到空間位阻穩定機理的影響。

2.2 pH值對導熱納米流體穩定性的影響

取w(納米Cu)=1%，w(分散劑)=1%，研究了阿拉伯樹膠在不同pH值下對導熱納米流體穩定性的影響，見圖2。

pH圖2 pH值對導熱納米流體穩定性的影響

由圖2可知，pH值對Cu-乙二醇導熱納米流體的分散穩定性影響較大，其中當pH=5～6時，其分散穩定性較好。由此推斷，該導熱納米流體的穩定性受到靜電穩定機理的影響，該結論與前述論證的結果一致。

2.3 阿拉伯樹膠的最佳投料量的確定

固定納米Cu溶液的pH=5～6，取w(納米Cu)=1%，研究了分散劑阿拉伯樹膠的最佳投料量，見圖3。

w(阿拉伯樹膠)/%圖3 阿拉伯樹膠含量對對納米流體穩定性的影響

由圖3可知，分散劑阿拉伯樹膠的最佳投料量為質量分數1%。據資料報道[16]，阿拉伯樹膠是由大量的多糖(總糖質量分數在85%以上)和少量的蛋白質(質量分數約4% )組成的具有繩狀纏繞結構的親水性較好的物質。因此，在Cu-乙二醇導熱納米流體中，阿拉伯樹膠的一端通過偶極-偶極作用、氫鍵及范德華力作用等吸附纏繞在Cu納米顆粒的表面上,形成一層彈性的覆蓋層圍繞在Cu納米顆粒周圍,覆蓋層被壓縮將引起阿拉伯樹膠鏈段的聚集,限制了它和周圍介質的相互作用,導致自由能的增加產生排斥力；另一端溶于水中后，在水介質中充分伸展，形成水合膠體,增加了溶液中連續相的密度,形成位阻層，從而有效的阻止了分散相Cu納米顆粒的布朗運動及重力引起的運動效應，從而減少Cu納米顆粒間的碰撞和聚結，產生穩定作用。當w(阿拉伯樹膠)<1.0%時，由于料液中阿拉伯樹膠有機膠體數量較少,在每一個阿拉伯樹膠長鏈上粘附著較多的Cu納米膠粒,使其質量增大而聚沉，納米流體的穩定性降低，并且隨著阿拉伯樹膠濃度的增大,料漿中有機膠體長鏈增多,其線性分子在料液中形成網絡結構,Cu納米粒子顆粒粘附其上,使Cu納米粒子膠粒表面具有有機膠體的性質,形成親水保護膜,使Cu納米粒子膠粒碰撞聚沉變得困難。但當w(阿拉伯樹膠)>1.0%時，由于阿拉伯樹膠用量過大,過量的這一部分將會溶解在溶液中,達到一定濃度時便會與吸附于Cu納米顆粒表面的阿拉伯樹膠發生纏結,將會導致納米顆粒相互聚集成大塊而發生絮凝。

2.4 納米Cu的最佳投料量的確定

固定納米Cu溶液的pH=5～6，取w(阿拉伯樹膠)=1%，研究了納米Cu的最佳投料量，見圖4。

由圖4可知，w(納米Cu)的最佳投料量為8%。當w(納米Cu)<3%時，隨著w(納米Cu)減少，分散劑阿拉伯樹膠用量相對過剩,過量的阿拉伯樹膠將會與吸附于Cu納米顆粒表面的阿拉伯樹膠發生纏結,導致納米顆粒相互聚集成大塊而發生絮凝,因此隨著w(納米Cu)的減少Cu-乙二醇導熱納米流體的吸光度明顯降低；當7%8%時，隨著w(納米Cu)增加，使得納米Cu粒子的碰撞機會加大，表面活性較強的納米Cu粒子經多次的碰撞就會團聚下沉，因此隨著w(納米Cu)的增加其吸光度明顯的降低。

w(納米Cu)/%圖4 w(納米Cu)對納米流體穩定性的影響

2.5 納米流體的穩定性分析

將前述含不同w(納米Cu)的Cu-乙二醇導熱納米流體，進行了靜止觀察，結果見圖5。

w(納米Cu)/%圖5 導熱納米流體的穩定時間

由圖5可知，w(納米Cu)為8%的Cu-乙二醇導熱納米流體最穩定，其靜止35 d后才有沉淀出現，該結果再次驗證了納米Cu的最佳投料量為質量分數8%，并且在該投料量下，其穩定性較其它投料量下明顯，這是因為分散劑阿拉伯樹膠在溶液中對納米Cu的作用有2個，一個是分散作用，一個是絮凝沉降作用，因此離開了最佳投料量點，其穩定性影響較大。

2.6 SEM表征

為了進一步說明該導熱納米流體的分散穩定性，將該產品進行了SEM表征，其結果見圖6。

圖6 Cu-乙二醇導熱納米流體的SEM

由圖6可知，該Cu-乙二醇導熱納米流體分散較為均勻，再次證明了合成的Cu-乙二醇導熱納米流體較穩定。

2.7 導熱系數測定

在t=25 ℃下，測得Cu-乙二醇導熱納米流體的導熱系數為0.429 5 W/m·K，純乙二醇的導熱系數為0.296 61 W/m·K，其Cu-乙二醇導熱納米流體的導熱系數較純乙二醇的導熱系數提高了44.8%。可能是因為Cu-乙二醇導熱納米流體的熱導率是分散基液之間對流與分散納米Cu粒子之間傳導綜合作用的結果，根據Bruggeman模型方程，其導熱率可以看作是基液和團聚體2者之和[17]，納米Cu粒子的導熱率要比乙二醇的導熱率大的多，是影響納米流體導熱率的主要因素，因此納米Cu粒子的存在使得Cu-乙二醇導熱納米流體的導熱系數大幅度地有所提高。

3 結 論

(1) 采用“兩步法”成功合成了Cu-乙二醇導熱納米流體；

(2) 合成Cu-乙二醇導熱納米流體的較佳分散劑為阿拉伯樹膠，其分散機理不但受到靜電穩定機理的影響，也受到空間位阻穩定機理的影響；

(3) 合成Cu-乙二醇導熱納米流體的較佳工藝條件：pH=5～6，分散劑阿拉伯樹膠的投料量為質量分數1%，納米Cu顆粒的投料量為質量分數8%；

(4) SEM表征表明該法合成的Cu-乙二醇導熱納米流體分散較好；

(5) 該法合成的Cu-乙二醇導熱納米流體的導熱系數比純乙二醇提高了44.8%，其穩定性較好。

參 考 文 獻：

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