氧化鋅納米流體的制備及穩定性研究

王 超

（衡水學院 應用化學系，河北 衡水 053000）

1 納米流體概述

納米流體是指將納米級金屬或金屬氧化物粒子以一定的方式和比例分散于基液中制備的均勻穩定、傳熱效率高的新型換熱介質[1]。研究證明：液體的換熱系數遠小于固體的換熱系數，差別甚至達到幾個數量級。目前研究的固體粒子懸浮液中，大部分都存在粒子粒徑過大引起顆粒聚沉，導致流體不能長期穩定存在的現象，更不要說應用于換熱。還有一小部分雖然可以得到穩定的懸浮液，但是應用于換熱時會導致不同程度的設備損壞，因此，極大地限制了其在生活生產中的應用。本實驗研究的氧化鋅納米流體不僅克服了上述問題，還具有以下幾種特性[2-3]。

（1）氧化鋅顆粒粒徑很小，屬于納米級別，制成納米流體后，粒子所引起的布朗運動完全可以抵制重力，使懸浮液穩定存在。

（2）氧化鋅納米顆粒的比表面積較大，在傳熱上極大地增強了換熱效果，提高了流體的換熱效率。同時，該流體具有潤滑性，可以減輕換熱過程中對設備和管道的磨損。

（3）除上述特性外，納米氧化鋅在制備過程中還具有粒子廉價易得、制備工藝簡單、生產成本低等特點。

由于納米顆粒的體積分數、粒徑、密度、表面特性及形狀等特性[4-5]，作為換熱介質在熱導、對流換熱、熱輻射熱導等方面的應用引起人們越來越多的關注。因此，制備導熱系數高、換熱性能好、傳質效果強的納米流體也必定會促進其在能源、化工、微電子、信息等領域的發展。

2 實驗部分

2.1 實驗藥品及儀器

氧化鋅（南京埃普瑞復合材料科技有限公司），氫氧化鈉（石家莊市華迪化工工貿有限公司），十二烷基硫酸鈉（天津市大茂化學試劑廠），六偏磷酸鈉（天津市西青區辛口工業區），聚乙二醇600（石家莊市有機化工廠），十二烷基苯磺酸鈉（天津市西青區辛口工業區）。

電子分析天平（金壇市國旺實驗儀器廠），超聲波清洗機（上海汗諾儀器有限公司），循環水泵（保定蘭格恒流泵有限公司），電熱恒溫水浴鍋（北京市長風儀器儀表公司），多功能攪拌專用電機（上海普申化工機械有限公司）。

2.2 氧化鋅納米流體的制備

用電子天平準確稱量0.5 g納米氧化鋅粒子，置于250 mL的燒杯中，加入1 mL聚乙二醇600，將氧化鋅試樣的表面潤濕之后，加入一定量的分散劑十二烷基苯磺酸鈉，攪拌均勻后加入100 mL蒸餾水，再用之前配制好的氫氧化鈉溶液調節pH為8左右后，再使用超聲波分散30 min，制得氧化鋅納米流體。

2.3 上層清液和沉淀物高度的測量

本實驗測量上層清液高度和沉淀物高度兩個變量，以此來驗證納米流體的穩定性，具體實驗方法為：在比色管中加入相同高度的納米流體，靜置24 h后，分別測量上層清液和沉淀物高度，上層清液高度越小、沉淀物高度越小，說明納米流體越穩定。

3 結果與討論

本實驗的目的是制備均勻穩定、傳熱效果好的懸浮液，即氧化鋅納米流體。在不經過換熱實驗的前提下，納米流體效果好壞的評判標準是其穩定性，即比較納米流體在相同時間內上層清液的高度，上層清液高度最小的效果最佳，該條件下的納米流體最穩定。因此，將納米流體在室溫下靜置24 h后，通過測量納米流體上層清液高度得到在相應條件下最為穩定的納米流體。

3.1 納米顆粒加入量的影響

通過總結前人經驗教訓，在制備納米流體的過程中，隨著加入的納米粒子越來越多，氧化鋅納米粒子所占比例也逐漸增加，懸浮液中的分散劑-納米流體-水的穩定體系被打破，使懸浮液容易沉降。對上述數據進行整理得到納米顆粒加入量的影響結果如圖1所示。

由圖1可知，當納米氧化鋅的用量為0.5 g時，氧化鋅納米流體上層清液高度為2 mm，分散之后的穩定性較好；當氧化鋅用量超過0.5 g時，懸浮液的上層清液高度逐漸升高，穩定性逐漸下降。由于氧化鋅密度大于水，分散后很容易沉降。但其中存在一個穩定性的平衡，當加入納米粒子較多時，氧化鋅納米粒子所占比例也相應增加，懸浮液中的分散劑-納米流體-水的穩定體系就會被打破，使懸浮液容易沉降。當氧化鋅的加入量低于0.5 g時，上層清液高度也呈上升趨勢，由于納米顆粒加入量少而不能使其均勻分散到基液中，無法達到穩定狀態。總的來說，選用納米氧化鋅用量為0.5 g時，二氧化鈦納米流體穩定性最好。

圖1 納米顆粒加入量的影響結果

3.2 分散劑的影響

本實驗中用到的分散劑主要有陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、六偏磷酸鈉。通過實驗比較得到的數據如表1所示。

由表1可知，以十二烷基苯磺酸鈉為分散劑時制備的納米流體最穩定。由于六偏磷酸鈉屬于無機分散劑，相比于其他兩種來說分散效果較差。十二烷基硫酸鈉對堿和硬水不敏感，十二烷基苯磺酸鈉在堿性、弱酸性環境下可以穩定存在。

十二烷基苯磺酸鈉的作用機理是通過范德華力克服靜電排斥力而被吸附于縫隙表面，使表面因帶同種電荷導致排斥力增強以及滲透水產生滲透壓共同作用，使微粒間的黏結度降低，減少了固體粒子所需的機械功，使粒子團被碎裂成更小的晶體，并逐步均勻地分散在液體介質中。

3.3 分散方式的影響

由上述實驗結果可知，使用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑得到的納米流體最穩定。因此，通過相同的實驗步驟，配制兩份以十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑的等比例納米流體，采用不同的分散方式進行分散，所得數據如表2所示。

當超聲波在介質中傳播時，由于超聲波與介質的相互作用，介質發生物理和化學變化，產生一系列力學效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波在流體介質中形成駐波時，懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節處，在空間形成周期性堆積。因此，超聲分散效果好。

表1 分散劑的影響結果

表2 分散方式的影響結果

3.4 溶液pH的影響

基于前人的研究經驗得知，納米流體在堿性條件下較為穩定。因此，本實驗通過提前配制好的氫氧化鈉溶液，將氧化鋅納米顆粒調配成pH分別為7、8、9、10、11的納米流體，然后觀察其穩定性并記錄，將上述數據整理如圖2所示。

圖2 溶液pH的影響結果

由圖2可知，當納米流體pH為8時，氧化鋅納米流體上層清液高度為1 mm，分散之后的穩定性最好；當納米流體pH超過或低于8時，懸浮液的上層清液高度逐漸升高，穩定性逐漸下降。由于pH低于7時的溶液呈酸性，加入的分散劑不易穩定存在。當pH高于8時，隨著溶液堿性增強，溶液中OH-離子增多，與基液中的氧化鋅顆粒反應生成氫氧化鋅沉淀，使納米流體的穩定性逐漸降低。

經過上述實驗對比，可以確定添加陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，經過超聲波進行分散且溶液pH為8時，制備的納米流體穩定性最好。因此，在納米流體最優的情況下對其進行換熱實驗測試，進一步檢驗納米流體的傳熱性能。由于實驗條件有限等不良因素，本實驗存在一定的誤差。

4 結語

在制備均勻穩定的氧化鋅納米流體的實驗過程中，影響因素較多，可以通過對照實驗和平行實驗確定最優的制備條件。經過實驗分析比較得出，采用氧化鋅納米顆粒用量為0.5 g、分散劑用十二烷基苯磺酸鈉、調節反應液pH為8、采用超聲分散制備的納米流體最穩定。