[論文レビュー] Stability of glycol nanofluids -- the consensus between theory and measurement

İbrahim Palabıyık, Sanjeeva Witharana+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2012

Nanofluid Flow and Heat Transfer参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、界面活性剤を添加するかどうかに関わらず、プロピレングリコール（PG）、エチレングリコール（EG）、PG/EG-水混合液を基液とするZnO、Al2O3、TiO2ナノフラッドの安定性を、視覚的観察、ゼータ電位、粒子径分析を用いて調査した。理論的沈降速度と実験データを比較することで安定性境界を確立し、PGベースのナノフラッドが最も安定していることが判明したが、日光露出によって粒子径が最大45％増加し、TiO2-PG系では色の変化が観察された。

ABSTRACT

Formulation of stable nanofluids containing ZnO, Al2O3 and TiO2 nanoparticles in propylene glycol (PG), ethylene glycol (EG) and 50wt% mixtures of PG and EG in water (WPG, WEG) were investigated, with and without the presence of surfactants. Nanofluid samples of particle concentrations 1-9wt% were prepared by dispersive method. Surfactant presence was in the range of 0-1wt%/wt% of nanoparticles. Visual observation, particle size measurement and zeta potential analysis were performed to evaluate the dispersion stability. In overall the PG-based samples were found to be the most stable suspensions. The effect of base fluid on particle size and the effect of day light on nanofluid stability were also examined as a function of time. TiO2-PG samples showed a colour change when exposed to sunlight. Sunlight also caused the PG based TiO2 and Al2O3 nanofluid to increase their particle sizes by up to 45% in the course of 3 days. As for stability, the sedimentation velocity was observed to be a key parameter. Finally by comparison of settling theory with experiments, a stability boundary was demarcated to identify stable and unstable nanofluids. Keywords: Nanoparticles, Nanofluids, Glycols, Formulation, Stability, Particle size

研究の動機と目的

• PG、EG、WPG、WEGを基液とするグリコール系流体におけるZnO、Al2O3、TiO2ナノ粒子の分散安定性を、界面活性剤有無にかかわらず評価すること。
• 基液の種別がナノフラッドの粒子径および長期的安定性に与える影響を特定すること。
• 日光露出がナノフラッドの安定性に及ぼす影響を評価すること。
• 理論的・実験的安定性境界を確立し、安定・不安定なナノフラッド配合比を特定すること。

提案手法

• 1–9 wt%のナノ粒子含有量で、さまざまなグリコール系基液を用いた分散法によるナノフラッド調製。
• ナノ粒子に対して0–1 wt%の界面活性剤を添加し、その安定化効果を評価。
• 視覚的観察、動的光散乱法による粒子径測定、ゼータ電位分析を用いてコロイド安定性を評価。
• 常温および日光露出下での粒子径および安定性の時間経過に伴うモニタリング。
• ストークスの法則を用いた理論的沈降速度の計算により安定性を予測。
• 理論的沈降速度と実験結果を比較し、安定性境界を定義。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnO、Al2O3、TiO2ナノ粒子の分散において、グリコール系基液（PG、EG、WPG、WEG）のうち、どの基液が最も安定な分散を提供するか？
• RQ2 界面活性剤濃度は、グリコール系ナノフラッドの長期的コロイド安定性にどのように影響するか？
• RQ3 日光露出がグリコール系ナノフラッドの安定性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 理論的沈降速度予測は、実験的に安定・不安定なナノフラッド配合比を正確に特定できるか？
• RQ5 グリコール系ナノフラッドにおいて、粒子径の時間的変化と安定性の関係は何か？

主な発見

• PGベースのナノフラッドは、全テスト基液の中で最高の安定性を示し、時間経過に伴う粒子凝集が最小限に抑えられた。
• 日光露出により、TiO2-PGおよびAl2O3-PGナノフラッドの粒子径が3日で最大45％増加し、光誘発不安定性が示された。
• TiO2-PGナノフラッドは日光露出後に著しい色の変化を示し、光化学的分解または凝集体形成を示唆した。
• ゼータ電位測定により、界面活性剤で安定化された系では静電反発が向上したが、依然として界面活性剤不使用のPGベース系が最も安定した。
• 理論的沈降速度の計算結果は、実験的観察と良好に一致し、ナノフラッド配合比の信頼性のある安定性境界の定義が可能になった。
• 安定性境界は、低沈降（安定）と高沈降（不安定）のナノフラッドを的確に区別でき、実測データとの整合性が確認された。