纳米粒子悬浮液中分散剂选择的实验研究

Experimental investigation of dispersant selection f or preparing nano2particle suspension fluids
L I J in2ping1 , WU J iang2 , L IAN G De2qing3 , GUO Kai2hua3 WAN G Ru2zhu4 , Q I Xue2yi1
摘要 : 针对纳米粒子比表面积大 、表面能高 、在水中易自动团聚下沉的特点 ,提出了选择分散剂的一些建议 ,并对体 积分数为 2 %、4 %、5 %、8 %的纳米 Cu 、Ag 、TiO2 粒子悬浮液分别进行了实验. 结果表明 :将聚乙烯醇和十二烷基苯 磺酸钠配合使用能够有效地将各种体积分数的纳米 Cu 、Ag 粒子稳定分散在水中 ;但是无论是聚乙烯醇 ,还是十二 烷基苯磺酸钠都不能使体积分数为 8 %的 TiO2 粒子稳定悬浮在水中 ;在实验范围内 ,纳米铜粒子的体积分数对悬 浮液的稳定性影响不大. 关键词 : 悬浮液 ; 分散剂 ; 表面活性剂 ; 纳米 中图分类号 : TQ027. 36 文献标识码 : A
1 纳米粒子悬浮液中分散剂的选择
从热力学的角度来看 ,一定的状态下 ,任何纯物 质表面的吉氏函数 G 等于它的表面张力σ与表面积 A s 的乘积. 在恒温 、恒压和只作体积功的条件下 ,表 面吉氏函数将存在减小的倾向. 对于比表面积大 ,表 面能高的纳米粒子 ,似乎可以通过减小比表面积或 降低表面张力两条途径减小表面吉氏函数. 然而 ,由 于固体表面难以收缩 ,因此实际上只能靠降低纳米 粒子表面张力的途径来减小表面吉氏函数 ,这也是 纳米粒子表面能够产生吸附作用的最根本原因.
第 32 卷 第 3 期 2006 年 6 月
兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzho u University of Technology
文章编号 : 167325196 (2006) 0320063204
Vol. 32 No . 3 J un. 2006
Key words : suspended fluids ; disper sant ; surfactant ; nano sized particles
随着热交换设备换热表面强化传热技术研究的 深入 ,低导热系数的换热工质已成为研究新一代高 效冷却技术的主要障碍. 要研制体积小 、重量轻 、传 热性能好的高效紧凑型热交换设备 ,满足高负荷传
Abstract : So me suggestio ns o n selectio n of disper sant s were p ropo sed against t he characteristics of nano s2 ized particles such as t heir large specific surface , high surface energy , and easiness of self2agglo meratio n
热要求 ,就必须从工质本身入手研制高导热系数 、传 热性能好的高效新型换热工质.
众所周知 ,常温下固体材料的导热系数要比流 体大两个数量级[1] ,在流体中加入固体颗粒会提高 导热系数[2] . 其中一种有效方式是在液体中添加金 属 、非金属或聚合物固体粒子[3] ,科研人员已为此进 行了大量的实验和理论研究[4～6] ,但是由于采用的 颗粒粒径都局限在微米和毫米量级 ,无法形成长期
将固体放入溶液后 ,固2液界面必然完全被溶剂 和溶质分子所占据 ,因而溶液中固体的吸附实质是
溶质分子和溶剂分子对固体表面竞争的结果. 由此 可见 ,对于溶液中固体的吸附问题 ,应该综合考虑 固2液界面上固体与溶质间的相互作用 、固体与溶剂 间的相互作用以及溶液中溶质与溶剂的相互作用.
因此 ,选择合适的表面分散剂将纳米粒子稳定 分散在水中形成稳定的纳米粒子悬浮液 ,要考虑到 以下几个问题 :
(1. College of Fluid Power and Cont rol , Lanzhou U niv. of Tech. , Lanzhou 730050 , China ; 2. Xinjiang Tianf u Thermal Power Plant Co . , Lt d. , Shihezi 832000 , China ; 3. Guangzhou Instit ute of Energy Conversion , CAS , Guangzhou 510640 , China ; 4. Instit ute of Ref rigeration and Cryogenics , Shanghai Jiaotong Universit y , Shanghai 200030 , China)
2. 1 原料及设备 2. 1. 1 原料
实验中使用的纳米二氧化钛粉 、纳米铜粉和纳
米银粉均购自深圳尊业纳米材料有限公司 ,具体物 理特性参数见表 1 ,电镜照片如图 1 所示.
表 1 纳米粒子的物理特性 Tab. 1 Properties of nano2particles
纳米 质量分
粒子 数/ %
3) 表面分散剂的表面分散. 表面分散优良的表 面分散剂应该在溶液浓度较稀时便能达到吸附的饱 和状态 ,或者说在溶液浓度很稀时 ,溶液便有最低的 表面张力. 因此 ,通常根据溶液达到最低表面张力时 的浓度大小 ,或者说是根据表面分散剂的临界胶束 浓度大小 ,来衡量表面分散剂的表面活性.
2 纳米粒子悬浮液的制备
1) 水分子是极性分子 ,且 p H = 7. 0 ,选择表面 分散剂时应按照极性相似相容规则 ,选择亲水性但 不改变酸碱性的表面分散剂.
2) 纳米粒子的性质 ,其中包括表面性质 、颗粒 形状 、粒径大小等. 例如 ,氧化铝是带有极性的 ,在水 中由于它的固体表面呈负电性 ,对阳离子表面活性 剂的吸附能力要高于阴离子表面活性剂.
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稳定的悬浮液系统 ,效果远没有像预期的那样高 ,而 且还带来了加热面上沉积 、热交换设备磨损及堵塞 等不良结果 ,大大限制了其在工业实际中的应用. 随 着纳米技术的兴起 ,添加纳米量级的颗粒来强化流 体换热成为可能. Choi[6] 等人 1995 年首次提出了 “纳米流体”的概念 , East man[7] 等人 1996 年测试了 纳米颗粒在液体中良好的悬浮和高导热特性 ,为强 化换热带来新的希望. 文献[ 8～11 ]分别研究了纳米 Al2 O3 粉 、SiC 、Cu 粉以及 TiO2 粉加入水 、醇或机油 中而制备成的纳米流体的导热系数 ,发现纳米粒子 的加入大大强化了流体的传热. 然而由于纳米粒子 比表面积大 ,表面能高 ,纳米粒子在水中易自动团聚 而下沉 ,因此 ,如何使纳米粒子均匀 、稳定地分散在 液体介质中 ,形成分散性好 、稳定性高 、低团聚的纳 米流体 ,是将纳米流体应用于增强液体工质传热性 能的关键一步.
解决纳米流体的悬浮稳定性问题一般有以下 3 种方法 :
1) 改变悬浮液的 p H 值 ; 2) 使用表面活性剂和 (或) 分散剂 ; 3) 使用超声振动. 所有这些方法的目的在于通过改变粒子的表面 特征 ,抑制粒子团聚的发生 ,获得悬浮稳定的纳米流 体. 由于改变悬浮液的 p H 值会影响悬浮液的性质 , 因此文献 [ 9～11 ] 中经常使用的方法是 ,将分散相 (纳米粒子) 添加到分散介质 (水或油等) 中 ,并配以 超声振动 ,以获得悬浮稳定的悬浮液. 然而各文献并 没有报道纳米粒子在悬浮液中的稳定持续时间. 本文根据分散介质和分散相的性质 ,提出了选 择分散剂的一些建议 ,并通过试验找到了一种将纳 米 Cu 、Ag 粒子在一定时间内稳定分散在水中形成 纳米粒子悬浮液的方法.
and set tlement in water. Subsequent experiment s were co nducted o n selectio n of dispersant s in suspensio ns wit h nano sized particles of copper , silver and titanium dio xide of volumet ric f ractio ns of 2 % , 4 % , 5 % , and 8 % respectively. The result s indicate t hat , using t he mixt ure of polyvinyl alco hol and sodium dodecyl2 benzenesulfo nate26 as t he solvant , t he nano sized copper and silver particles of above volumet ric f ractio ns can be effectively suspended in water for over 100 and 24 ho ur s , respectively. However , t he nano sized ti2 tanium dio xide particles can not be suspended in water wit h eit her polyvinyl alco hol , o r sodium dodecyl2 benzenesulfo nate26 , or co mbinatio n of bot h as t he solvant . The volumet ric f ractio n of nano sized particles has lit tle effect o n t he stabilit y of t he suspended fluids wit hin t he experimental range.
二氧化钛 99. 9
铜
99. 9
银
99. 9
平均粒 径/ nm
15 25 35
粒径范 围/ nm 0～60 0～60 0～100
松装密度 / (g ·cm - 3) 0. 10～0. 30 0. 15～0. 35 0. 30～0. 60
比表面积 / ( m2 ·g - 2)
40～60 30～50 30～50
考虑到纳米二氧化钛粉 、纳米铜粉和纳米银粉 均有可能同阳离子表面分散剂溶于水产生的阳离子 发生作用 ,所以选择阴离子表面分散剂或非离子表 面分散剂作为分散剂. 物品的来源以及质量分数见 表 2 ,实验中用的去离子水由实验室自制. 2. 1. 2 设备
北京赛多利斯天平有限公司生产的 BS2000 型 电子天平 ,最大量程 2 000 g ,精度 0. 01 g ;广州市新 栋力超声电子设备有限公司生产的 15 k Hz 、1 000 kW 超声仪.
纳米粒子悬浮液中分散剂选择的实验研究
李金平1 , 吴 疆2 , 梁德青3 , 郭开华3 , 王如竹4 , 齐学义1
(1. 兰州理工大学 流体动力与控制学院 , 甘肃 兰州 730050 ; 2. 新疆天富热电股份有限公司热电厂 , 新疆 石河子 832000 ; 3. 中国科学院 广州能源研究所 , 广东 广州 510640 ; 4. 上海交通大学 制冷与低温工程研究所 , 上海 200030)
收稿日期 : 2005209221 基金项目 : 国家自然科学基金 (59836230) ,国家重点基础研究
规划 项 目 ( G2000026306 ) , 广 东 省 自 然 科 学 基 金 (036996) ,甘肃省自然科学基金 (3ZS0422B252030) 作者简介 : 李金平 (19772) ,男 ,宁夏中宁人 ,博士 ,副教授.