多壁碳納米管冷凍機油密度和熱導率的實驗研究

陳夢尋，張華，婁江峰，張博涵（上海理工大學能源與動力工程學院，上海0009；浙江盾安人工環(huán)境設(shè)備股份有限公司，浙江 諸暨85；大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連606）

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研究開發(fā)

多壁碳納米管冷凍機油密度和熱導率的實驗研究

陳夢尋1，張華1，婁江峰2，張博涵3
（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093；2浙江盾安人工環(huán)境設(shè)備股份有限公司，浙江 諸暨311835；3大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連116026）

摘要：采用超聲振蕩的方法制備穩(wěn)定性良好的多壁碳納米管冷凍機油。在不同溫度(20～80℃)下，利用密度計和熱導率測試系統(tǒng)對不同濃度的多壁碳納米管冷凍機油（MWCNTs的質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）進行測試和分析。實驗結(jié)果表明：冷凍機油的密度隨MWCNTs質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，隨溫度的升高而減??；冷凍機油的熱導率隨MWCNTs質(zhì)量分數(shù)的增大而增大，隨溫度的升高而增大，其中，熱導率增大的效果隨質(zhì)量分數(shù)增加較隨溫度升高更為明顯。當多壁碳納米管質(zhì)量分數(shù)為 2%、溫度為 80℃時，納米冷凍機油的熱導率可達到0.1637W/(m·K)，較同溫度下純RL68H冷凍機油熱導率增大9.13%。

關(guān)鍵詞：多壁碳納米管；制備；納米粒子； 分散；密度；熱導率

第一作者：陳夢尋（1992—），女，碩士研究生，主要從事納米制冷技術(shù)的研究。E-mail 1090357452@qq.com。聯(lián)系人：張華，教授，博士生導師，主要從事制冷空調(diào)與新能源利用方向的研究。E-mail zhanghua3000@163.com。

納米制冷劑是指將納米顆粒添加到制冷劑中得到的穩(wěn)定懸浮液，可應(yīng)用于制冷、空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中。納米顆粒的添加可以提高潤滑油和制冷劑的溶解度[1]，提高流體的熱物理性能和傳熱性能，在很多設(shè)備中應(yīng)用均有良好的性能體現(xiàn)[2]。已有的研究發(fā)現(xiàn)，在家用冰箱和家用空調(diào)系統(tǒng)中，納米顆粒的添加可以使制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)提高、節(jié)能效果明顯、運行穩(wěn)定[3-6]，其中，換熱是非常重要的過程，增強換熱系統(tǒng)的性能可以減少能源消耗[7]。此外，納米顆粒的添加可降低摩擦系數(shù)，提高壓縮機的工作性能[8-9]。密度和熱導率是納米冷凍機油的基本物性參數(shù)，熱導率與換熱效果有很強的關(guān)聯(lián)性，實驗測量分析納米冷凍機油的密度和熱導率是分析和應(yīng)用納米冷凍機油的前提，有非常重要的研究意義。

目前，關(guān)于納米流體熱導率的實驗研究已有一些成果，大部分的研究都集中在Al2O3、CuO、ZnO、Fe3O4、MgO、TiO2等氧化粒子方面[10-12]，研究成果顯示，納米材料的添加對納米流體熱導率有不同程度的提高作用。LIU等[13]用化學還原方法制備了體積分數(shù)為0.1%的Cu/水納米流體，測試發(fā)現(xiàn)熱導率增加23.8%。HWANG等[14]提出，納米粒子的熱導率對納米流體熱導率提高有很大影響。本次實驗選用的多壁碳納米管材料是碳的同素異形體，具有非常大的長徑比和良好的傳熱性能，沿著長度方向的熱交換性能很高，剛度和強度性能比鐵好幾千倍，優(yōu)越的熱性能使其在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用[15]，研究將其添加到冷凍機油后的熱物性能很有意義。

本文配制了質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2%的多壁碳納米管冷凍機油，用密度計和熱導率測試系統(tǒng)對不同濃度下，溫度區(qū)間為20～80℃，冷凍機油的密度和熱導率進行測量，整理數(shù)據(jù)并分析了納米冷凍機油的密度和熱導率隨濃度和溫度的變化關(guān)系，為納米冷凍機油的相關(guān)研究提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論分析。

1 納米冷凍機油的制備

為單純研究納米材料本身的熱物性能，避免添加分散劑對密度和熱導率測量的影響，實驗選用氨基化多壁碳納米管作為納米材料，用利凱瑪系列冷凍機油RL68H為冷凍機油，采用超聲振蕩的方法制備，超聲波清洗器的型號為KQ3200DE。利凱瑪系列冷凍機油 RL68H常作為壓縮機的潤滑油用于制冷系統(tǒng)中。制備步驟如下:首先，按質(zhì)量分數(shù)將一定量已化學修飾的氨基化多壁碳納米管加入冷凍機油中，混合均勻后再將其放入超聲波清洗器，在60℃恒溫水浴中超聲振蕩1h，即可配得某一濃度下的MWCNTs冷凍機油，納米顆粒和冷凍機油的質(zhì)量均用電子分析天平測得。MWCNTs冷凍機油的濃度統(tǒng)一選用質(zhì)量分數(shù)而不是體積分數(shù)，是為了避免體積讀數(shù)中因目測產(chǎn)生的隨機誤差較大導致實驗結(jié)果不準確。如圖1所示，從左至右分別為濃度0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的納米冷凍機油，圖1(a)為剛制備好的納米冷凍機油，圖1(b)為靜置7天的納米冷凍機油，可觀察到，納米冷凍機油在靜置7天后沒有出現(xiàn)分層和明顯沉淀，穩(wěn)定性良好。密度和熱導率的測量在5天內(nèi)完成，因此實驗過程中的納米冷凍機油分散穩(wěn)定。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)納米冷凍機油沉降圖片

2 實驗儀器和實驗步驟

實驗所用密度計是 Anton Paar生產(chǎn)的型號為DMA4500M 的數(shù)字式密度計（測量范圍為 0～3g/cm3，測量準確度:密度 5×10–5g/cm3，溫度0.03℃），具有進樣自動檢測功能和熱平衡功能。

密度測量中，先對儀器進行校正，設(shè)定溫度后，用注射器將待測樣本（質(zhì)量分數(shù)為 0.5%、1.0%、1.5%、2%的MWCNTs冷凍機油）緩慢注入測量池，測試完后，調(diào)節(jié)下一個溫度點繼續(xù)測量。實驗所測的溫度范圍為20～80℃，每隔10℃測量一次。每次換濃度測量前，需對儀器進行清洗和干燥，必要時應(yīng)對儀器校正后再進行下一組數(shù)據(jù)的測量。

測量熱導率所用的儀器是Hot Disk TPS2500S型熱常數(shù)分析儀，另配有恒溫水浴、測量探頭、穩(wěn)壓電源等。測試系統(tǒng)介紹見參考文獻[16]。

儀器的測量方法是瞬間平面熱源法，在低功率下快速加熱，軟件讀取探頭溫升等數(shù)據(jù)分析得出不同質(zhì)量分數(shù)（0.5%、1.0%、1.5%、2%）MWCNTs冷凍機油的熱導率。操作中，待恒溫水浴和不銹鋼模塊溫度穩(wěn)定后，根據(jù)熱常數(shù)分析儀的使用說明書和婁江峰等[16]的實驗經(jīng)驗，實驗在0.005W加熱功率下，通電時間20s，測量熱導率數(shù)值，測量5次記平均值，以減小隨機誤差。實驗繼續(xù)測量了不同溫度（20℃、40℃、60℃、80℃）下熱導率的數(shù)值，以探究溫度變化對熱導率的影響。

實驗另對純 RL68H冷凍機油在不同溫度下的密度和熱導率進行測量，作為后續(xù)對比分析的參照。

3 實驗結(jié)果和分析

3.1 納米冷凍機油的密度

圖2為不同溫度下納米冷凍機油密度隨濃度的變化情況。由圖2可知，多壁碳納米管質(zhì)量分數(shù)越高，納米冷凍機油密度越大，影響程度越明顯，且在不同溫度下均體現(xiàn)了很好的一致性。

圖3為不同濃度下納米冷凍機油密度隨溫度的變化趨勢，由圖3可知，納米冷凍機油的密度隨溫度升高線性下降，且不同濃度下下降斜率一致，每升溫10℃，密度均降低0.007g/cm3。實驗結(jié)果表明，多壁碳納米管冷凍機油密度隨溫度變化的規(guī)律和純油（RL68H）相同，且規(guī)律性不隨濃度的增減而變化。納米冷凍機油密度與溫度的線性關(guān)系同時也佐證了實驗配制的納米冷凍機油分散穩(wěn)定性良好。

3.2 納米冷凍機油的熱導率

實驗測得5組不同濃度下（質(zhì)量分數(shù)為0、0.5%、 1.0%、1.5%、2.0%）的多壁碳納米管冷凍機油的熱導率隨溫度變化的數(shù)據(jù)，整理后用Origin制圖如圖4～圖6。

圖2 不同溫度納米冷凍機油密度隨濃度的變化

圖4 不同溫度、濃度下納米冷凍機油熱導率

圖5 不同溫度納米冷凍機油熱導率隨濃度變化

圖6 不同濃度納米冷凍機油熱導率隨溫度變化

圖4所示的是不同溫度、濃度下納米冷凍機油的熱導率。圖5、圖6是納米冷凍機油的相對熱導率隨溫度、濃度的變化情況。相對熱導率是指添加納米材料冷凍機油的熱導率與純 RL68H冷凍機油熱導率的比值。圖5所示的是不同溫度下納米冷凍機油相對熱導率隨MWCNTs質(zhì)量分數(shù)變化的曲線，由圖5可看出，多壁碳納米管的添加對RL68H的熱導率有一定的提高作用，當MWCNTs質(zhì)量分數(shù)增加時，納米冷凍機油相對熱導率增大，曲線斜率變大，說明顆粒濃度越大，影響效果越明顯，這與李強等[17]研究的結(jié)論相同。圖6所示的是一定濃度下，納米冷凍機油相對熱導率隨溫度的變化情況，由圖6可知，隨溫度升高，納米冷凍機油相對熱導率稍有上升趨勢。這與ESFE等[18]研究成果相似:在低濃度（體積分數(shù)）下，納米冷凍機油相對熱導率隨溫度升高效果不明顯。

實驗探究納米冷凍機油熱導率上升的機理主要是兩個方面:隨著多壁碳納米管質(zhì)量分數(shù)的提高，流體中分散的納米顆粒增多，布朗運動中碰撞概率增大；隨著溫度升高，粒子攜帶的能量增大，布朗運動中粒子的碰撞更劇烈。多壁碳納米管濃度的增加和流體溫度的升高都增強了布朗運動中粒子的碰撞作用，其中，納米顆粒質(zhì)量分數(shù)的影響效果更為明顯。

4 結(jié) 論

將修飾好的氨基化多壁碳納米管與 RL68H冷凍機油混合，超聲振蕩后制得的納米冷凍機油穩(wěn)定性良好。實驗對制備好的多壁碳納米管冷凍機油進行密度和熱導率的測量，得到以下結(jié)論。

（1）多壁碳納米管冷凍機油的密度隨顆粒濃度的增大而增大，隨溫度的升高而減小，且隨溫度呈一致線性變化，每升溫 10℃，密度均降低0.007g/cm3。

（2）多壁碳納米管冷凍機油的熱導率隨顆粒濃度的增大和溫度的升高而增大，顆粒濃度的影響更明顯。當多壁碳納米管質(zhì)量分數(shù)為 2%時，在溫度為 80℃下的多壁碳納米管冷凍機油的熱導率可達到0.1637W/(m·K)，較同溫度下純RL68H冷凍機油熱導率增大9.13%。

參 考 文 獻

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Experimental study on density and thermal conductivity of multiwalled carbon nanotube nanolubricate

CHEN Mengxun1，ZHANG Hua1，LOU Jiangfeng2，ZHANG Bohan3
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093 China;2Zhejiang DUN’AN Artificial Environmental Equipment Co.，Ltd.，Zhuji 311835，Zhejiang，China；3College of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China）

Abstract：Multiwalled carbon nanotube nano-oil with good stability were prepared by ultrasonic vibration methods. Under different temperatures (20—80℃)，density and thermal conductivity of the multiwalled carbon nanotube nano-oil (MWCNTs mass fraction were 0.5%，1.0%，1.5%，2.0%) were investigated experimentally by using density meter and the thermal conductivity test system. The experimental results show that the density of the multiwalled carbon nanotube nano-oil increases with an increase of nanoparticles mass fractions，and decreases as temperature，while the thermal conductivity increases with nanoparticles mass fractions and temperature. Among them，the effect of the thermal conductivity increasing with mass fraction is more apparent than that with temperature. When the mass fraction of multi-walled carbon nanotubes is 2% and temperature is 80℃，the thermal conductivity of MWCNTs nano-oil could reach 0.1637W/(m·K)，increased by 9.13% compared with that of pure RL68H under the same temperature.

Key words：multiwalled carbon nanotube; preparation; nanoparticles; dispersion; density; thermal conductivity

中圖分類號：TB 61+2；TB 383

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1490-04

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.033

收稿日期：2015-08-07；修改稿日期：2015-09-11。

基金項目：國家自然科學基金（51176124）、上海市曙光計劃（跟蹤）項目（10GG21）及上海市研究生創(chuàng)新基金（JWCXSL1101）項目。