納米TiO2流體的分散及穩(wěn)定性研究

1、納米TiO2流體的分散及穩(wěn)定性研究* * *（廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州）摘 要采用“兩步法”1制備出不同濃度、不同分散劑的TiO2-H2O納米流體以及不同基液的二氧化鈦納米流體, 選用紫外分光光度法對(duì)不同分散劑量納米流體的分散穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià), 使用烏氏粘度計(jì)對(duì)納米流體中不同分散劑量的流體以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二氧化鈦納米流體進(jìn)行了粘度測(cè)定，同時(shí)對(duì)納米流體的表面張力和重力沉降能力進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 納米粒子的密度越小，團(tuán)聚體所受到的沉降力就越小，納米流體的懸浮穩(wěn)定性就越高；納米流體的分散穩(wěn)定性隨著TiO2粒子質(zhì)量濃度的增大先增強(qiáng)后減弱; 一般分散劑的用量與樣品的質(zhì)量比為1

2、：1為宜；在介電常數(shù)相差不大的基液中，基液流體的動(dòng)力粘度對(duì)納米粒子懸浮液穩(wěn)定性起主要作用。關(guān)鍵詞：納米流體 質(zhì)量濃度 分散穩(wěn)定性 粘度 表面張力 重力沉降Nano TiO2 liquid dispersion and stability study* * *(Biological and chemical engineering institute，Guangxi university of science and technology Liuzhou,China)AbstractWith titanium butyl acetate acid as the main raw material

3、, 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

4、 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 ab

5、ility method. The experimental results show that the density of the 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

6、 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 concentratio

7、n Scattered stability viscosity Surface tension Gravity settlement1 引言納米流體的工業(yè)應(yīng)用前景納米流體在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景，納米流體的研究和應(yīng)用為許多高科技領(lǐng)域方面一些難題的解決提供了新的方法和思路2。納米流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)高于相應(yīng)純流體，這使其傳熱性明顯增強(qiáng)3，前期開展的對(duì)納米流體研究，主要集中在： ( 1 )納米流體特性研究及其應(yīng)用；( 2 )納米流體生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用4；( 3 )納米流體的強(qiáng)化傳熱機(jī)理解釋，有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論刻畫；(4 )納米流體的制備及表面處理技術(shù)；( 5 )納米流體應(yīng)用的毒性問題或安

8、全性等方面。討論納米流體研究中幾類富有啟發(fā)性的新進(jìn)展和新動(dòng)向，至于更廣泛的評(píng)述傳統(tǒng)納米流體研究的內(nèi)容5-7納米流體實(shí)際應(yīng)用中的主要問題是納米流體的穩(wěn)定性問題。因納米顆粒的比表面積很大，造成很大的顆粒表面能，從而引起懸浮液的熱力學(xué)不穩(wěn)定?；好芏纫话闱闆r下小于固體顆粒密度，因而造成懸浮液的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定因素最終將促使顆粒沉降。文獻(xiàn)8的實(shí)驗(yàn)表明，采用粘度大的基液、分散劑的加入、減小納米顆粒直徑對(duì)于懸浮液穩(wěn)定性的改善非常明顯。通過選取合適的顆粒種類、顆粒直徑、與基液種類的匹配,可顯著地改善懸浮液的穩(wěn)定性。2 實(shí)驗(yàn)2. 1 藥品與儀器2. 1. 1 藥品納米二氧化鈦，平均粒徑為25 nm;異

9、丙醇，分析純，純度 99.5%；無水乙醇，分析純，純度99.7%；冰醋酸，純度99.5%；乙酰丙酮， 純度 99.0%；氨水，分析純，純度25%-28%；十二烷基硫酸鈉（SDS），化學(xué)純；丙三醇，分析純：正丁醇，分析純；（柳州市益嘉化工儀器有限公司）。去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制）。2. 1. 2 儀器表2.1 實(shí)驗(yàn)所需儀器表 儀器名稱型號(hào)生產(chǎn)廠家玻璃儀器氣流烘干器B型鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司多功能攪拌器HJ-5常州國(guó)化電器有限公司電子分析天平AB104-N型梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司電熱鼓風(fēng)干燥箱101-1b上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司接觸調(diào)壓器TDG2J-2鴻寶電氣有限公司pH計(jì)PHS-25上海雷

10、磁儀器廠紫外可見分光光度計(jì)UV-722上海市精密科學(xué)儀器有限公司臺(tái)式超聲波清洗器BL智能型上海之信儀器有限公司全自動(dòng)界面張力儀DT-102淄博華坤電子儀器有限公司X射線衍射儀變溫控制器SHL-2丹東浩元儀器有限公司掃描探針顯微鏡多功能-a美國(guó)維易科精密儀器有限公司2. 2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1吸光度實(shí)驗(yàn)9取配制好的流體溶液，用分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，取間隔一定時(shí)間段測(cè)一次吸光度，進(jìn)行10次測(cè)試。從而測(cè)出其穩(wěn)定性。2.2.2納米流體的粘度實(shí)驗(yàn) 粘度是流體的重要物理性質(zhì)之，是區(qū)分頓流體和非牛頓流體的一個(gè)重要參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，非牛頓流體粘度的測(cè)量有其廣泛的用途10。取配制好的納米流體適量，用烏氏粘度計(jì)

11、測(cè)試。每個(gè)樣平行測(cè)三次，求平均值。從而計(jì)算出流體的粘度。2.2.3納米流體沉降實(shí)驗(yàn) 用六個(gè)10ml的量筒分別量取制備好的納米流體10ml，編好號(hào)，靜置24小時(shí)，觀察沉降結(jié)果，讀取量筒澄清液的體積。2.2.4納米流體表面張力實(shí)驗(yàn)取已經(jīng)制備好的納米流體，用表面張力儀測(cè)其表面張力，平行測(cè)三次，求平均值，從而測(cè)得納米流體的表面張力。3 結(jié)果和討論3.1納米二氧化鈦流體制備采用“兩步法”制備納米流體，先用氨水將去離子水的酸堿度調(diào)為pH=8，秤取一定質(zhì)量的型TiO2納米粉體 (平均粒徑為25 nm ), 緩慢添加到100ml體積的去離子水（其他基液）中, 輕微攪拌后再加入一定質(zhì)量的十二烷基硫酸鈉 ( SD

12、S與TiO2納米粉體的質(zhì)量比為1 : 1) , 將此固液混合物放于磁力攪拌器上攪拌之后, 再放入超聲波清洗器中進(jìn)行超聲分散, 制備出質(zhì)量濃度不同的TiO2-H2O納米流體,分散劑的量不同的TiO2-H2O納米流體,以及不同基液的TiO2-H2O納米流體。進(jìn)行納米級(jí)納米流體制備及其流體性能測(cè)試時(shí)，二氧化鈦以及納米二氧化鈦含量、分散劑用量、表面活性劑、攪拌對(duì)實(shí)驗(yàn)的效果都有較大的影響。3.2納米流體的吸光度隨靜置時(shí)間的變化 從圖3.2可見，0. 5%、0. 3%和0 . 1%質(zhì)量濃度的納米流體的吸光度的變化很小， 說明這三種納米流體的分散穩(wěn)定性良好；0.05%、0.7%和1%質(zhì)量濃度的納米流體的吸光

13、度的變化較。按照分散穩(wěn)定性從好到差排列依次為 0.3%、0.5% 、0.1%。可見，在本實(shí)驗(yàn)研究質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的納米流體的分散穩(wěn)定性隨質(zhì)量濃度的增大先增強(qiáng)后減弱。分析認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是實(shí)驗(yàn)所用的分散劑SDS屬陰離子表面活性劑，本身易聚集形成增水端向里，親水端向外的膠束，只有在一定條件下才能起到靜電位阻穩(wěn)定作用。表3.1 納米流體的吸光度隨靜置時(shí)間的變化0.050.10.30.50.7100.0680.1830.440 0.708 1.173 1.182 50.0670.180 0.433 0.706 1.171 1.182 100.0670.1790.431 0.704 1.168 1.

14、178 150.0660.1790.432 0.705 1.167 1.178 200.0670.1820.429 0.697 1.162 1.177 250.0670.1790.427 0.690 1.160 1.173 300.0660.1790.431 0.690 1.154 1.171 350.0630.1740.431 0.691 1.145 1.168 400.0630.1740.431 0.680 1.141 1.170 450.0630.1730.428 0.679 1.140 1.167 圖3.1 納米流體的吸光度隨靜置時(shí)間的變化3.3粘度實(shí)驗(yàn)3.3.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米二氧化

15、鈦對(duì)流體粘度的影響表3.2 不同二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體粘度納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）粘度（mPa.s）0.050.62430.100.72530.300.77380.500.80160.700.69821.000.60563.3.2不同分散劑的量的納米流體粘度實(shí)驗(yàn)表3.3 不同分散劑的量的納米流體粘度納米流體中不同分散劑的量（g）粘度（mPa.s）0.050.96020.100.96810.300.97600.500.98200.700.98801.000.9940圖3.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及不同分散劑的量納米流體與粘度的關(guān)系圖 結(jié)果：由圖3.4可以看出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的粘度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)

16、的增大先增大后減小，而同分散劑的量的納米流體的粘度，隨著分散劑的量的增大略微升高，但變化不是很大。3.4沉降實(shí)驗(yàn)3.4.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化鈦流體的沉降實(shí)驗(yàn)圖3.3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體靜置沉降結(jié)果表3.4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體靜置沉降結(jié)果納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）靜置24 h后澄清液部分的體積（ml）0.053.20.120.30.70.50.70.70.510.33.4.2不同分散劑的量的納米流體沉降實(shí)驗(yàn)圖3.4 不同分散劑的量的納米流體沉降結(jié)果表3.5 不同分散劑的量的納米流體沉降結(jié)果納米流體中不同量的分散劑（g）靜置24 h后澄清液部分的體積（ml）0.053.20.10.60

17、.30.40.50.40.70.210.2 圖3.5 不同分散劑的量的納米流體沉降結(jié)果曲線3.4.3不同溶劑的納米流體沉降實(shí)驗(yàn)分別以去離子水、丙三醇、正丁醇為溶劑，同樣加入0.3%的十二烷基硫酸鈉（SDS分散劑），把流體濃度配成0.3%的濃度，制得不同溶劑的納米二氧化鈦，并分別標(biāo)記好編號(hào)。將制得的流體分別倒入10ml量筒中，靜置24h，觀察沉降情況。靜置24小時(shí)之后，觀察結(jié)果如下圖所示：圖3.6 不同溶劑的納米流體沉降結(jié)果表3.6 不同溶劑的納米流體沉降結(jié)果納米流體不同溶劑靜置24 h后澄清液部分的體積（ml）水0.6丙三醇0正丁醇9.7從圖3.6和圖3.8可以看出，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的沉

18、降速度不一樣，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的的增大，納米流體的沉降速度減小。不同分散劑的量的納米流體沉降速度不一樣，隨著分散劑的量的增大，沉降速度減小。但0.05-0.1g的量、0.3-0.5g的量、0.7-1.0g的量區(qū)間變化不大。從圖3.9和表3.10可以看出不同溶劑中納米流體的沉降速度不一樣，從大到小依次為正丁醇，水，丙三醇。納米流體在丙三醇中分散穩(wěn)定性比較好。3.5表面張力實(shí)驗(yàn)3.5.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化鈦流體的表面張力實(shí)驗(yàn)表3.7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的表面張力納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）表面張力（毫牛頓/米）0（去離子水）72.00.0533.30.1033.90.3033.10.5033.6

19、0.7033.31.0032.53.5.2不同分散劑的量的納米流體表面張力實(shí)驗(yàn)表3.8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體的表面張力納米流體中不同分散劑量（g）表面張力（毫牛頓/米）0（去離子水）68.00.0530.60.1028.20.3030.00.5030.40.7031.21.0029.53.5.3不同溶劑的納米流體表面張力實(shí)驗(yàn)表3.9 不同溶劑的納米流體的表面張力納米流體不同溶劑（g）表面張力（毫牛頓/米）參比液（去離子水）71.1水32.9丙三醇55.4正丁醇23.1結(jié)果：從表中可以看出納米流體的表面張力都比參比液（去離子水）的小，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大和分散劑的量的增大，納米流體的表面張力變化

20、不大。在一定幅度內(nèi)波動(dòng)。從表3.13可以看出不同溶劑的納米流體的表面張力不一樣，從大到小依次為參比液，丙三醇，水，正丁醇。3.6實(shí)驗(yàn)討論進(jìn)行納米級(jí)納米流體制備及其流體性能測(cè)試時(shí)，二氧化鈦以及納米二氧化鈦含量、分散劑用量、表面活性劑、攪拌對(duì)實(shí)驗(yàn)的效果都有較大的影響。3.6.1納米二氧化鈦的含量的影響常用的TiO2與水的質(zhì)量比為1 ：（6-10）。如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，會(huì)使粉末分散不良，從而形成二氧化鈦的軟團(tuán)聚，二氧化鈦團(tuán)聚體雖然在粉碎時(shí)被打開，形成內(nèi)表面暴露，但只是有部分二氧化鈦顆粒表面被包覆而已，使得分散效果不是很好；如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小，就會(huì)使在過濾時(shí)液體體積增大，操作時(shí)費(fèi)時(shí)間，降低了分散的效率。3

21、.6.2分散劑的影響因?yàn)榉稚┑淖饔弥皇鞘箞F(tuán)聚的二氧化鈦重新分散，而使其表面包上一層膜。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，真正起作用的還是二氧化鈦，故分散劑的用量不宜過多，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過粉料的1%。制備納米流體是添加分散劑可以改變離子表面性質(zhì)，從而改變粒子和基液、粒子與粒子間的相互作用。分散劑對(duì)納米流體懸浮穩(wěn)定性的影響有：改變粒子間的靜電斥力勢(shì)能；吸附在納米粒子表面增加了粒子之間的距離；吸附在納米粒子表面形成吸附層，當(dāng)兩粒子相互接觸時(shí)被壓縮時(shí)，吸附層的壓縮和重疊參透等變形會(huì)導(dǎo)致吸附層的熵效應(yīng)、彈性效應(yīng)、滲透效應(yīng)和焓效應(yīng)，產(chǎn)生一種新的空間斥力勢(shì)能而阻止粒子聚集11。3.6.3表面活性劑的影響制備所需材料的第一

22、步是選擇合適的表面活性劑。能人為控制反應(yīng)過程的進(jìn)度、團(tuán)聚度和成膜能力，是借助添加合適的表面活性劑，而成膜能力非常關(guān)鍵。一旦在顆粒表面成膜，對(duì)生成的顆粒就會(huì)起穩(wěn)定和保護(hù)作用，而且還能防止顆粒進(jìn)一步成長(zhǎng)。不同用途的產(chǎn)品，其用量也不同，高者質(zhì)量比可達(dá)10%，低者也有小于1%不等。3.6.4攪拌的影響攪拌對(duì)實(shí)驗(yàn)效果有影響，如：攪拌小而快的，剪切力會(huì)大，就會(huì)破壞包覆膜。為使納米TiO2流體團(tuán)聚體得到充分的分散，應(yīng)使用大且慢的攪拌器應(yīng)用在在分散過程中。為了達(dá)到使團(tuán)聚體分散的目的在攪拌過程中可使用機(jī)械力或超聲振蕩。攪拌或超聲時(shí)間通常不少于30min。4.結(jié)論（l）采用溶膠一凝膠法制備納米二氧化鈦, 鈦醇鹽與水的摩爾比24；乙醇與鈦醇鹽的摩爾比68； pH值23；水解反應(yīng)溫度 25 30。在這條件下制得納米二氧化鈦的粒徑約為25nm。（2）納米流體的分散穩(wěn)定性隨著質(zhì)量濃度的增大先增強(qiáng)后減弱, 0. 3% 0. 7% 質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的納米流體的分散穩(wěn)定性較好。（3）分散劑的量會(huì)影響納米流體的分散穩(wěn)定性，過多過少都會(huì)對(duì)納米流體穩(wěn)定性能的影響。一般分散劑的量與樣品的質(zhì)量比為1：1為宜。（4）納米粒子對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響：由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)，納米流體的懸浮穩(wěn)定性主要取決于作用在納米粒子的表面力。納米粒子的密度越小，團(tuán)聚體所受到的沉降力就越小，納米流體的懸浮穩(wěn)定性就越高。（