一种由表面改性纳米颗粒制备的新型纳米流体

万方数据
第１１期杨雪飞等：一种由表面改性纳米颗粒制备的新型纳米流体・２９０３・
会观察到沉淀从基液中析出。

Ｋｉｍ等¨１］用两步法制备了水基Ｔｉ０。

和ＡＩ。

Ｏ。

纳米流体，分散在基液中的纳米颗粒均存在不同程度的自聚，Ｔｉｏｚ纳米颗粒的自聚更为严重。

Ｌｅｅ等∞１制备的Ｃｕ０纳米流体也存在纳米颗粒自聚的问题。

纳米颗粒的稳定性问题是其在实际应用中亟待解决的问题。

通过对纳米颗粒进行表面改性而制备稳定性能优异的纳米流体是现阶段纳米流体研究的一个重要技术领域。

本文介绍了一种二氧化硅纳米颗粒表面改性的方法，并对表面改性的纳米颗粒和所配制纳米流体的性能参数进行了测量。

１纳米颗粒表面改性方法
通过对二氧化硅纳米颗粒进行表面改性可以制备稳定性优异的纳米流体。

表面改性的方法为在二氧化硅纳米颗粒（纳米颗粒应分散在纳米颗粒溶液中）表面嫁接硅烷，反应机理如图１所示。

二氧化硅纳米颗粒表面存在有羟基，每个孤立羟基的氢原子正电性很强，容易与负电性原子团吸附，与含羟基化合物发生缩聚反应。

图示的硅烷脱去羟基，二氧化硅纳米颗粒表面的羟基脱去一个氢原子，发生缩聚反应，生成水分子并形成“Ｓｉ—ｏ—Ｓｉ”的稳定结构。

图ｌ表面改性机理
Ｆｉｇ．１Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ
选用两种二氧化硅纳米颗粒溶液作为原液。

第一种是自制的纳米流体，制备方法为将一定量纳米颗粒粉体（平均粒径约为３０ｎｍ）添加到水中，用超声振荡将溶液振荡１２ｈ。

第二种是商品纳米流体，选用美国Ａ１ｄｒｉｃｈ公司的ｌｕｄｏｘＴＭ一４０（颗粒质量分数为４０％，粒径约为３０ｎｍ）的商品溶液。

商品溶液包含ＮａｏＨ、表面活性剂等物质以维持溶液中纳米颗粒的稳定性。

选用的硅烷为美国Ｇｅｌｅｓｔ公司产品：３一（２，３一环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷，ＣＡＳ号为２５３０一８３—８。

首先在硅烷的稀溶液中添加少量ＨＣｌ稀溶液，将溶液的ｐＨ调至２，充分搅拌４ｈ后，添加少量Ｎａ０Ｈ稀溶液，调节ｐＨ至１０。

然后取一定量的纳米流体，将一定量上述硅烷溶液滴加到纳米流体中；之后，７０℃下，将溶液搅拌并超声振荡４８ｈ；将反应液在一２０℃下放置使溶液冻结成冰；用冻干机将冻结物质冻干，直至剩余的物质全部为白色膨松状颗粒为止，最终得到的物质便是合成的改性纳米颗粒。

将一定量的改性纳米颗粒添加到水中，并在室温下搅拌１２ｈ（或者在５０℃下静置１２ｈ），可以配制成稳定性能优异的纳米流体（称之为改性纳米流体），不需要添加任何表面活性剂。

将改性纳米流体在室温下静置６个月后，没有任何沉淀从基液中析出。

而对于自制纳米流体，如果不添加表面活性剂纳米颗粒会在数天内从基液中析出。

由自制纳米流体制备的改性纳米颗粒可以以最高１０％（质量）的浓度稳定存在于水溶液中，而以Ｌｕｄｏｘ溶液配制的改性纳米颗粒可以以超过５０％的浓度稳定存在。

图２为纳米颗粒溶液改性前后的ＴＥＭ照片。

由图可见，纳米颗粒的改性可以打破其团聚状态，自制纳米流体尤为明显。

纳米流体的稳定性可以根据ＤＬＶ０理论和空间位阻稳定性原理¨副进行解释。

根据ＤＬＶｏ理论，纳米流体的稳定性来自于纳米颗粒之间的ｖａｎｄｅｒｗａａｌｓ吸引力和由双电层产生的静电排斥力的共同作用。

当静电排斥力大于ｖａｎｄｅｒｗａａｌｓ吸引力，纳米颗粒维持稳定，不发生聚合；相反，纳米颗粒发生聚合，严重的聚合会导致纳米颗粒从基液中析出。

根据空间位阻稳定性原理，当纳米颗粒表面吸附有高分子聚合物时，如果纳米颗粒彼此靠近并造成聚合物之间的相互挤压会产生熵减效应，从而使得聚合物之间产生排斥力，阻止纳米颗粒的聚合。

虽然添加表面活性剂可以在纳米颗粒表面形成空间位阻效应，但是纳米颗粒与表面活性剂只是物理吸附，不稳定。

物理吸附一旦被强烈的扰动所打破，空间位阻效应将消失。

基于以上原因，本研究在纳米颗粒表面通过共价键嫁接高分子聚合物，以稳定的“Ｓｉ—ｏ—Ｓｉ”共价键形成持续的空间位阻效应。

同时根据极性相溶的原理，选用带有极性结构的硅烷增强改性纳米颗粒在水中的溶解能力。

２改性纳米流体物性
制备纳米流体后，用瞬态热线法［４剞对纳米流
体的热导率进行了测量，用Ｍａｌｖｅｒｎ公司的Ｓｖ－１０万方数据
・２９Ｄ４・化工学报第６１卷
图２纳米流体改性前后的ＴＥＭ照片
Ｆｉｇ．２ＴＥＭｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｎａｎｏｎｕｉｄｓｂｅｆｏｒｅ
ａｎｄａ建ｅｒｆ珏ｎｃｔｉｏｎ鑫ｌｉ勰ｔ主ｏｎ
黏度仪对纳米流体的黏度进行了测量。

图３为质量分数对热导率的影响。

纵坐标为纳米流体的热导率与水的热导率之比，称为热导率强耽率。

铁凌巾霹絮，热导率强化隧续米鬏载浓度静增加而增加，但总的强亿瞩度并不大。

浓度为１０％时，改性纳米流体的热导率强化达到８．１％。

改性前后纳米流体的热导率差别十分微弱，即纳米鬏粒的表蘑改经对缡寒流体热导率影响不大。

裁备方法对热导率疆仡的影睫也幂大。

图４为质馈分数对纳米流体黏度的影响。

纵坐标为纳米流体黏度与水黏度之比，称为黏魔强化
图３质避分数对热导率的影响
Ｆｉｇ．３Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｎ
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率。

从图中可知，黏度强化随浓度的增加而增加；商品纳米流体的黏度强化为４．５％～３８％，丽相应麴改性续寒流体黏发强讫高达ｌ莲％～１７３菇。

嚣者黏廉强化的差别十分明显，而且浓度越高，差别越大。

自制纳米流体的情况相同，其黏度强化为５．２％～２５％，而相应的改性纳米流体黏度强化为１３％～５８弼。

这说磺纳米颗越翡表薮改性对纳寒流体的黏度有较大影响。

由于纳米颡靛表面嫁接了高分予有机物，使得其与水的黏附作用增强，导致改
性纳米流体的黏度有大幅度增加。

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