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SiO2纳米流体粘度研究


第2 5卷 第 5期 
20 06年 1   0月

硅 

酸 

盐 

通 

报 

V0 . 5 N .   12   o 5 Oco e , 0 6 tb r 2 0  

BUL E I  0F L TN  T  CH

I S  C AMI   S HE NE E ER C OCI Y ET  

SO2纳 米流 体 粘 度 研 究  i
郭顺松 , 骆仲 泱 , 王 涛, 赵佳 飞 , 可 法  岑
30 2 ) 10 7 

( 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 , 杭州

摘要 : 利用醇盐水解法 制备 了 分散球形 S : 单 i 纳米流体 , O 通过改变不 同的参数 条件控制颗粒尺寸 大小 , 经透射 电镜 
( E 和激光粒度仪分析 , T M) 其粒度结果一致 。在此基础 上 , 不同粒度 和浓 度条件 下 流体 的粘 度进 行 了试 验研究  对 和理论分析 , 发现 在相同浓度的条件下 , 随着颗粒尺寸的减小 , 流体粘度递增 。同时我们 对低浓 度下悬 浮液粘度 计 

算公式进行 了修正 , 得到了新的实验关联式 , 修正式与试验值 的最 大偏 差不超过 5 。 % 
关键词 : 醇盐水解 法 ;单分散 ;SO 纳米 流体 ;粘度  i 

Vic st   fM o o ip r e S l a Na o u d   so i o   n ds e s  i c   n f is y i l
G OSu — n , U   hn 一 U  hns g L OZ og  o ,W NGTo Z A  i- iC N e A  a , H OJa e,E K  f

( teK yL brt yo  l nE eg  ti tn, hj n   nvrt, nzo  30 2 ) Sa   e a oa r f e   nryUiz i Z ei gU i sy Haghu 10 7  t o C a la o a ei

Ab t a t: n f d   t  n d s e s  s he c l slc   a tce   r  o t i e     l o i e h d oy i  s r c Na o l s wi mo o ip re p r a  iia p ril s we e b a n d by a k x d   y r lss ui h i p e i i t n me h d Th   ie o   a tc e  s c n r le   nd r d fe e tc nd t n . T   ie a d sz   r c pt i   t o . ao e sz   fp ri ls wa   o to ld u e   ifr n  o ii s o he sz   n   ie

ds b t nw r tde  yT M a dlsrprces ea aye ( P A) hc r    codn  i   i r ui   e s idb   E  n  ae  a il i  n l r L S ,w i aei acra t t t i o e u t  z z h n w h
e c   te 、Vic st  fte n n f d   r  n e tg t d i   x e me ta  h o y a h oh r s o iy o     a o ui swe e i v si ae  n e p r n   nd t e r .Th   x e i n  o d h l i e e p rme tfun   t a  tt e s me c n e ta in,t e v s o i   n r a e   t  h  d c e s   f t e sz   f p ril . Th n, h ta h   a   o c n r t o h   ic st i c e s s wih t e e r a e o  h   ie o   a c e y t e   c a sc lf r l o   ic st  f s s e so s wih O c nc n r to   S mo i e   n     e e pei n il ls ia  mua f r vs o iy o   u p n in   t lW  o e ta in i  df d a d a n w  x re ta  o i o mul  So ti e f r a i  b an d,Th   x ma  e i to   ewe n t e n w o mu a a d e pe me  S ls ha   e ma i ld va in b t e  h   e fr l  n   x r nti e s t n 5% . i  

Ke   r s ak xd   y r lssp e i i t n meh d;mo o i e s y wo d : l o ie h d o y i r cp t i   t o   ao n d s re;S O2n n f i s ic s y p i   a ol d ;v s o i   u t

随着微电子工业 的不断发展 , 单位面积 的散热量不断上升 , 普通的风冷和液冷将不再满足其散热要求 。   纳米流体…作为一种新型高效的换热工质而被提 了出来 , 已为国内外许多知名学者所广泛关注。目前研  并
究表明, 与基液相 比, 纳米流体的导热系数和对流换热系数都有显著的提高  J 。   在流体的流动及换热过程中, 粘度是一个重要的参数。许多工程应用技术需要确定流体的粘度 , 例如 :   机械工业中的冷却 和润滑摩擦磨损控制 , 液压系统性能计算和调节 , 石油工业 中油品的传输和调和等等 。要  研究纳米流体 的流动及换热性能 , 必须精确知道流体 的粘度 。但是 , 目前悬浮液的粘度计算值 比纳米流体的  实验值偏低 , 而且实验 中所用的纳米流体都是由两步法制备 , 存在很多 团聚体 , 很难进行 比较 。陈祖茂等  研究 了微米级玻璃珠一 甘油体系颗粒粒度对悬浮液粘度 的影响 , 表明细颗粒体系高于粗颗粒 体系的表观粘  度 。王补宣等  利用毛细管粘度计对添加了 S B 分散剂的 C O水( u DS u . C O平均粒径 5 n 纳米悬浮液粘度  0 m) 进行了i 量, 贝 实验表明在低浓度下相对粘度测量值远大于经验公式i 算值 , 0 贝 0 但是 由于分散剂的影响 , 未进行  修正。本文利用化学法一步制备了单分散球形 S : i 纳米流体 , O 测量 了不 同颗粒直径和浓度下 的粘度值 , 并 
尝试 推 导低浓 度 纳米 流体 的实验 关联 式 。  
作者 简介: 郭顺菘( 8., 硕士研究生. 1 1 男, 9 ) 主要从事纳米材料的热物理特件研究  

第 5期 

郭顺松等 :i  S 纳米流体粘度研究  O

5  3

1 实验 方 法   
利用醇盐水解 法一步制备高纯 、 单分散的球形超微颗粒 刮 , 通过控制不同的水解 条件 , 以获得颗粒  可 直径从几纳米到几十纳米以上, 组成均匀的高纯二氧化硅颗粒。  
1 1 实 验仪器  .

英国 M l n a e 激光粒度分析仪 ( ao 9 ) 透射电子显微镜 (E 一 0 E , v N n. 0 , ¥ J M 1 0 X) 旋转蒸发仪 ( 2 上海 申生科 
技 )乌 氏粘度 计 ( 细管 )精 密 恒温槽 ( 海思 尔达 , 一2 。 , 毛 , 上 J 5 B)  WC
1 2 制备流 程  . ’  

图1 S     i 纳米流体制备流程  O
F g 1 S h me o   r p r t n fr s ia n n f i s i .   c e   fp e a ai   o  i c   a o ul   o l d

13 结 果分析  .
Sz   it b t n b   ou e i e s i ui   yv lm   d r o

I  
Dim ee/m   a tr n

( a l 1( 1 r   a mp   6 . m) )S e 8 i

() a l 1( 1 n   b S mp   6 . m) e 8
’  

图 2 流体 中纳米颗粒 的激光粒度分布与 电镜结果 
F g 2 S z   it b t n o  a t ls a ay e   y L S a d T M  i .   ie d s i u i   fp r ce   n lz d b   P A  n   E r o i

上图显示了纳米流体的激光粒度分布与电镜照片结果 。制备所得的纳米流体为单峰分布, 且粒度分布 

较窄。激光粒度分布与电镜结果相吻合 , 颗粒基本呈单分散球形。  

2 粘 度 实验   
2 1 实验 方法  .

为了消除制备所得 到的流体 中无水 乙醇和氨水的影响 , 用旋转蒸 发仪进行多 次分离 , 最后得 到仅含 
SO 纳 米颗 粒 和水 的水基 纳米 流体 。利 用毛 细管粘 度计 对 五种 不 同平 均 粒经 的 流体 粘度 进 行测 量 , i  用精 密 

恒温槽进行控温( 精度为 00 ℃ ) .1 。首先我们对去离子水的粘度值进行标定 , 误差精度在 0 2 . %以内。同时 
重复多次测量 , 重现性很好。我们分别分析了温度、 体积浓度和颗粒粒径对悬浮液粘度的影响。  
2 2 结果 分析  .

上图显示了 2种粒径的纳米流体的粘度在不同体积分数的情况下随温度 的变化 , 其变化趋势与去离子 
水基 本一 致 , 说 明在 加入纳 米 颗粒后 流体 粘度 随温 度变 化 的特 性 未发 生 根本 变 化 。而 随 着颗 粒 浓 度 的增  这 加 , 体粘 度增 大 明显 , 流 并且 我们 发现 在 同浓 度 条件下 , 颗粒 尺 寸越小 , 粘度 增 大幅度 越 大 。  

5  专题论文  4

硅 酸 盐 通 报 

第2 5卷 

l7 ?  

1  ? 5

l    3
g 






1  

09  ̄   07 ?  

05 . 

2  0

2  5

3  0

3  5

4  0

4  5

5  0

℃ 

图 3 不 同浓度 和粒径 的纳米流体粘度 随温度的变化 
F g 3 Va a in o   ic s y w t e e au e frd f r n  o c n r t n a d sz   i r u in i.   i o r t   fv s o i   i tmp r tr  o   i e e tc n e tai   n   i d si t   t h f o e tb o

对于低浓 度悬 浮液 ( < . %) 根据 Ent n9   2O , iel si   J  
假设 , 忽略悬 浮 液 颗 粒 间 的相 互 作 用 力 , 粘 度 计 算  其 式 为 
叼 =叼 ( r1+2 5   . ) () 1 

B t eo 1进一 步 考虑颗 粒 间 的作用 力 对 ( ) ac l  1 h r0 1 式  作 了改 进 , 到  得
r /=叼 ( r 1+2 5 +6 2 4 ) .  .5,     () 2 
V l me%   ou /

式 中 叼和 叼 分 别 为悬浮 液 和基液 粘 度 , 为 悬 浮  ,  

液的体积浓 度。从 图 3可 知, 当流体 的颗 粒尺 寸 在  lO m以上时 , On 经典计算公式值稍偏 低 , 但仍可适用 。  

图 4 流体相对 粘度 的实验值和经验值 
F g 4 Va ai n o ea ie vs o i   i   ou   i.   i o r t   fr lt   ic st w t v l me v y h c n e t t n f re p rme t l n   x e in ild t  o c nr i    x e ao o i na  d e p r t   a a a e a

但 当颗粒尺寸远小于 lOm时 , On 实验值 远大于经验式 
典计算公式已不再适用。  

的计算值, 尤其是颗粒尺寸在 7 m, n 浓度为 2 %时 , , 流体粘度增大了近一倍 。说 明在颗粒达到纳米尺度时, 经  ’   对此现象可作以下解释 : 液体的粘性 主要是由于微团间的相互作用力引起的, 在悬浮液 中, 随着颗粒 尺  寸的减小 , 相同体积浓度下, 颗粒间距大大减小 , el si   此做过计算 。同时, K b nk 等¨ 对 i 颗粒 间的表面力急剧  增加¨ 整个悬浮液体系由于颗粒间作用力的相互牵制而形成一个类似 网格 的结构 ,  , 从而导致体系粘度增  大。这种结构在高浓度情况下更为明显 , 这从颗粒浓度增大 , 体系粘度增大幅度变大可以看 出。   通过对图 4中相对粘度变化 曲线的分析 , 我们发现流体相对粘度对悬浮液浓度具有很好的线性关系, 并  且随着颗粒尺寸的增大 , 流体粘度减小 , 趋近于 B t e r a hl 公式的计算值 , c o 这说明流体粘度 与颗粒尺寸大小成 
反 比 。为此 , 引入 颗粒 尺 寸影 响 因子 d对 B t eo 经 验公 式进 行如 下修 正 , ac l h r 假设 
rr // ( / s= 1+2 5 +6 2 6 ) 1+O ) .  .5  ( t     () 5 

式中。 为修正系数 , d为颗粒直径 (m) n  
其物 理意 义为 随着 悬浮 液 中颗粒 浓度 的增 加 , 粒 与颗 粒之 间 的距 离减 小 , 而 使得 颗粒 间 的相互 作用  颗 从 力( 主要是 牵 引力 ) 增加 ; 随着颗 粒尺 寸 的减小 , 大颗 粒 时可 以忽 略 不计 的表 面力 起 了很 大 的作 用 , 而 在 颗粒  间作 用力 进一 步加 强 。根据 牛顿 内摩擦 定 律 ¨    :
=  

’  

() 6 

在相同的速度梯度的条件下 , 流体 内部切 向应力 随着浓度的增加和颗粒尺寸的减小而增大 , 因此 ,5  ()

第5 期 

郭顺 松等 :i: S 纳米流体粘度研究  O

5  5

式的修正符合粘度的产生机理 , 具有一定的合理性。   代人各点数值进行计算 , 得到 a 30 得到  为 5,

r =12 +2 13鲁 / ( I 6 4( 5 ) / +5 I, +o   r b    ) 咖 5
14    12 . 

() 7 

10   

屋  霉 一 ;  
0 r 1   1矿   1矿   呐  —   0  

08 . 

图 5 不同浓度纳米流体相对粘度的经验值 、 实验值 和修正值 
F g 5 Va a in o  eai e vs o i   i   ie d s b t n f re p r n ila d e p r n a  n   d f d d t  i.  i o r t   fr lt   ic st w t sz  it u i  o   x e e t   n   x e me tl d mo i e   aa v y h i r o i a i a i

上 图是对理论修正和实验结果作对 比分析之后 , 在不同体积百分 比的情况下 , 得到的悬浮液粘度随纳米颗粒 

粒度变化的关系。我们可以看到在 3种不同浓度下修正公式 的计算值与实验值 都非 常吻合, 而且偏 差在 
5 以 内。 %  

3 结  论   
( )利用醇盐水解法制备得 到了单分散 S   1 i 纳米流体 , O 颗粒呈球形 , 粒度分布均匀 , 流体不含其他杂 
质, 有利 于用 于进一 步 的研究 。  

() 2 对低粘度纳米流体的粘度进行测量 , 发现当添加粒度为 7 m, n 体积浓度为 4 的 S   % i 纳米颗粒时, O   粘度增加达 40 , 0 % 远大于经典悬浮液粘度公式的计算值。   () 3 对低浓度悬浮液的粘度计算公式进行修正 , 修正值与实验值相吻合 , 最大偏差不超过 5   %。
参 考 文 献 

[ ] C o S p e    .E h ni   hr a C n uti   f l d  i  ao a ie [ ] m r a  oi yo M c ai   ni e , l d  1   h i t hn U S nac gT e l od c v yo F i wt N npre s J .A e c Sc t f ehn a E g er F i   e n m  it   u s h tl i n e    c l n s us
E gne n  iio P biao )F D, S nier gDvs n( u l t n E A ME,9 5,3 :915  i i ci 19 2 19 ?0 .

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Sine 16 ( 6 .6 -9  cec , 9 8 2 ) 2 . 6

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Jun  f et n  as rnfr 20 ,4 ) 8 583  ora o H a ad M s  a s , 0 2 ( 5 , 5 -6 . l   T e

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