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納米TiO_2表面性質(zhì)和表面活性劑對(duì)納米流體物性的影響
來(lái)源:韓曉雪 瀏覽 793 次 發(fā)布時(shí)間:2022-10-28
納米流體作為一種新型高效的換熱介質(zhì),不僅可以強(qiáng)化傳熱,還可以提升能源利用率,因而納米流體已經(jīng)在光熱太陽(yáng)能、電子冷卻、航空航天、核能、散熱、冶金工業(yè)等眾多領(lǐng)域均得到了不同程度的應(yīng)用。表面張力與粘度均為納米流體的一種物化性質(zhì),是其重要的物性參數(shù)之一。表面張力的大小影響著氣體與液體分子之間的質(zhì)交換,粘度的大小直接影響著液體的換熱和流動(dòng)過(guò)程。納米流體的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的必要條件,對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面改性和在納米流體中添加表面活性劑是增強(qiáng)流體穩(wěn)定性的兩種重要手段。
本文以親水型和親水親油型納米TiO2與去離子水(DIW)通過(guò)兩步法形成的納米流體為主要研究對(duì)象,以降低納米流體的表面張力和粘度為目的,探討表面性質(zhì)不同的納米顆粒對(duì)納米流體表面張力和粘度的不同影響,以及表面活性劑對(duì)表面性質(zhì)不同的納米顆粒形成的納米流體粘度的影響。研究發(fā)現(xiàn):無(wú)論親水型TiO2-DIW納米流體還是親水親油型TiO2-DIW納米流體,其表面張力均隨溫度的升高而減小。加入親水型納米TiO2,納米流體的表面張力高于去離子水,且隨TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。而加入親水親油型納米TiO2,納米流體的表面張力低于去離子水,且隨TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。
不同表面性質(zhì)的納米TiO2對(duì)納米流體表面張力的影響正好相反,此結(jié)論可以通過(guò)Gibbs吸附等溫式計(jì)算出的不同表面性質(zhì)TiO2的吸附過(guò)剩量解釋。親水型納米顆粒更容易分散在溶液內(nèi)部,使自由表面的水分子被更強(qiáng)的向內(nèi)拉,從而增大表面張力。相反地,親水親油型納米顆粒更容易聚集在自由表面上,使流體內(nèi)和自由表面區(qū)域水分子之間的吸引力減小,從而降低了表面張力。親水型與親水親油型TiO2-DIW納米流體的粘度隨溫度的上升而減小,隨TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,且二者均高于去離子水的粘度。當(dāng)納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí),親水型TiO2-DIW納米流體的粘度大于親水親油型TiO2-DIW納米流體的粘度。納米顆粒表面親水/疏水性對(duì)納米流體粘度的影響可以用斯托克斯-愛(ài)因斯坦擴(kuò)散方程解釋。
在極性溶劑中,親水型納米顆粒的等效半徑比疏水型納米顆粒的等效半徑大,擴(kuò)散系數(shù)小,因而使納米流體的粘度升高更大。表面活性劑不僅可以提高納米流體的穩(wěn)定性,同時(shí)也將影響流體的粘度。十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對(duì)去離子水和TiO2-去離子水納米流體粘度的影響一致。流體粘度均隨表面活性劑濃度的增加,而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。對(duì)于去離子水,表面活性劑既可以弱化水分子之間的氫鍵作用,又會(huì)增加流體中分子或離子之間的相互作用;對(duì)于納米流體,表面活性劑不僅降低了聚集效應(yīng),減小了聚集體的有效直徑,同時(shí)隨著表面活性劑的增加,聚集體的有效體積分?jǐn)?shù)增大。
因此,隨表面活性劑濃度的增加,去離子水與納米流體的粘度均先減小后增大,且親水型TiO2-水納米流體的粘度高于親水親油型TiO2-水納米流體的粘度。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于某一合適的分形維數(shù)(Df),模型擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致,但親水型與親水親油型Ti02-DIW納米流體的最佳分形維數(shù)不同,分別為2.4和2.7。以修正后的Smoluchowski粘度模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到的納米流體中納米顆粒的有效體積分?jǐn)?shù)是可靠的。而且,無(wú)論所加入的納米TiO2是親水型還是親水親油型,在考慮了電粘滯效應(yīng)并采用分形理論處理納米顆粒的團(tuán)聚效應(yīng)后,納米流體的粘度與納米顆粒有效體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系符合愛(ài)因斯坦方程。
因此,可以推測(cè)認(rèn)為納米顆粒在納米流體中的分形團(tuán)聚是造成納米流體粘度與納米顆粒體積分?jǐn)?shù)之間復(fù)雜關(guān)系的原因。除此之外,還發(fā)現(xiàn)隨表面活性劑(SDBS)濃度的增加,納米流體的零電荷電位降低,二者符合一定的指數(shù)規(guī)律。當(dāng)納米流體處于零電荷電位時(shí),其粘度較低。