[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过视觉观察、ζ电位分析和粒径分析，考察了丙二醇（PG）、乙二醇（EG）及PG/EG-水混合液中ZnO、Al2O3和TiO2纳米流体在有无表面活性剂条件下的稳定性。通过将理论沉降速度与实验数据对比，建立了稳定性边界，确定PG基纳米流体最稳定，但阳光照射会使颗粒粒径最大增加45%，并导致TiO2-PG悬浮液变色。

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

研究动机与目标

• 评估ZnO、Al2O3和TiO2纳米颗粒在甘醇基流体（PG、EG、WPG、WEG）中，有无表面活性剂条件下的分散稳定性。
• 确定基础流体类型对纳米流体颗粒粒径及长期稳定性的影响。
• 评估阳光照射对纳米流体长期稳定性的影响。
• 通过理论与实验对比，建立用于识别稳定与不稳定纳米流体配方的理论-实验稳定性边界。

提出的方法

• 采用分散法在不同甘醇基基础流体中制备纳米流体，纳米颗粒浓度为1–9 wt%。
• 在纳米颗粒基础上添加0–1 wt%的表面活性剂，以评估其稳定效果。
• 利用视觉观察、动态光散射测定粒径，以及ζ电位分析评估胶体稳定性。
• 在环境条件和阳光照射条件下，长期监测颗粒粒径与稳定性变化。
• 基于斯托克斯定律计算理论沉降速度，以预测稳定性。
• 将理论沉降速度与实验结果进行对比，以定义稳定性边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种甘醇基基础流体（PG、EG、WPG、WEG）能为ZnO、Al2O3和TiO2纳米颗粒提供最稳定的分散？
• RQ2 表面活性剂浓度如何影响甘醇基纳米流体的长期胶体稳定性？
• RQ3 阳光照射在多大程度上会降低甘醇基纳米流体的稳定性？
• RQ4 理论沉降速度预测能否准确识别实验测得的稳定与不稳定纳米流体配方？
• RQ5 在甘醇基纳米流体中，颗粒粒径随时间演变与稳定性之间存在何种关系？

主要发现

• PG基纳米流体在所有测试基础流体中表现出最高稳定性，长时间观察下颗粒团聚现象最少。
• 阳光照射3天后，TiO2-PG和Al2O3-PG纳米流体的颗粒粒径最大增加45%，表明存在光致不稳定性。
• TiO2-PG纳米流体在阳光照射后出现明显颜色变化，提示可能发生光化学降解或聚集。
• ζ电位测量结果证实，表面活性剂稳定体系中静电排斥力增强，但稳定性最高的仍为无表面活性剂的PG基悬浮液。
• 理论沉降速度计算结果与实验观察高度一致，成功定义了可靠的纳米流体配方稳定性边界。
• 该稳定性边界能有效区分稳定纳米流体（低沉降）与不稳定纳米流体（高沉降），模型经实测数据验证有效。