[논문 리뷰] Stability of glycol nanofluids -- the consensus between theory and measurement

İbrahim Palabıyık, Sanjeeva Witharana외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 21.

Nanofluid Flow and Heat Transfer참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 시각적 관찰, 제타 전위 및 입자 크기 분석을 통해 프로필렌 글리콜(PG), 에틸렌 글리콜(EG), PG/EG-물 혼합물에서 ZnO, Al2O3, TiO2 나노유체의 안정성을 표면활성제 유무에 관계없이 조사한다. 이론적 침강 속도와 실험 데이터를 비교하여 안정성 경계를 수립하였으며, PG 기반 나노유체가 가장 안정함을 밝혀내었지만, 햇빛 노출 시 입자 크기가 최대 45% 증가하고 TiO2-PG 분산액은 색상 변화를 보임으로써 안정성이 떨어짐을 확인함.

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

연구 동기 및 목표

• PG, EG, WPG, WEG 등의 글리콜 기반 유체에서 ZnO, Al2O3, TiO2 나노입자의 분산 안정성을 표면활성제 유무에 관계없이 평가하기.
• 기초 유체 종류가 나노유체의 입자 크기 및 장기적 안정성에 미치는 영향을 규명하기.
• 햇빛 노출이 시간이 지남에 따라 나노유체의 안정성에 미치는 영향을 평가하기.
• 이론적-실험적 안정성 경계를 수립하여 안정적이고 불안정한 나노유체 조성식을 식별하기.

제안 방법

• 다양한 글리콜 기반 기초 유체에서 1–9 wt%의 나노입자 농도로 산산화 분산 방법을 통해 나노유체 제비.
• 나노입자 대비 0–1 wt% 범위의 표면활성제를 도입하여 안정화 효과 평가.
• 색상 관찰, 동적 빛산산측정을 통한 입자 크기 측정, 제타 전위 분석을 통해 콜로이드 안정성 평가.
• 실내 조건 및 햇빛 노출 조건에서 시간이 지남에 따라 입자 크기 및 안정성 모니터링.
• Stoke 법을 이용한 이론적 침강 속도 계산을 통해 안정성 예측.
• 이론적 침강 속도와 실험 결과를 비교하여 안정성 경계 정의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PG, EG, WPG, WEG 등의 글리콜 기반 기초 유체 중 ZnO, Al2O3, TiO2 나노입자에 대해 가장 안정적인 분산 조건을 제공하는 것은 무엇인가?
• RQ2 표면활성제 농도는 글리콜 나노유체의 장기적 콜로이드 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 햇빛에 노출될 경우 글리콜 기반 나노유체의 안정성은 어느 정도 저하되는가?
• RQ4 이론적 침강 속도 예측이 실험적으로 안정적이고 불안정한 나노유체 조성식을 정확히 식별할 수 있는가?
• RQ5 글리콜 나노유체에서 입자 크기 변화와 안정성의 시간에 따른 관계는 어떠한가?

주요 결과

• PG 기반 나노유체는 모든 시험 기초 유체 중에서 가장 높은 안정성을 보였으며, 시간이 지남에 따라 입자 응집이 최소한이었음.
• 햇빛 노출으로 인해 TiO2-PG 및 Al2O3-PG 나노유체의 입자 크기가 3일 후 최대 45% 증가하여 광화학적 불안정성의 징후로 나타남.
• TiO2-PG 나노유체는 햇빛에 노출된 후 눈에 띄는 색상 변화를 보였으며, 이는 광화학적 분해 또는 응집을 시사함.
• 제타 전위 측정 결과 표면활성제가 첨가된 시스템에서 전기적 반발력이 향상되었지만, 여전히 표면활성제가 없는 PG 기반 분산액에서 안정성이 가장 높음.
• 이론적 침강 속도 계산 결과는 실험 관측 결과와 잘 일치하여 나노유체 조성식에 대한 신뢰할 수 있는 안정성 경계 수립이 가능함.
• 안정성 경계는 안정적인 나노유체(낮은 침강)와 불안정한 나노유체(높은 침강)를 성공적으로 구분하였으며, 경험적 데이터와의 비교를 통해 모델의 타당성 검증됨.