納米復(fù)合有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)分散穩(wěn)定性的研究

李曉燕，于佳文，劉 逸，宋立桌，劉 朋，龐云鳳

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028)

空調(diào)蓄冷技術(shù)是省能、省能源有效利用能源的重要途徑，也是遷移負(fù)荷，從而轉(zhuǎn)移電力峰值負(fù)荷，延緩電力增容的有效方法[1].在空調(diào)蓄冷技術(shù)中，蓄冷材料是蓄冷技術(shù)的關(guān)鍵[2]，由于蓄冷介質(zhì)物性不同，使制冷機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、蓄能密度和設(shè)備投資都有所不同.在采用冰作為蓄冷介質(zhì)的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中，由于冰的相變溫度0℃，因此，使制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度、COP和制冷量比常規(guī)空調(diào)的大為降低，多數(shù)系統(tǒng)要增加乙二醇水溶液為載冷劑的中間換熱裝置[3]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制都增加了難度.因此開發(fā)研究相變溫度高于0℃、適合常規(guī)空調(diào)工況的新型蓄冷介質(zhì)具有很重要的工程實(shí)際意義[4].

納米復(fù)合材料是一類新穎的復(fù)合材料，Roy和Komameni等于1984年首次提出了納米復(fù)合材料(Nanocomposites)的概念[5]，認(rèn)為只要復(fù)合材料組分中至少有一維的尺寸處在納米尺度范圍(1～100 nm)，就可將其視為納米復(fù)合材料.Masuda等最先報(bào)道Y－Al2O3、SiO2、TiO2與水組成納米流體的導(dǎo)熱性能[6]，在水中加入 4.3%的 Y －Al2O3(13nm)導(dǎo)熱系數(shù)可增加30%.此后Lee等也研究了Al2O3/水納米流體的性能，它所采用的Al2O3的平均粒徑為33nm，在相同體積分?jǐn)?shù)下，導(dǎo)熱系數(shù)提高的數(shù)值比Masuda的結(jié)果要小[7].謝華清等也研究了 Al2O3/水、Al2O3/乙二醇納米流體的導(dǎo)熱性[8]，認(rèn)為同一粉體且體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，乙二醇基納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的提高值大于水基納米流體的提高值.Murshed等對(duì)納米TiO2流體強(qiáng)化導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究[9]，結(jié)果表明納米TiO2可增強(qiáng)流體的熱傳導(dǎo)性.Nguyen等研究了納米流體的性質(zhì)和傳熱性能的提高，添加6.8%的納米粒子，導(dǎo)熱系數(shù)可提高40%[10].得到了一些非常有益的結(jié)果[11].

本文采用兩步法將納米TiO2與空調(diào)用有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)HS－1共混、添加分散劑和超聲振蕩等方法，制備均勻穩(wěn)定的納米復(fù)合蓄冷材料.通過實(shí)驗(yàn)深入研究了表面活性劑、超聲時(shí)間、最佳超聲時(shí)間下分散劑質(zhì)量濃度對(duì)分散性的影響以及納米與非納米添加劑對(duì)分散性的影響.最終確定了納米TiO2復(fù)合有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)(TiO2/HS－1)的制備的最佳分散條件.

1 納米TiO2復(fù)合有機(jī)相變蓄冷材料的配制

采用兩步法，分別將不同質(zhì)量濃度的納米TiO2加到HS－1基液中，形成納米粒子懸浮液，然后，根據(jù)納米流體的種類添加不同的活性劑或分散劑，經(jīng)過超聲振動(dòng)，獲得懸浮穩(wěn)定的納米流體懸浮液.圖1是兩步共混法制備納米流體流程示意圖.

圖1 共混法制備納米流體過程

2 納米粒子在HS－1蓄冷溶液中的分散穩(wěn)定性研究

2.1 物理分散和化學(xué)分散

由于納米顆粒具有極大的比表面積和較高的表面能，在配制和使用過程中極易發(fā)生粒子團(tuán)聚，形成二次粒子，使粒徑變大，從而大大影響納米顆粒發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，失去納米顆粒所具備的功能.納米顆粒的團(tuán)聚可分為2種:軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚.軟團(tuán)聚主要是由顆粒間的靜電力和范德華力所致，由于作用力較弱可以通過一些化學(xué)作用或施加機(jī)械能的方式來消除;硬團(tuán)聚形成的原因除了靜電力和范德華力之外，還存在化學(xué)鍵作用，因此硬團(tuán)聚體不易破壞，需要采取一些特殊的方法進(jìn)行控制.因此，在納米復(fù)合有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)制備過程中，將采用分散措施.物理分散方法主要有:機(jī)械攪拌分散、超聲波分散和高能處理法分散.化學(xué)分散實(shí)質(zhì)上是利用表面化學(xué)方法加入表面處理劑來實(shí)現(xiàn)分散的方法.可通過納米顆粒表面與處理劑之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，改變納米顆粒的表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，達(dá)到表面改性的目的.另外還可通過分散劑吸附改變粒子的表面電荷分布，產(chǎn)生靜電穩(wěn)定和空間位阻穩(wěn)定作用來增強(qiáng)分散效果.

實(shí)際研究過程中，本文采用物理分散和化學(xué)分散相結(jié)合，用物理手段解團(tuán)聚，用化學(xué)方法保持分散穩(wěn)定，以達(dá)到較好分散效果.

2.2 實(shí)驗(yàn)的試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)的主要試劑:HS－1有機(jī)相變蓄冷溶液;納米TiO2;分散劑Span－80和油酸.

主要儀器:10萬級(jí)電子天平 Sartorious BP211D;UV－2102C型紫外可見光分光光度計(jì);超聲波振動(dòng)采用DL－720A超聲波清洗儀，功率為500 W;量筒;燒杯;pH試紙;玻璃棒;濾紙等.

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 表面活性劑對(duì)分散性的影響

圖2是各種質(zhì)量濃度的TiO2/HS－1納米混合液加分散劑Span－80與未加分散劑的在不同時(shí)間透射比隨時(shí)間的變化.從圖2可知，質(zhì)量濃度為0.1、0.2、0.3 g/L 的混合液，分散劑的加入使透射比明顯降低，透射比與時(shí)間的曲線斜率更平坦，說明分散劑的加入使分散體系更加穩(wěn)定，原因在于表面活性劑Span－80增加了顆粒之間的空間位阻勢(shì)能，使分散體系更加穩(wěn)定.而質(zhì)量濃度為0.4、0.5 g/L的混合液，分散劑加入使透射比略微降低.2.3.2 超聲時(shí)間對(duì)分散性的影響

圖2 不同時(shí)間透射比隨時(shí)間的變化

圖3表示了當(dāng)超聲功率為500 W時(shí)，不同超聲時(shí)間下，添加一定質(zhì)量Span－80后，與未加任何表面活性劑，質(zhì)量濃度為0.3 g/L納米TiO2在有機(jī)相變蓄冷溶液HS－1中的分散性能測(cè)量結(jié)果的對(duì)比情況.

圖3 不同超聲時(shí)間下Span－80對(duì)納米TiO2的分散性能的影響

從圖3可見，當(dāng)加入Span－80時(shí)，最佳的超聲時(shí)間為50 min，此時(shí)透射率最小，分散性能也最好;超過50 min時(shí)，透射率開始上升，分散性能也下降，超聲時(shí)間的增長(zhǎng)反而使本已經(jīng)分散開的顆粒重新聚集起來，形成二次團(tuán)聚，從而加速顆粒的沉降.從整個(gè)曲線來看，在相同的超聲時(shí)間下，加入Span－80的透射率始終小于未加Span－80的透射率，說明Span－80的加入能夠使納米TiO2顆粒有效分散.

2.3.3 最佳超聲時(shí)間下分散劑質(zhì)量濃度對(duì)分散性的影響

為了研究分散劑濃度對(duì)分散效果的影響，對(duì)0.3g/L質(zhì)量濃度的TiO2/HS－1納米混合液分別加入 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 g/L Span－80表面活性劑，在最佳超聲時(shí)間下和不同放置時(shí)間進(jìn)行了可見光分光光度計(jì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4、5.

圖4表示在最佳超聲時(shí)間下，不同質(zhì)量濃度的Span－80加入量對(duì)納米TiO2的分散性能的影響.從圖4可看出，Span－80加入量在0.4 g/L時(shí)，透射比最小，因此，最佳Span－80加入量為0.4 g/L.

圖4 最佳超聲時(shí)間下不同Span－80加入量對(duì)納米TiO2的分散性能的影響

圖5表示在最佳超聲時(shí)間下，添加不同質(zhì)量濃度的Span－80對(duì)納米TiO2復(fù)合有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)的透射比測(cè)量情況.從圖5可看出，對(duì)質(zhì)量濃度0.3 g/L的TiO2/HS－1納米混合液，分散劑Span－80質(zhì)量濃度為0.4 g/L時(shí)，透射比與時(shí)間的曲線斜率最平坦，不加分散劑的透射比與時(shí)間的曲線斜率最陡，說明分散劑的加入使分散體系更加穩(wěn)定.分散劑Span－80質(zhì)量濃度不同，分散效果存在明顯的差異.因此，分散劑質(zhì)量濃度對(duì)分散效果是有作用的，對(duì)于特定質(zhì)量濃度的納米顆粒存在著分散劑質(zhì)量濃度的最優(yōu)范圍.對(duì)質(zhì)量濃度0.3 g/L的TiO2/HS－1納米混合液添加分散劑Span－80的最佳質(zhì)量濃度為0.4 g/L.

圖5 透射比隨時(shí)間的變化

3 結(jié)語

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究制備了一種新型常規(guī)空調(diào)用有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)HS－1(基液)，采納米復(fù)合技術(shù)對(duì)有機(jī)相變蓄冷材料HS－1進(jìn)行了改性研究.在相變材料HS－1中分別復(fù)合微量的納米TiO2粒子，形成新型的蓄冷功能復(fù)合材料一納米復(fù)合有機(jī)相變蓄冷材料.深入研究了表面活性劑對(duì)分散性的影響、超聲時(shí)間對(duì)分散性的影響、最佳超聲時(shí)間下分散劑質(zhì)量濃度對(duì)分散性的影響以及納米與非納米添加劑對(duì)分散性的影響.最終確定質(zhì)量濃度為0.3 g/L的納米 TiO2復(fù)合有機(jī)相變蓄冷介質(zhì)(TiO2/HS－1)的配制的最佳工藝條件為:納米TiO2/HS－1蓄冷介質(zhì)的分散劑為Span－80;納米TiO2/HS－1蓄冷介質(zhì)最佳超聲時(shí)間為50 min;納米TiO2/HS－1蓄冷介質(zhì)添加分散劑Span－80的最佳質(zhì)量濃度為0.4 g/L.

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