基于双子表面活性剂自组装的高稳金属纳米流体及其传热性能研究

纳米流体是一种新型的高效换热工质，具有广阔的应用前景。纳米金属难分散易团聚，在实际应用中受到限制，传统方法多需添加大量分散剂，但金属颗粒稳定时间短、悬浮量很低。项目拟利用双子表面活性剂的特殊结构结合自组装技术，在纳米金属的制备过程中对其进行表面改性，形成弹性表面修饰层，以增强纳米金属与油类的相溶性；并具使其有一定功能性，提高纳米流体中金属颗粒的稳定性，从而实现具有高分散稳定性、高传热性能、高悬浮量的纳米流体的研制；拟对纳米流体的热稳定性和抗氧化能力进行系统研究；对比表面修饰纳米金属与裸露纳米金属对基液导热系数、热扩散系数影响的差异，分析纳米颗粒表面修饰层的结构、包裹程度等对纳米流体传热性能的影响，建立相互关联的数学模型并揭示传热机理，项目对高效新型换热介质研究和开发具有重要理论意义和应用价值。

纳米流体在强化传热领域具有广阔应用前景，尤其添加金属材料的纳米流体，但针对油基-金属纳米流体的制备及使用仍面临许多问题，主要包括分散能力及稳定性的问题。本课题以油基-金属纳米流体为研究主体，针对纳米金属在添加到油品、燃料等基液中的稳定性和其所能增加的导热能力问题，结合双子表面活性剂的独特结构对纳米金属表面的修饰及其自组装性能，实现具有高分散稳定性、高传热性能的纳米流体的研制，并构筑拟均相亲油的纳米贵金属催化剂。本课题首先根据双子表面活性剂的中间链段和链长不同的结构特点优选了最适宜对纳米金属进行表面修饰的双子表面活性剂，成功制备了具有较好亲油性且粒径分布均匀的纳米金属颗粒，实现了油基-金属纳米流体的制备。表面修饰后的纳米金属颗粒可自动从水相转移到氯仿相，分散均一稳定，纳米金属的浓度与最大吸收波长处的吸光度值呈线性关系，纳米金属在油相中非常稳定，表面修饰层不易脱落，常温可稳定3到4个月不发生沉降。分别采用水相和混配油相反应体系来制备双子表面活性剂修饰的纳米金属颗粒，G16-4-16修饰纳米金为例，其水相体系所得粒径分布5～20 nm，混配油相反应体系所得粒径分布 2.8～8 nm。采用静态法结合紫外-可见光谱跟踪G16-4-16修饰金、银-纳米流体光谱的变化，评价该纳米流体的静态热稳定性和热氧化稳定性。设计组装了纳米流体动态热稳定性测试装置，并测试四种油基纳米流体G16-6-16/Au、G16-6-16/Ag、G16-4-16/Ag、G14-4-14/Au的动态热稳定性，受热稳定温度分别为503、513、513和483 K，不同双子表面活性剂的修饰对纳米流体动态热稳定性影响显著，此装置的建立为纳米流体后续深入实验提供了有力支持。纳米流体的导热系数受温度及纳米金属添加量的影响，25 ºC纳米流体随纳米金质量分数的增加变化不大，40 ºC以上随着纳米流体中纳米金质量分数的增加，纳米流体的导热系数显著增加。采用静态法研究纳米金对挂式四氢双环戊二烯热裂解的催化作用，纳米金在温度相对低时催化效果比较明显。对比不同纳米催化剂对挂式四氢双环戊二烯裂解的影响，添加纳米金的催化效果明显高于纳米铜和银。