水基ZnO纳米流体黏度及流变特性研究

石 月，杨 宾

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

0 引言

Choi[1]于1995年首次提出“纳米流体”概念，即把金属、非金属纳米粒子添加到基础流体中形成比基液传热性能更好的均匀稳定的悬浮液[2]。此后，纳米流体在太阳能、传热等领域取得了广泛的应用[3-4]。

当前，关于纳米流体黏度的研究逐步增多，并得出以下结果：Namburu等[5]实验分析了乙二醇和水混合基氧化铜（体积分数之比为60∶40）的悬浮液，并在温度为-35～50℃的区间，研究温度对悬浮液的影响；结果发现，不同体积分数下的悬浮液（0%～6.12%），当温度升高时，黏度反而下降。Kole等[6]采用石墨烯作为悬浮颗粒，研究了温度为10～70 ℃区间内悬浮液黏度的变化规律；实验数据也显示，温度升高，黏度下降。Ding等[7]研究指出，碳纳米管浓度越大，黏度越大。Ranjbarzadeh 等[8]研究了氧化硅石墨烯混合纳米流体的黏度，也得出浓度越大，黏度越大的结果。Zav′yalov 等[9]针对纳米团聚与纳米流体黏度之间的关系提出了一种流体中纳米粒子表面相关层的模型，通过该模型证明了纳米颗粒之间的团聚是必然的，且会对黏度造成一定的影响。Chen 等[10]对含有0.5%、1.0%、2.0%、4.0%和8.0%（质量分数）TNT的乙二醇基钛酸纳米管（TNT）纳米流体在20～60°C下的流变行为进行了实验；结果表明，TNT纳米流体具有很强的剪切稀化行为，颗粒浓度和温度对零剪切黏度和高剪切黏度有很大影响。许多学者预测纳米流体黏度特性并进行理论研究，但实验结果与理论基础并不完全吻合，存在差异可能是布朗运动、制备方法、测量技术等原因造成的。因此，需要进一步的工作来验证纳米流体黏度的相关理论，为其领域提供更具深度、广度的研究成果。

氧化锌颗粒具有粒径小、比表面积大等特点，制成的纳米流体可抵制重力，悬浮液稳定性好，同时在传热方面还可增强换热效率[11-14]。但目前纳米氧化锌的性质研究才刚刚起步，许多基本性质尚不明确，关于黏度的研究也并未得出统一规律，很大程度上制约其应用。故对纳米氧化锌进行相关理论研究是十分必要的。本文主要研究了纳米流体在ZnO质量分数、温度、剪切率、剪切应力条件下的黏度及流变特性。

1 实验

1.1 实验原料及设备

本研究用“两步法”制得了ZnO纳米流体，同时利用XRD、TEM表征ZnO纳米颗粒，最后对纳米流体黏度进行测试。分散介质采用蒸馏水作为基液：分析纯AR，电导率为0.1 μS/cm。分散剂为：阿拉伯树胶（Acacia），分析纯AR，化学式C12H7ClN2O3，分子量为262.648 58 g/mol。纳米材料选用纯度为99.9%，粒径15 nm 的纳米级氧化锌。分散剂阿拉伯树胶杂质最高含量和纳米ZnO 颗粒的主要参数分别如表1 和表2 所示，实验用到的设备如表3所示。

表1 阿拉伯树胶的杂质最高含量Tab.1 Maximum impurity content of gum Arabic

表2 ZnO 纳米颗粒的主要参数Tab.2 Main parameters of nano ZnO particles

表3 实验所用设备Tab.3 Equipment used in the experiment

1.2 纳米流体制备

分散剂作为氧化锌纳米流体制备过程中的重要添加剂，严重影响其制备的稳定性，市面上常用的分散剂分散效果大多不太理想，阿拉伯树胶是世界上用量最大的水溶性胶体之一，和水相溶后，能够有效吸在纳米粒子表面，形成保护膜，当粒子聚集时，粒子表面高分子保护膜被挤压，斥力增大，最终使粒子彼此远离，降低了纳米颗粒的聚集沉降[15]。阿拉伯树胶不仅排除了其他分散剂存在的问题且具有强有效的分散性，加入氧化锌纳米流体中可起到高效分散、增强稳定性的作用，所以本实验用阿拉伯树胶作为分散剂。

首先量取一定量蒸馏水放入烧杯中，其次在天平上称量一定质量的ZnO 纳米颗粒放入烧杯中进行充分均匀的混合，室温下使用磁力搅拌器搅拌30 min，搅拌同时加入一定量的阿拉伯树胶进行更好的分散，搅拌完成后在室温下进行2 h的超声波分散，得到水基ZnO 纳米流体溶液。随后对纳米流体进行黏度的测量及分析记录。ZnO 纳米流体的具体制备流程如图1所示。

图1 纳米流体具体制备流程Fig.1 Specific preparation process of nanofluids

2 测试结果及分析

2.1 样品的表征

图2 是实验所用氧化锌纳米颗粒的XRD 谱图（测量仪器：日本-理学-UltimalV），其峰值（100、002、101、102、110、103、200、112、201、004和202）和国际粉末衍射标准联合委员会公布的单斜结构ZnO（JCPDS card No.36-1451）的峰值完全一致且衍射峰尖锐，可确定该物质为氧化锌纳米颗粒。

图2 ZnO 纳米颗粒的XRD 谱图Fig.2 XRD spectrum of ZnO Nanoparticles

图3是实验所用氧化锌纳米颗粒的TEM（测量仪器：日本-JEOL-JEM 2100F）图，从图中可以看出，氧化锌纳米颗粒的微观结构为团聚的微球和立方结构，粒径较为均匀。

图3 ZnO 纳米颗粒的TEMFig.3 TEM photos of ZnO Nanoparticles

2.2 纳米流体浓度与黏度的关系

图4 为添加纳米颗粒的纳米流体黏度在5 种不同温度环境下随纳米颗粒质量分数（分别为0.4%，0.788%，1.173%，1.552%，1.925%，2.292%）的变化关系。

图4 不同浓度纳米流体黏度变化图Fig.4 Viscosity variation of nanofluids with different concentrations

由图4可知，曲线整体呈上升趋势，和基液做对比，0.4%～2.292%质量分数下，纳米流体黏度各增大了24.8%、43.1%、72.1%、102%、123%和174.3%。随着纳米颗粒质量分数的增加，由于其自身比表面积大，表面能较高，纳米颗粒之间容易发生簇团而下沉，导致纳米流体中分子流动克服内摩擦力需消耗的能量逐步增大，纳米流体呈现出的宏观现象就是黏度的增大。同时，当温度由15 ℃上升到55 ℃时，不同质量分数ZnO纳米颗粒的纳米流体黏度的最大差值依次为0.86、1.07、1.14、1.15、1.37、1.98，实验数据显示，各温度条件下，浓度越大，黏度差越大。

实验数据得出，不改变温度的条件下，浓度越大，黏度越大。因为随着加入的粒子数增加，粒子间更容易沉聚下降，分子运动就要消耗更多的能量，最终导致黏度越大。综合实验数据，0.4%质量分数下，所制备流体黏度最小。

2.3 纳米流体温度与黏度的关系

图5 是0.4%～2.292%质量分数时，所制备流体黏度随温度的变化曲线。

图5 不同质量分数条件下纳米流体黏度与温度的关系Fig.5 The relationship between viscosity and temperature of nanofluids under different mass fraction conditions

图5 中数据显示，温度由15 ℃升到55 ℃，黏度曲线在非线性下降。这是由于随着温度的升高，所制备流体中分子运动得更激烈，速度更快，分子间作用力更低，从而纳米流体黏度降低。从实验结果可以看出，在55 ℃所制备流体黏度最低。

2.4 剪切率与纳米流体黏度的关系

图6 a）～e）是不同温度条件下不同质量分数ZnO纳米颗粒的纳米流体黏度随剪切率的变化曲线。图6a）～e）宏观展现出一致的变化规律，即在剪切率小于10 s-1时，随着剪切率的增大，纳米流体的黏度均逐渐降低，超过10 s-1后黏度趋于稳定。这是由于速度梯度及布朗运动会导致纳米颗粒团簇数量改变。剪切率较低时，布朗运动占主导地位，导致纳米颗粒团簇较多，黏度较大；随着剪切率的增大，纳米粒子布朗运动被破坏，导致纳米团簇减少，从而纳米流体黏度降低[16-20]；当剪切率达临界值时，布朗运动完全破坏，纳米粒子不再发生团簇，纳米流体黏度也不再降低[16-20]。故在剪切率小于10 s-1时，纳米粒子聚沉现象明显，黏度变化较大；剪切率大于10 s-1时，纳米粒子聚沉逐渐缓慢，黏度变化趋于平缓。

图6 不同温度和不同质量分数条件下纳米流体黏度随剪切率的变化曲线Fig.6 The variation curve of nanofluid viscosity with shear rate under different temperature and mass fraction conditions

温度不变时，所制备流体黏度随浓度增加而增大。例如：图6a）15 ℃时，与纯水做比较，0.4%～2.292%质量分数条件下，所制备流体黏度各平均增大了4.4%、48.0%、78.1%、105.2%、118.6%和208.9%；图6e）55 ℃时，所制备流体黏度各平均增大了9.4%、24.6%、45.8%、91.6%、105.6%和130.7%。这是由于液相分子间本就存在范德瓦尔斯力，将纳米流体添加到基液中，范德瓦尔斯力会更大，从而导致所制备流体黏度也增大。

与此同时，图6a）～e）曲线显示，测试条件不变时，温度升高，黏度降低。例如：图6a）～e）显示，0.4%质量分数条件下，15～55 ℃下的黏度分别是1.22 mPa ·s、1.19 mPa ·s、0.10 mPa ·s、0.85 mPa ·s、0.69 mPa·s；2.292%质量分数条件下，15～55 ℃下的黏度分别是3.62 mPa·s、2.55 mPa·s、2.04 mPa·s、1.79 mPa·s、1.46 mPa·s。这是由于温度升高，会导致纳米流体分子间热运动加剧，摩擦力降低，分子间范德瓦尔斯力减弱，体现为温度升高，所制备流体黏度降低。

2.5 剪切率对剪切应力的影响

图7 a）～e）是15～55 ℃条件下，0.4%～2.292%质量分数的ZnO 纳米流体剪切应力随剪切率的变化曲线。由图7a）～e）可知，在剪切率小于20 s-1时，不同质量分数ZnO纳米颗粒的纳米流体剪切应力随着剪切率的增加呈直线关系[16-20]。较低的质量分数，即0.4%时，表现为牛顿流体；其他质量分数较高，表现为非牛顿流体。剪切率大于20 s-1时，剪切应力随着剪切率并非呈直线上升，为非牛顿流体。故在剪切率小于20 s-1时，纳米粒子聚沉现象明显，剪切应力增加较慢；剪切率大于20 s-1时，纳米粒子聚沉逐渐缓慢，剪切应力增加较快。与此同时，在相同的温度条件下，纳米颗粒质量分数越大，剪切应力就越大。因此，质量分数为0.4%时，分子之间范德瓦尔斯力小，纳米流体更稳定，黏度更低，故纳米流体质量分数为0.4%较合适。

图7 不同温度和不同质量分数条件下纳米流体剪切应力随剪切率的变化曲线Fig.7 The variation curve of shear stress with shear rate for nanofluids under different temperature and mass fraction conditions

3 结论

本研究选取了ZnO纳米颗粒和分散剂阿拉伯树胶，分析了纳米颗粒质量分数、温度、剪切率对纳米流体黏度影响，并对纳米流体流动特性进行了研究。得到以下结论。

1）温度不变时，所制备ZnO 流体黏度随质量分数增加而增大。不同温度下，纳米流体黏度差随纳米流体质量分数增大而增大：温度从15 ℃增加到55 ℃，ZnO纳米流体黏度最大差值从0.86上升到1.98。

2）温度由15 ℃升到55 ℃，黏度曲线在非线性下降。15 ℃时，黏度增大较多，55 ℃时，纳米流体黏度增大逐渐减小。

3）对于不同剪切率来说，在剪切率小于10 s-1时，随着剪切率的增大，纳米流体的黏度均逐渐降低，超过10 s-1后黏度趋于稳定。温度不变，制备流体黏度随质量分数的增加而增大；测试条件不变，温度由15 ℃升到55 ℃，制备流体黏度降低。

4）对于不同剪切率下的剪切应力来说，在剪切率小于20 s-1时，不同质量分数ZnO纳米颗粒的纳米流体剪切应力随着剪切率的增加呈直线关系。较低的质量分数，即0.4%时，表现为牛顿流体；其他质量分数较高，表现为非牛顿流体。剪切率大于20 s-1时，剪切应力随着剪切率并非呈直线上升，为非牛顿流体。与此同时，同温度下，所制备流体质量分数越大，剪切应力越大，故纳米流体质量分数为0.4%较合适。

因此，在以阿拉伯树胶为分散剂，氧化锌纳米颗粒为溶质的纳米流体中，因质量分数为0.4%时，范德瓦尔斯力小、剪切应力小、黏度低且纳米流体更稳定，故纳米流体质量分数0.4%较合适。