水基ZnO納米流體黏度及流變特性研究

石 月，楊 賓

（河北工業大學能源與環境工程學院，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流體中形成比基液傳熱性能更好的均勻穩定的懸浮液[2]。此后，納米流體在太陽能、傳熱等領域取得了廣泛的應用[3-4]。

當前，關于納米流體黏度的研究逐步增多，并得出以下結果：Namburu等[5]實驗分析了乙二醇和水混合基氧化銅（體積分數之比為60∶40）的懸浮液，并在溫度為-35～50℃的區間，研究溫度對懸浮液的影響；結果發現，不同體積分數下的懸浮液（0%～6.12%），當溫度升高時，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 ℃區間內懸浮液黏度的變化規律；實驗數據也顯示，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，黏度越大的結果。Zav′yalov 等[9]針對納米團聚與納米流體黏度之間的關系提出了一種流體中納米粒子表面相關層的模型，通過該模型證明了納米顆粒之間的團聚是必然的，且會對黏度造成一定的影響。Chen 等[10]對含有0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%（質量分數）TNT的乙二醇基鈦酸納米管（TNT）納米流體在20～60°C下的流變行為進行了實驗；結果表明，TNT納米流體具有很強的剪切稀化行為，顆粒濃度和溫度對零剪切黏度和高剪切黏度有很大影響。許多學者預測納米流體黏度特性并進行理論研究，但實驗結果與理論基礎并不完全吻合，存在差異可能是布朗運動、制備方法、測量技術等原因造成的。因此，需要進一步的工作來驗證納米流體黏度的相關理論，為其領域提供更具深度、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，制成的納米流體可抵制重力，懸浮液穩定性好，同時在傳熱方面還可增強換熱效率[11-14]。但目前納米氧化鋅的性質研究才剛剛起步，許多基本性質尚不明確，關于黏度的研究也并未得出統一規律，很大程度上制約其應用。故對納米氧化鋅進行相關理論研究是十分必要的。本文主要研究了納米流體在ZnO質量分數、溫度、剪切率、剪切應力條件下的黏度及流變特性。

1 實驗

1.1 實驗原料及設備

本研究用“兩步法”制得了ZnO納米流體，同時利用XRD、TEM表征ZnO納米顆粒，最后對納米流體黏度進行測試。分散介質采用蒸餾水作為基液：分析純AR，電導率為0.1 μS/cm。分散劑為：阿拉伯樹膠（Acacia），分析純AR，化學式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 的納米級氧化鋅。分散劑阿拉伯樹膠雜質最高含量和納米ZnO 顆粒的主要參數分別如表1 和表2 所示，實驗用到的設備如表3所示。

表1 阿拉伯樹膠的雜質最高含量Tab.1 Maximum impurity content of gum Arabic

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

表3 實驗所用設備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程中的重要添加劑，嚴重影響其制備的穩定性，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，形成保護膜，當粒子聚集時，粒子表面高分子保護膜被擠壓，斥力增大，最終使粒子彼此遠離，降低了納米顆粒的聚集沉降[15]。阿拉伯樹膠不僅排除了其他分散劑存在的問題且具有強有效的分散性，加入氧化鋅納米流體中可起到高效分散、增強穩定性的作用，所以本實驗用阿拉伯樹膠作為分散劑。

首先量取一定量蒸餾水放入燒杯中，其次在天平上稱量一定質量的ZnO 納米顆粒放入燒杯中進行充分均勻的混合，室溫下使用磁力攪拌器攪拌30 min，攪拌同時加入一定量的阿拉伯樹膠進行更好的分散，攪拌完成后在室溫下進行2 h的超聲波分散，得到水基ZnO 納米流體溶液。隨后對納米流體進行黏度的測量及分析記錄。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 測試結果及分析

2.1 樣品的表征

圖2 是實驗所用氧化鋅納米顆粒的XRD 譜圖（測量儀器：日本-理學-UltimalV），其峰值（100、002、101、102、110、103、200、112、201、004和202）和國際粉末衍射標準聯合委員會公布的單斜結構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是實驗所用氧化鋅納米顆粒的TEM（測量儀器：日本-JEOL-JEM 2100F）圖，從圖中可以看出，氧化鋅納米顆粒的微觀結構為團聚的微球和立方結構，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 種不同溫度環境下隨納米顆粒質量分數（分別為0.4%，0.788%，1.173%，1.552%，1.925%，2.292%）的變化關系。

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，曲線整體呈上升趨勢，和基液做對比，0.4%～2.292%質量分數下，納米流體黏度各增大了24.8%、43.1%、72.1%、102%、123%和174.3%。隨著納米顆粒質量分數的增加，由于其自身比表面積大，表面能較高，納米顆粒之間容易發生簇團而下沉，導致納米流體中分子流動克服內摩擦力需消耗的能量逐步增大，納米流體呈現出的宏觀現象就是黏度的增大。同時，當溫度由15 ℃上升到55 ℃時，不同質量分數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，實驗數據顯示，各溫度條件下，濃度越大，黏度差越大。

實驗數據得出，不改變溫度的條件下，濃度越大，黏度越大。因為隨著加入的粒子數增加，粒子間更容易沉聚下降，分子運動就要消耗更多的能量，最終導致黏度越大。綜合實驗數據，0.4%質量分數下，所制備流體黏度最小。

2.3 納米流體溫度與黏度的關系

圖5 是0.4%～2.292%質量分數時，所制備流體黏度隨溫度的變化曲線。

圖5 不同質量分數條件下納米流體黏度與溫度的關系Fig.5 The relationship between viscosity and temperature of nanofluids under different mass fraction conditions

圖5 中數據顯示，溫度由15 ℃升到55 ℃，黏度曲線在非線性下降。這是由于隨著溫度的升高，所制備流體中分子運動得更激烈，速度更快，分子間作用力更低，從而納米流體黏度降低。從實驗結果可以看出，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系

圖6 a）～e）是不同溫度條件下不同質量分數ZnO納米顆粒的納米流體黏度隨剪切率的變化曲線。圖6a）～e）宏觀展現出一致的變化規律，即在剪切率小于10 s-1時，隨著剪切率的增大，納米流體的黏度均逐漸降低，超過10 s-1后黏度趨于穩定。這是由于速度梯度及布朗運動會導致納米顆粒團簇數量改變。剪切率較低時，布朗運動占主導地位，導致納米顆粒團簇較多，黏度較大；隨著剪切率的增大，納米粒子布朗運動被破壞，導致納米團簇減少，從而納米流體黏度降低[16-20]；當剪切率達臨界值時，布朗運動完全破壞，納米粒子不再發生團簇，納米流體黏度也不再降低[16-20]。故在剪切率小于10 s-1時，納米粒子聚沉現象明顯，黏度變化較大；剪切率大于10 s-1時，納米粒子聚沉逐漸緩慢，黏度變化趨于平緩。

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

溫度不變時，所制備流體黏度隨濃度增加而增大。例如：圖6a）15 ℃時，與純水做比較，0.4%～2.292%質量分數條件下，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，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，范德瓦爾斯力會更大，從而導致所制備流體黏度也增大。

與此同時，圖6a）～e）曲線顯示，測試條件不變時，溫度升高，黏度降低。例如：圖6a）～e）顯示，0.4%質量分數條件下，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%質量分數條件下，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，會導致納米流體分子間熱運動加劇，摩擦力降低，分子間范德瓦爾斯力減弱，體現為溫度升高，所制備流體黏度降低。

2.5 剪切率對剪切應力的影響

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

圖7 不同溫度和不同質量分數條件下納米流體剪切應力隨剪切率的變化曲線Fig.7 The variation curve of shear stress with shear rate for nanofluids under different temperature and mass fraction conditions

3 結論

本研究選取了ZnO納米顆粒和分散劑阿拉伯樹膠，分析了納米顆粒質量分數、溫度、剪切率對納米流體黏度影響，并對納米流體流動特性進行了研究。得到以下結論。

1）溫度不變時，所制備ZnO 流體黏度隨質量分數增加而增大。不同溫度下，納米流體黏度差隨納米流體質量分數增大而增大：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 ℃，黏度曲線在非線性下降。15 ℃時，黏度增大較多，55 ℃時，納米流體黏度增大逐漸減小。

3）對于不同剪切率來說，在剪切率小于10 s-1時，隨著剪切率的增大，納米流體的黏度均逐漸降低，超過10 s-1后黏度趨于穩定。溫度不變，制備流體黏度隨質量分數的增加而增大；測試條件不變，溫度由15 ℃升到55 ℃，制備流體黏度降低。

4）對于不同剪切率下的剪切應力來說，在剪切率小于20 s-1時，不同質量分數ZnO納米顆粒的納米流體剪切應力隨著剪切率的增加呈直線關系。較低的質量分數，即0.4%時，表現為牛頓流體；其他質量分數較高，表現為非牛頓流體。剪切率大于20 s-1時，剪切應力隨著剪切率并非呈直線上升，為非牛頓流體。與此同時，同溫度下，所制備流體質量分數越大，剪切應力越大，故納米流體質量分數為0.4%較合適。

因此，在以阿拉伯樹膠為分散劑，氧化鋅納米顆粒為溶質的納米流體中，因質量分數為0.4%時，范德瓦爾斯力小、剪切應力小、黏度低且納米流體更穩定，故納米流體質量分數0.4%較合適。