石 月，楊 賓

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

Choi[1]于1995年首次提出“納米流體”概念，即把金屬、非金屬納米粒子添加到基礎(chǔ)流體中形成比基液傳熱性能更好的均勻穩(wěn)定的懸浮液[2]。此后，納米流體在太陽(yáng)能、傳熱等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

當(dāng)前，關(guān)于納米流體黏度的研究逐步增多，并得出以下結(jié)果：Namburu等[5]實(shí)驗(yàn)分析了乙二醇和水混合基氧化銅（體積分?jǐn)?shù)之比為60∶40）的懸浮液，并在溫度為-35～50℃的區(qū)間，研究溫度對(duì)懸浮液的影響；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同體積分?jǐn)?shù)下的懸浮液（0%～6.12%），當(dāng)溫度升高時(shí)，黏度反而下降。Kole等[6]采用石墨烯作為懸浮顆粒，研究了溫度為10～70 ℃區(qū)間內(nèi)懸浮液黏度的變化規(guī)律；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，溫度升高，黏度下降。Ding等[7]研究指出，碳納米管濃度越大，黏度越大。Ranjbarzadeh 等[8]研究了氧化硅石墨烯混合納米流體的黏度，也得出濃度越大，黏度越大的結(jié)果。Zav′yalov 等[9]針對(duì)納米團(tuán)聚與納米流體黏度之間的關(guān)系提出了一種流體中納米粒子表面相關(guān)層的模型，通過(guò)該模型證明了納米顆粒之間的團(tuán)聚是必然的，且會(huì)對(duì)黏度造成一定的影響。Chen 等[10]對(duì)含有0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）TNT的乙二醇基鈦酸納米管（TNT）納米流體在20～60°C下的流變行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；結(jié)果表明，TNT納米流體具有很強(qiáng)的剪切稀化行為，顆粒濃度和溫度對(duì)零剪切黏度和高剪切黏度有很大影響。許多學(xué)者預(yù)測(cè)納米流體黏度特性并進(jìn)行理論研究，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論基礎(chǔ)并不完全吻合，存在差異可能是布朗運(yùn)動(dòng)、制備方法、測(cè)量技術(shù)等原因造成的。因此，需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗(yàn)證納米流體黏度的相關(guān)理論，為其領(lǐng)域提供更具深度、廣度的研究成果。

氧化鋅顆粒具有粒徑小、比表面積大等特點(diǎn)，制成的納米流體可抵制重力，懸浮液穩(wěn)定性好，同時(shí)在傳熱方面還可增強(qiáng)換熱效率[11-14]。但目前納米氧化鋅的性質(zhì)研究才剛剛起步，許多基本性質(zhì)尚不明確，關(guān)于黏度的研究也并未得出統(tǒng)一規(guī)律，很大程度上制約其應(yīng)用。故對(duì)納米氧化鋅進(jìn)行相關(guān)理論研究是十分必要的。本文主要研究了納米流體在ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、剪切率、剪切應(yīng)力條件下的黏度及流變特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

本研究用“兩步法”制得了ZnO納米流體，同時(shí)利用XRD、TEM表征ZnO納米顆粒，最后對(duì)納米流體黏度進(jìn)行測(cè)試。分散介質(zhì)采用蒸餾水作為基液：分析純AR，電導(dǎo)率為0.1 μS/cm。分散劑為：阿拉伯樹(shù)膠（Acacia），分析純AR，化學(xué)式C12H7ClN2O3，分子量為262.648 58 g/mol。納米材料選用純度為99.9%，粒徑15 nm 的納米級(jí)氧化鋅。分散劑阿拉伯樹(shù)膠雜質(zhì)最高含量和納米ZnO 顆粒的主要參數(shù)分別如表1 和表2 所示，實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備如表3所示。

表1 阿拉伯樹(shù)膠的雜質(zhì)最高含量Tab.1 Maximum impurity content of gum Arabic

表2 ZnO 納米顆粒的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of nano ZnO particles

表3 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備Tab.3 Equipment used in the experiment

1.2 納米流體制備

分散劑作為氧化鋅納米流體制備過(guò)程中的重要添加劑，嚴(yán)重影響其制備的穩(wěn)定性，市面上常用的分散劑分散效果大多不太理想，阿拉伯樹(shù)膠是世界上用量最大的水溶性膠體之一，和水相溶后，能夠有效吸在納米粒子表面，形成保護(hù)膜，當(dāng)粒子聚集時(shí)，粒子表面高分子保護(hù)膜被擠壓，斥力增大，最終使粒子彼此遠(yuǎn)離，降低了納米顆粒的聚集沉降[15]。阿拉伯樹(shù)膠不僅排除了其他分散劑存在的問(wèn)題且具有強(qiáng)有效的分散性，加入氧化鋅納米流體中可起到高效分散、增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用，所以本實(shí)驗(yàn)用阿拉伯樹(shù)膠作為分散劑。

首先量取一定量蒸餾水放入燒杯中，其次在天平上稱(chēng)量一定質(zhì)量的ZnO 納米顆粒放入燒杯中進(jìn)行充分均勻的混合，室溫下使用磁力攪拌器攪拌30 min，攪拌同時(shí)加入一定量的阿拉伯樹(shù)膠進(jìn)行更好的分散，攪拌完成后在室溫下進(jìn)行2 h的超聲波分散，得到水基ZnO 納米流體溶液。隨后對(duì)納米流體進(jìn)行黏度的測(cè)量及分析記錄。ZnO 納米流體的具體制備流程如圖1所示。

圖1 納米流體具體制備流程Fig.1 Specific preparation process of nanofluids

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 樣品的表征

圖2 是實(shí)驗(yàn)所用氧化鋅納米顆粒的XRD 譜圖（測(cè)量?jī)x器：日本-理學(xué)-UltimalV），其峰值（100、002、101、102、110、103、200、112、201、004和202）和國(guó)際粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì)公布的單斜結(jié)構(gòu)ZnO（JCPDS card No.36-1451）的峰值完全一致且衍射峰尖銳，可確定該物質(zhì)為氧化鋅納米顆粒。

圖2 ZnO 納米顆粒的XRD 譜圖Fig.2 XRD spectrum of ZnO Nanoparticles

圖3是實(shí)驗(yàn)所用氧化鋅納米顆粒的TEM（測(cè)量?jī)x器：日本-JEOL-JEM 2100F）圖，從圖中可以看出，氧化鋅納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)為團(tuán)聚的微球和立方結(jié)構(gòu)，粒徑較為均勻。

圖3 ZnO 納米顆粒的TEMFig.3 TEM photos of ZnO Nanoparticles

2.2 納米流體濃度與黏度的關(guān)系

圖4 為添加納米顆粒的納米流體黏度在5 種不同溫度環(huán)境下隨納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)（分別為0.4%，0.788%，1.173%，1.552%，1.925%，2.292%）的變化關(guān)系。

圖4 不同濃度納米流體黏度變化圖Fig.4 Viscosity variation of nanofluids with different concentrations

由圖4可知，曲線(xiàn)整體呈上升趨勢(shì)，和基液做對(duì)比，0.4%～2.292%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，納米流體黏度各增大了24.8%、43.1%、72.1%、102%、123%和174.3%。隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，由于其自身比表面積大，表面能較高，納米顆粒之間容易發(fā)生簇團(tuán)而下沉，導(dǎo)致納米流體中分子流動(dòng)克服內(nèi)摩擦力需消耗的能量逐步增大，納米流體呈現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象就是黏度的增大。同時(shí)，當(dāng)溫度由15 ℃上升到55 ℃時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZnO納米顆粒的納米流體黏度的最大差值依次為0.86、1.07、1.14、1.15、1.37、1.98，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，各溫度條件下，濃度越大，黏度差越大。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，不改變溫度的條件下，濃度越大，黏度越大。因?yàn)殡S著加入的粒子數(shù)增加，粒子間更容易沉聚下降，分子運(yùn)動(dòng)就要消耗更多的能量，最終導(dǎo)致黏度越大。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，所制備流體黏度最小。

2.3 納米流體溫度與黏度的關(guān)系

圖5 是0.4%～2.292%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，所制備流體黏度隨溫度的變化曲線(xiàn)。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下納米流體黏度與溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between viscosity and temperature of nanofluids under different mass fraction conditions

圖5 中數(shù)據(jù)顯示，溫度由15 ℃升到55 ℃，黏度曲線(xiàn)在非線(xiàn)性下降。這是由于隨著溫度的升高，所制備流體中分子運(yùn)動(dòng)得更激烈，速度更快，分子間作用力更低，從而納米流體黏度降低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在55 ℃所制備流體黏度最低。

2.4 剪切率與納米流體黏度的關(guān)系

圖6 a）～e）是不同溫度條件下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZnO納米顆粒的納米流體黏度隨剪切率的變化曲線(xiàn)。圖6a）～e）宏觀展現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，即在剪切率小于10 s-1時(shí)，隨著剪切率的增大，納米流體的黏度均逐漸降低，超過(guò)10 s-1后黏度趨于穩(wěn)定。這是由于速度梯度及布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)簇?cái)?shù)量改變。剪切率較低時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)簇較多，黏度較大；隨著剪切率的增大，納米粒子布朗運(yùn)動(dòng)被破壞，導(dǎo)致納米團(tuán)簇減少，從而納米流體黏度降低[16-20]；當(dāng)剪切率達(dá)臨界值時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)完全破壞，納米粒子不再發(fā)生團(tuán)簇，納米流體黏度也不再降低[16-20]。故在剪切率小于10 s-1時(shí)，納米粒子聚沉現(xiàn)象明顯，黏度變化較大；剪切率大于10 s-1時(shí)，納米粒子聚沉逐漸緩慢，黏度變化趨于平緩。

圖6 不同溫度和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下納米流體黏度隨剪切率的變化曲線(xiàn)Fig.6 The variation curve of nanofluid viscosity with shear rate under different temperature and mass fraction conditions

溫度不變時(shí)，所制備流體黏度隨濃度增加而增大。例如：圖6a）15 ℃時(shí)，與純水做比較，0.4%～2.292%質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，所制備流體黏度各平均增大了4.4%、48.0%、78.1%、105.2%、118.6%和208.9%；圖6e）55 ℃時(shí)，所制備流體黏度各平均增大了9.4%、24.6%、45.8%、91.6%、105.6%和130.7%。這是由于液相分子間本就存在范德瓦爾斯力，將納米流體添加到基液中，范德瓦爾斯力會(huì)更大，從而導(dǎo)致所制備流體黏度也增大。

與此同時(shí)，圖6a）～e）曲線(xiàn)顯示，測(cè)試條件不變時(shí)，溫度升高，黏度降低。例如：圖6a）～e）顯示，0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，15～55 ℃下的黏度分別是1.22 mPa ·s、1.19 mPa ·s、0.10 mPa ·s、0.85 mPa ·s、0.69 mPa·s；2.292%質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，15～55 ℃下的黏度分別是3.62 mPa·s、2.55 mPa·s、2.04 mPa·s、1.79 mPa·s、1.46 mPa·s。這是由于溫度升高，會(huì)導(dǎo)致納米流體分子間熱運(yùn)動(dòng)加劇，摩擦力降低，分子間范德瓦爾斯力減弱，體現(xiàn)為溫度升高，所制備流體黏度降低。

2.5 剪切率對(duì)剪切應(yīng)力的影響

圖7 a）～e）是15～55 ℃條件下，0.4%～2.292%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZnO 納米流體剪切應(yīng)力隨剪切率的變化曲線(xiàn)。由圖7a）～e）可知，在剪切率小于20 s-1時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZnO納米顆粒的納米流體剪切應(yīng)力隨著剪切率的增加呈直線(xiàn)關(guān)系[16-20]。較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即0.4%時(shí)，表現(xiàn)為牛頓流體；其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，表現(xiàn)為非牛頓流體。剪切率大于20 s-1時(shí)，剪切應(yīng)力隨著剪切率并非呈直線(xiàn)上升，為非牛頓流體。故在剪切率小于20 s-1時(shí)，納米粒子聚沉現(xiàn)象明顯，剪切應(yīng)力增加較慢；剪切率大于20 s-1時(shí)，納米粒子聚沉逐漸緩慢，剪切應(yīng)力增加較快。與此同時(shí)，在相同的溫度條件下，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，剪切應(yīng)力就越大。因此，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，分子之間范德瓦爾斯力小，納米流體更穩(wěn)定，黏度更低，故納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%較合適。

圖7 不同溫度和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下納米流體剪切應(yīng)力隨剪切率的變化曲線(xiàn)Fig.7 The variation curve of shear stress with shear rate for nanofluids under different temperature and mass fraction conditions

3 結(jié)論

本研究選取了ZnO納米顆粒和分散劑阿拉伯樹(shù)膠，分析了納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、剪切率對(duì)納米流體黏度影響，并對(duì)納米流體流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。得到以下結(jié)論。

1）溫度不變時(shí)，所制備ZnO 流體黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。不同溫度下，納米流體黏度差隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大：溫度從15 ℃增加到55 ℃，ZnO納米流體黏度最大差值從0.86上升到1.98。

2）溫度由15 ℃升到55 ℃，黏度曲線(xiàn)在非線(xiàn)性下降。15 ℃時(shí)，黏度增大較多，55 ℃時(shí)，納米流體黏度增大逐漸減小。

3）對(duì)于不同剪切率來(lái)說(shuō)，在剪切率小于10 s-1時(shí)，隨著剪切率的增大，納米流體的黏度均逐漸降低，超過(guò)10 s-1后黏度趨于穩(wěn)定。溫度不變，制備流體黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大；測(cè)試條件不變，溫度由15 ℃升到55 ℃，制備流體黏度降低。

4）對(duì)于不同剪切率下的剪切應(yīng)力來(lái)說(shuō)，在剪切率小于20 s-1時(shí)，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)ZnO納米顆粒的納米流體剪切應(yīng)力隨著剪切率的增加呈直線(xiàn)關(guān)系。較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即0.4%時(shí)，表現(xiàn)為牛頓流體；其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，表現(xiàn)為非牛頓流體。剪切率大于20 s-1時(shí)，剪切應(yīng)力隨著剪切率并非呈直線(xiàn)上升，為非牛頓流體。與此同時(shí)，同溫度下，所制備流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，剪切應(yīng)力越大，故納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%較合適。

因此，在以阿拉伯樹(shù)膠為分散劑，氧化鋅納米顆粒為溶質(zhì)的納米流體中，因質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，范德瓦爾斯力小、剪切應(yīng)力小、黏度低且納米流體更穩(wěn)定，故納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%較合適。