纳米流体黏度和流变特性的试验研究

唐忠利，彭林明，张树杨

(1.天津大学化工学院，天津 300072； 2.化学工程联合国家重点实验室(天津大学)，天津 300072)

纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子而形成的稳定的固体粒子悬浮液[1]。纳米流体由于具有强化传热和传质的特性[2-8]，引起国内外学者越来越广泛的关注。研究纳米粒子的加入对传统流体的物理化学性质的影响有助于理解纳米粒子强化传热、传质的机理，为建立纳米粒子传质机理模型提供理论依据。纳米流体的黏度和流变性是纳米流体的一个重要物性参数。由于纳米粒子的小尺寸效应，使得纳米粒子对悬浮液黏度的作用机理与毫米或微米级固体粒子对悬浮液黏度的作用机理不同。因此，纳米流体的黏度不能用固-液混合物黏度的理论公式来计算[9-11]，而需要通过试验测定。

目前，关于纳米流体黏度方面已进行了部分试验研究。Hu等[9]研究指出纳米粒子的加入对纯流体的黏度改变不是很大。Zeinali等[12]研究了Al2O3-H2O和CuO-H2O纳米流体的黏度，发现其黏度随纳米粒子含量的增加而增加，并且CuO-H2O纳米流体的黏度变化更明显。李泽梁等[13]研究了SDBS分散剂和CuO纳米粒子加入量对CuO-H2O纳米流体的影响，发现纳米流体黏度随分散剂和纳米粒子体积份额的增加而增大。宣益民等[14]用NXE-1锥板黏度计对几种纳米悬浮液进行了黏度测量，发现纳米流体的黏度随纳米粒子体积份额的增大而增大，并且对于相同粒径的纳米粒子，不同性质的纳米流体黏度也不同。王补宣等[15]研究了不同种类低浓度纳米流体的黏度，结果发现纳米流体黏度比基液黏度略大，增加比例在1.002～1.182之间。在纳米流体流型研究方面，Das等[16]研究了以乙二醇(EG)和水混合液为基液的SiO2纳米流体。结果表明，温度高于-10 ℃时是牛顿型流体，低于-10 ℃时则是非牛顿型流体。Kim等[17]制备的CuO-EG纳米流体呈现出非牛顿型流体的流动行为。刘玉东等[18]研究了体积份额为0.5%和1.0%的TiO2(20 nm)-H2O纳米流体在0和5 ℃下的流变行为，结果表明这2个体积份额的纳米流体在0和5 ℃均为牛顿型流体。

本研究选择无水乙醇为基液，通过两步法制备了体积份额为0.1%、0.3%、0.7%和1.0%的稳定性良好的Al2O3-C2H5OH纳米流体、MgO-C2H5OH纳米流体、SiO2-C2H5OH纳米流体、TiO2(5、25和60 nm)-C2H5OH纳米流体，对其黏度进行了试验测量，分析纳米流体的体积份额、粒子种类、粒径和温度等因素对纳米流体黏度的影响，并依据剪切应力与剪切速率的关系来确定纳米流体的流变特性。

1　试验部分

1.1　试剂与仪器

本试验所用的纳米粒子(Al2O3、SiO2、MgO和TiO2)为杭州万景新材料有限公司生产，其物理性质见表1。乙醇质量分数为99.5%，由天津江天化工有限公司生产。

表1　纳米粒子的物理性质

1.2　试验仪器

黏度测量采用CPE40锥板式黏度计(上海华岩仪器设备有限公司)，流变性能测量采用Brookfield DVⅢ+LVDV-E流变仪(美国博勒飞公司)，流变性能试验及黏度试验参数分别见表2和表3。

表2　Brookfield DVⅢ+ LVDV-E流变仪规格Table 2　Specification of Brookfield DV-Ⅲ+ LVDV-E

表3　黏度测试实验参数

1.3　试验装置的校验

为了考察试验装置测量纳米流体黏度数据的准确性，先用CPE40锥板式黏度计分别测量出无水乙醇在20、25、30和35 ℃下的黏度，其测量值与文献值的相对误差分别为1.33%、1.46%、1.20%和0.68%，表明采用本装置来测量纳米流体的黏度是可行的[22]。

1.4　纳米流体的制备

纳米流体的制备方法可分为单步法和两步法2种。单步法是指在纳米粒子制备的同时将粒子分散到基液中，即纳米粒子和纳米流体的制备同时完成。两步法是指先制备纳米粉体，再按一定比例将纳米粒子分散于基液中制备成纳米流体。相比较而言，两步法由于程序简单且方便，几乎适用于所有种类纳米流体的制备。因此，两步法成为较通用的纳米流体制备方法，其流程如图1所示。

图1　纳米流体制备流程Fig.1　Preparation route of nanofluids

本研究采用两步法配制了纳米粒子体积份额分别为0.1%、0.3%、0.7%和1%的Al2O3-C2H5OH纳米流体、MgO-C2H5OH纳米流体、SiO2-C2H5OH纳米流体、TiO2(5、25 和60 nm)-C2H5OH纳米流体。

2　结果与讨论

2.1　纳米粒子体积份额对其黏度的影响

图2为20 ℃下不同种类的纳米流体黏度随纳米粒子体积份额的变化关系图，其中体积份额为0时表示无水乙醇中没有添加任何纳米粒子。

图2　黏度和体积份额关系图Fig.2　Viscosities of different nanofluids in different volume fraction

由图2可以看出，在温度一定时，不同种类纳米流体黏度均随粒子体积份额的增加而增加。对于TiO2(5和25 nm)-C2H5OH纳米流体和SiO2(15 nm)-C2H5OH纳米流体，其黏度随体积份额的增加而加速增加。但是，TiO2(60 nm)-C2H5OH、Al2O3-C2H5OH纳米流体的黏度变化趋势则较为平缓。因此，对不同体积份额的纳米流体而言，其黏度是不同的。纳米粒子体积份额对其黏度有影响，原因在于纳米流体流动时需要消耗一部分能量来克服内摩擦阻力，悬浮液中纳米粒子越多，克服阻力消耗的能量就越大，因此，纳米粒子的体积份额越大，纳米流体的黏度就会越大，这与Namburu等[19]研究的CuO-EG和CuO-H2O纳米流体的结果一致。此外，纳米流体中粒子含量的增加，会导致纳米流体中粒子产生簇团，使得悬浮液的剪切力发生改变，这也会导致悬浮液黏度的增加。这与Barthelmesa等[20]用分型理论研究的结果一致。因此，纳米粒子体积份额是影响纳米流体黏度的一个主要因素。

2.2　粒子粒径对纳米流体黏度的影响

图3为20 ℃下不同体积份额的TiO2-C2H5OH纳米流体黏度随TiO2纳米粒子粒径的变化规律。

图3　TiO2-C2H5OH纳米流体粒径-黏度变化曲线Fig.3　Viscosities of TiO2-C2H5OH nanofluids with different particle diameters

由图3可以看出，在体积份额相同的情况下，纳米流体的黏度随着粒径的增大而减小，而且体积份额越大，纳米流体黏度减少的趋势就越明显。此外，在相同体积份额下，粒子尺寸越小，黏度增大幅度就越大。这是因为粒子粒径越小，相同体积份额下所含的粒子数就越多，当粒子间距离越近，粒子间的相互作用力就越大，从而粒子的移动阻力就越大。同时，纳米粒子粒径越小，粒子间形成粒子簇团的几率就越大，因而粒子数越多纳米流体的黏度就越大。

郭顺松等[21]以SiO2-H2O纳米流体为研究对象，研究了粒径分别为7.0、40.0、61.8、126.9 和157.8 nm的SiO2纳米粒子在相同体积份额下的纳米流体黏度，发现在相同体积份额下，纳米流体黏度随着SiO2纳米粒子粒径的增加而减少。显然，这与上述试验所得结论一致。

2.3　温度对纳米流体黏度的影响

图4为无水乙醇、TiO2(5 nm)-C2H5OH纳米流体和SiO2(15 nm)-C2H5OH纳米流体的黏度与温度的变化关系曲线，其中横坐标为温度，纵坐标为黏度。

图4　纳米流体黏度随温度变化图Fig.4　Viscosities of nanofluids at different temperature

由图4可以看出，TiO2(5 nm)-C2H5OH和SiO2(15 nm)-C2H5OH纳米流体在体积份额0.1%、0.3%、0.7%和1.0%的黏度随温度的变化趋势与无水乙醇随温度的变化趋势相同，即黏度与温度成反比例关系，而且温度越低，TiO2(5 nm)-C2H5OH纳米流体和SiO2(15 nm)-C2H5OH纳米流体的黏度就越大。此外，不同体积份额的TiO2-C2H5OH纳米流体和SiO2-C2H5OH纳米流体在不同温度下的黏度均大于无水乙醇的黏度。同时，对于体积份额较大的纳米流体，其黏度随温度变化较大。温度对纳米流体黏度的影响主要是由于温度的增加，加剧了分子热运动及布朗运动，使得粒子间吸引力相对减弱和溶剂化程度下降而导致黏度下降。

2.4　不同剪切速率时的流变特性

流体按照流动类型可分为牛顿型流体和非牛顿型流体，牛顿型流体的黏度不随剪切速率的变化而变化，其剪切应力与剪切速率成正比，即：

τ=μD

(1)

式中，τ为剪切应力，N/m2；μ为动力黏度，cP；D为剪切速率，s-1。

牛顿型流体可以用黏度来表示其流变特性，而对于非牛顿型流体，由于其剪切应力与剪切速率之间不满足正比例关系，比值τ/D不是常数，而是剪切速率的函数，因此常用表观黏度μa来表示其流变特性。为确定所制备的纳米流体是牛顿型流体还是非牛顿型流体，需要分析不同剪切速率下的黏度值。

不同纳米流体在不同条件下的流变曲线见图5、图6和图7。

图5　TiO2(5 nm)-C2H5OH纳米流体的剪切应力与剪切速率关系图Fig.5　Diagram of shear rate vs.shear stress for TiO2(5 nm)-C2H5OH nanofluid

图6　TiO2(25 nm)-C2H5OH纳米流体的剪切应力与剪切速率关系图Fig.6　Diagram of shear rate vs.shear stress for TiO2(25 nm)-C2H5OH nanofluid

图7　体积份额为0.1%时不同纳米流体的剪切应力与剪切速率关系图Fig.7　Diagram of shear rate vs.shear stress about different kinds of nanofluids at φ=0.1%

从图5、图6和图7中可以看出，纳米流体在不同体积份额和20 ℃条件下，其流变曲线均为直线，经延伸后均能通过坐标原点，则表明被测纳米流体为牛顿型流体，并且在任意小的外力作用下，纳米流体就能发生流动。此外，由图5、图6和图7中还能看出，纳米流体的剪切应力随着温度的升高而下降，即随着温度的升高，纳米流体的黏度下降。同时，由剪切应力与剪切速率线性关系还可以得出，直线越陡则纳米流体的黏度就越大。

3　结论

1)纳米粒子种类、体积份额、粒径和温度均影响着纳米流体的黏度。纳米流体的黏度随纳米粒子体积份额的增加而增加，随纳米粒子粒径的增加而减少，但不同纳米粒子的加入对无水乙醇黏度的改变比例范围不同。其中，体积份额为0.1%～1.0%的TiO2(5、25和60 nm)-C2H5OH纳米流体黏度较C2H5OH黏度增加比例范围依次为1.036～1.242、1.008～1.136和1.009～1.052，而体积份额为0.1%～1.0%的Al2O3-C2H5OH纳米流体和SiO2-C2H5OH纳米流体黏度较C2H5OH黏度增加比例范围分别为1.008～1.012和1.045～1.248。

2)纳米流体的黏度受温度的影响很大。随着温度的上升，黏度降低，而且体积份额越高的纳米流体，其受温度的影响就越显著。

3)当纳米流体体积份额不超过1.0%时，其表现为牛顿型流体行为，即黏度不随剪切应力的变化而变化。

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