纳米TiO2流体的分散及稳定性研究
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（广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州）
摘 要
采用“两步法”[1]制备出不同浓度、不同分散剂的TiO2-H2O纳米流体以及不同基液的二氧化钛纳米流体, 选用紫外分光光度法对不同分散剂量纳米流体的分散稳定性进行了评价, 使用乌氏粘度计对纳米流体中不同分散剂量的流体以及不同质量分数的二氧化钛纳米流体进行了粘度测定，同时对纳米流体的表面张力和重力沉降能力进行测定。实验结果表明: 纳米粒子的密度越小，团聚体所受到的沉降力就越小，纳米流体的悬浮稳定性就越高；纳米流体的分散稳定性随着TiO2粒子质量浓度的增大先增强后减弱; 一般分散剂的用量与样品的质量比为1：1为宜；在介电常数相差不大的基液中，基液流体的动力粘度对纳米粒子悬浮液稳定性起主要作用。
关键词：纳米流体 质量浓度 分散稳定性 粘度 表面张力 重力沉降
Nano TiO2 liquid dispersion and stability study
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(Biological and chemical engineering institute，Guangxi university of science and technology
Liuzhou,China)
Abstract
With titanium butyl acetate acid as the main raw material, using sol-gel method nanometer TiO2. , the \"two step\" preparation out different concentration, different of dispersant TiO2-H2O nano fluid and different base of titanium dioxide nanotubes liquid fluid, choose ultraviolet spectrophotometry on different doses of the dispersion of scattered nano fluid stability evaluation, use the viscosity of nano's project in the flow different doses of the fluid and different scattered the mass fraction of titanium dioxide nanotubes fluid viscosity determination, at the same time, the surface tension of nanometer fluid and gravity settlement ability method. The experimental results show that the density of the
1
nanoparticles is smaller, reunion body has the settlement force is smaller, the suspension stability of the nano fluid is higher; Nano fluid of the dispersion of TiO2 particle concentration quality stability with the increase of the enhanced first weakened; General dispersant dosage of quality with the sample ratio of 1:1 advisable; In the dielectric constant of the little difference from liquid, the liquid viscosity fluid power of nanometer particle suspension stability plays a main role.
Keywords: Nano fluid Mass concentration Scattered stability viscosity Surface tension Gravity settlement
1 引言
纳米流体的工业应用前景纳米流体在强化换热领域有很广阔的应用前景，纳米流体的研究和应用为许多高科技领域方面一些难题的解决提供了新的方法和思路[2]。纳米流体的有效导热系数高于相应纯流体，这使其传热性明显增强[3]，前期开展的对纳米流体研究，主要集中在： ( 1 )纳米流体特性研究及其应用；( 2 )纳米流体生物医学应用[4]；( 3 )纳米流体的强化传热机理解释，有效导热系数的实验测定和理论刻画；(4 )纳米流体的制备及表面处理技术；( 5 )纳米流体应用的毒性问题或安全性等方面。讨论纳米流体研究中几类富有启发性的新进展和新动向，至于更广泛的评述传统纳米流体研究的内容[5-7]
纳米流体实际应用中的主要问题是纳米流体的稳定性问题。因纳米颗粒的比表面积很大，造成很大的颗粒表面能，从而引起悬浮液的热力学不稳定。基液密度一般情况下小于固体颗粒密度，因而造成悬浮液的动力学不稳定。这些不稳定因素最终将促使颗粒沉降。文献[8]的实验表明，采用粘度大的基液、分散剂的加入、减小纳米颗粒直径对于悬浮液稳定性的改善非常明显。通过选取合适的颗粒种类、颗粒直径、与基液种类的匹配,可显著地改善悬浮液的稳定性。
2
2 实 验
2. 1 药品与仪器
2. 1. 1 药品
纳米二氧化钛，平均粒径为25 nm;异丙醇，分析纯，纯度 99.5%；无水乙醇，分析纯，纯度99.7%；冰醋酸，纯度99.5%；乙酰丙酮， 纯度 99.0%；氨水，分析纯，纯度25%-28%；十二烷基硫酸钠（SDS），化学纯；丙三醇，分析纯：正丁醇，分析纯；（柳州市益嘉化工仪器有限公司）。去离子水（实验室自制）。 2. 1. 2 仪器
表2.1 实验所需仪器表
仪器名称
玻璃仪器气流烘干器 多功能搅拌器 电子分析天平
型
电热鼓风干燥箱 接触调压器 pH计
紫外可见分光光度计 台式超声波清洗器 全自动界面张力仪 X射线衍射仪变温控制器
扫描探针显微镜
多功能-Ⅲa
美国维易科精密仪器有限公司
101-1b TDG2J-2 PHS-25 UV-722 BL智能型 DT-102 SHL-2
上海实验仪器厂有限公司 鸿宝电气有限公司 上海雷磁仪器厂
上海市精密科学仪器有限公司 上海之信仪器有限公司 淄博华坤电子仪器有限公司 丹东浩元仪器有限公司
型号 B型 HJ-5 AB104-N
生产厂家
郑州长城科工贸有限公司 常州国化电器有限公司
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
3
2. 2 实验方法 2.2.1吸光度实验[9]
取配制好的流体溶液，用分光光度计测其吸光度，取间隔一定时间段测一次吸光度，进行10次测试。从而测出其稳定性。
2.2.2纳米流体的粘度实验
粘度是流体的重要物理性质之—，是区分顿流体和非牛顿流体的一个重要参数，在实际应用中，非牛顿流体粘度的测量有其广泛的用途[10]。取配制好的纳米流体适量，用乌氏粘度计测试。每个样平行测三次，求平均值。从而计算出流体的粘度。
2.2.3纳米流体沉降实验
用六个10ml的量筒分别量取制备好的纳米流体10ml，编好号，静
置24小时，观察沉降结果，读取量筒澄清液的体积。
2.2.4纳米流体表面张力实验
取已经制备好的纳米流体，用表面张力仪测其表面张力，平行测三次，求平均值，从而测得纳米流体的表面张力。
3 结果和讨论
3.1纳米二氧化钛流备
采用“两步法”制备纳米流体，先用氨水将去离子水的酸碱度调为pH=8，秤取一定质量的型TiO2纳米粉体 (平均粒径为25 nm ), 缓慢添加到100ml体积的去离子水（其他基液）中, 轻微搅拌后再加入一定质量的十二烷基硫酸钠 ( SDS与TiO2纳米粉体的质量比为1 : 1) , 将此固液混合物放于磁力搅拌器上搅拌之后, 再放入超声波清洗器中进行超声分散, 制备出质量浓度不同的TiO2-H2O纳米流体,分散剂的量不同的TiO2-H2O纳米流体,以及不同基液的TiO2-H2O纳米流体。进行纳米级纳米流备及其流体性能测试时，二氧化钛以及纳米二氧化钛含量、
4
分散剂用量、表面活性剂、搅拌对实验的效果都有较大的影响。
3.2纳米流体的吸光度随静置时间的变化
从图
3.2可见，0. 5%、0. 3%和0 . 1%质量浓度的纳米流体的吸光
度的变化很小， 说明这三种纳米流体的分散稳定性良好；0.05%、0.7%和1%质量浓度的纳米流体的吸光度的变化较。按照分散稳定性从好到差排列依次为 0.3%、0.5% 、0.1%。可见，在本实验研究质量浓度范围内的纳米流体的分散稳定性随质量浓度的增大先增强后减弱。分析认为导致这一现象的原因是实验所用的分散剂SDS属阴离子表面活性剂，本身易聚集形成增水端向里，亲水端向外的胶束，只有在一定条件下才能起到静电位阻稳定作用。
表3.1 纳米流体的吸光度随静置时间的变化
0.05 0.06
0
8
0.06
5
7
0.06
10
7
0.06
15
6
0.06
20
7
0.06
25
7
0.1 0.183
0.180
0.179
0.179
0.182
0.179
7
5
0.3 0.440
0.433
0.431
0.432
0.429
0.42
0 7 5 4 6 8
0.5 0.70
3 0.70
1 0.70
8 0.70
7 0.69
2 0.69
0
0.7 1.17
2 1.17
2 1.16
8 1.16
8 1.16
7 1.16
3
1 1.18
1.18
1.17
1.17
1.17
1.17
0.06
30
6
0.06
35
3
0.06
40
3
0.06
45
3
0.179
0.174
0.174
0.173
8 1 1 1
0.43
0 0.43
1 0.43
0 0.42
9
0.69
4 0.69
5 0.68
1 0.67
0
1.15
1 1.14
8 1.14
0 1.14
7
1.17
1.16
1.17
1.16
图3.1 纳米流体的吸光度随静置时间的变化
3.3粘度实验
6
3.3.1不同质量分数纳米二氧化钛对流体粘度的影响
表3.2 不同二氧化钛质量分数的纳米流体粘度
纳米流体的质量分数（%） 0.05 0.10 0.30 0.50 0.70 1.00
粘度（mPa.s） 0.6243 0.7253 0.7738 0.8016 0.6982 0.6056
3.3.2不同分散剂的量的纳米流体粘度实验
表3.3 不同分散剂的量的纳米流体粘度
纳米流体中不同分散剂的量（g） 0.05 0.10 0.30 0.50 0.70 1.00
粘度（mPa.s） 0.9602 0.9681 0.9760 0.9820 0.9880 0.9940
7
不同质量分数的纳米流体/%不同分散剂的量/g1.21流体的粘度/(mPa.s)0.80.60.40.2000.050.10.30.5变量的量/g0.7
图3.2 不同质量分数以及不同分散剂的量纳米流体与粘度的关系图
结果：由图3.4可以看出不同质量分数的纳米流体的粘度随着质量分数的增大先增大后减小，而同分散剂的量的纳米流体的粘度，随着分散剂的量的增大略微升高，但变化不是很大。
3.4沉降实验
3.4.1不同质量分数的纳米二氧化钛流体的沉降实验
图3.3 不同质量分数的纳米流体静置沉降结果 表3.4 不同质量分数的纳米流体静置沉降结果
纳米流体的质量分数（%）
静置24 h后澄清液部分的体积（ml）
8
0.05 0.1 0.3 0.5 0.7 1
3.2 2 0.7 0.7 0.5 0.3
3.4.2不同分散剂的量的纳米流体沉降实验
图3.4 不同分散剂的量的纳米流体沉降结果 表3.5 不同分散剂的量的纳米流体沉降结果 纳米流体中不同量的分散剂（g）
0.05 0.1 0.3 0.5 0.7
9
静置24 h后澄清液部分的体积（ml）
3.2 0.6 0.4 0.4 0.2
1
0.2
图3.5 不同分散剂的量的纳米流体沉降结果曲线
3.4.3不同溶剂的纳米流体沉降实验
分别以去离子水、丙三醇、正丁醇为溶剂，同样加入0.3%的十二烷基硫酸钠（SDS分散剂），把流体浓度配成0.3%的浓度，制得不同溶剂的纳米二氧化钛，并分别标记好编号。将制得的流体分别倒入10ml量筒中，静置24h，观察沉降情况。静置24小时之后，观察结果如下图所示：
图3.6 不同溶剂的纳米流体沉降结果 表3.6 不同溶剂的纳米流体沉降结果
10
纳米流体不同溶剂
水 丙三醇 正丁醇
静置24 h后澄清液部分的体积（ml）
0.6 0 9.7
从图3.6和图3.8可以看出，不同质量分数的纳米流体的沉降速度不一样，随着质量分数的的增大，纳米流体的沉降速度减小。不同分散剂的量的纳米流体沉降速度不一样，随着分散剂的量的增大，沉降速度减小。但0.05-0.1g的量、0.3-0.5g的量、0.7-1.0g的量区间变化不大。从图3.9和表3.10可以看出不同溶剂中纳米流体的沉降速度不一样，从大到小依次为正丁醇，水，丙三醇。纳米流体在丙三醇中分散稳定性比较好。
3.5表面张力实验
3.5.1不同质量分数的纳米二氧化钛流体的表面张力实验
表3.7 不同质量分数的纳米流体的表面张力
纳米流体的质量分数（%）
0（去离子水）
0.05 0.10 0.30 0.50 0.70
表面张力（毫牛顿/米）
72.0 33.3 33.9 33.1 33.6 33.3
11
1.00 32.5
3.5.2不同分散剂的量的纳米流体表面张力实验
表3.8 不同质量分数的纳米流体的表面张力
纳米流体中不同分散剂量（g）
0（去离子水）
0.05 0.10 0.30 0.50 0.70 1.00
表面张力（毫牛顿/米）
68.0 30.6 28.2 30.0 30.4 31.2 29.5
3.5.3不同溶剂的纳米流体表面张力实验
表3.9 不同溶剂的纳米流体的表面张力
纳米流体不同溶剂（g） 参比液（去离子水）
水 丙三醇 正丁醇
表面张力（毫牛顿/米）
71.1 32.9 55.4 23.1
结果：从表中可以看出纳米流体的表面张力都比参比液（去离子水）的小，随着质量分数的增大和分散剂的量的增大，纳米流体的表面张力
12
变化不大。在一定幅度内波动。从表3.13可以看出不同溶剂的纳米流体的表面张力不一样，从大到小依次为参比液，丙三醇，水，正丁醇。
3.6实验讨论
进行纳米级纳米流备及其流体性能测试时，二氧化钛以及纳米二氧化钛含量、分散剂用量、表面活性剂、搅拌对实验的效果都有较大的影响。
3.6.1纳米二氧化钛的含量的影响
常用的TiO2与水的质量比为1 ：（6-10）。如果质量分数过大，会使粉末分散不良，从而形成二氧化钛的软团聚，二氧化钛团聚体虽然在粉碎时被打开，形成内表面暴露，但只是有部分二氧化钛颗粒表面被包覆而已，使得分散效果不是很好；如果质量分数过小，就会使在过滤时液体体积增大，操作时费时间，降低了分散的效率。 3.6.2分散剂的影响
因为分散剂的作用只是使团聚的二氧化钛重新分散，而使其表面包上一层膜。在实际应用当中，真正起作用的还是二氧化钛，故分散剂的用量不宜过多，一般质量分数不超过粉料的1%。制备纳米流体是添加分散剂可以改变离子表面性质，从而改变粒子和基液、粒子与粒子间的相互作用。分散剂对纳米流体悬浮稳定性的影响有：改变粒子间的静电斥力势能；吸附在纳米粒子表面增加了粒子之间的距离；吸附在纳米粒子表面形成吸附层，当两粒子相互接触时被压缩时，吸附层的压缩和重叠参透等变形会导致吸附层的熵效应、弹性效应、渗透效应和焓效应，产生一种新的空间斥力势能而阻止粒子聚集[11]。 3.6.3表面活性剂的影响
制备所需材料的第一步是选择合适的表面活性剂。能人为控制反应过程的进度、团聚度和成膜能力，是借助添加合适的表面活性剂，而成
13
膜能力非常关键。一旦在颗粒表面成膜，对生成的颗粒就会起稳定和保护作用，而且还能防止颗粒进一步成长。不同用途的产品，其用量也不同，高者质量比可达10%，低者也有小于1%不等。 3.6.4搅拌的影响
搅拌对实验效果有影响，如：搅拌小而快的，剪切力会大，就会破坏包覆膜。为使纳米TiO2流体团聚体得到充分的分散，应使用大且慢的搅拌器应用在在分散过程中。为了达到使团聚体分散的目的在搅拌过程中可使用机械力或超声振荡。搅拌或超声时间通常不少于30min。
4.结论
（l）采用溶胶一凝胶法制备纳米二氧化钛, 钛醇盐与水的摩尔比2~4；乙醇与钛醇盐的摩尔比6~8； pH值2~3；水解反应温度 25℃~ 30℃。在这条件下制得纳米二氧化钛的粒径约为25nm。
（2）纳米流体的分散稳定性随着质量浓度的增大先增强后减弱, 0. 3% ~ 0. 7% 质量浓度范围内的纳米流体的分散稳定性较好。
（3）分散剂的量会影响纳米流体的分散稳定性，过多过少都会对纳米流体稳定性能的影响。一般分散剂的量与样品的质量比为1：1为宜。
（4）纳米粒子对纳米流体稳定性的影响：由于纳米粒子的小尺寸效应，纳米流体的悬浮稳定性主要取决于作用在纳米粒子的表面力。纳米粒子的密度越小，团聚体所受到的沉降力就越小，纳米流体的悬浮稳定性就越高。
（5）在介电常数相差不大的基液中，基液流体的动力粘度对纳米粒子悬浮液稳定性起主要作用。对于用相同纳米粒子制备的纳米流体，基液动力粘度越大，悬浮于基液中的纳米颗粒越不容易碰撞集聚，粒子沉降速度也越慢。一般而言，常温下的正丁醇、水、丙三醇的动力粘度是依次递增的，分别利用这些基液制备的纳米流体的稳定性也是依次递增。
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参考文献
[1] 张巧慧,朱华. 新型传热工质纳米流体的研究与应用.实用节能技术,2006,2
[2] 王补宣,李春辉,彭晓峰.纳米颗粒悬浮液稳定性分析[J].应用基础与工程科报,2003,11
[3] 刘静．微米纳米尺度传热学．北京：科学出版社，2001.188 [4] Lai S K，O Hanlon D E，Harrold S et a1．Nat1．Acad．Sci．USA，2007，104：1482
[5] Vadasz P．13th Iner．Heat Transfer Conf．Sydney，Australi， l3-l8 August．2006
[6] Keblisi P，Eastmn J A，Cahill D G．Materials Today，2005，8：36 [7] Eastman J A，Phillpot SR，Choi S U S et a1．Annu．Rev．Mater．Res．， 2004，34：219.
[8] Murshd S M S，Leong K C，Yag C．Int J Thermal Sci,2005,44:367 [9] 贾莉斯，曾颖，莫松平.二氧化钛纳米流体的固液相变特性.工程热物理学报，2011，32（11）：1913-1916
[10] 王庭慰，何小兵，郭百涛等．生物合成聚γ-谷氨酸(钠盐型)稀溶液的粘度特性[J]．南京工业大学学报，2003，25(5)：-67
[11] 胡纪华，杨兆禧，郑忠.胶体与界面化学.广州：华南理工大学出版社，1998.
15
