張亞楠，劉妮，由龍濤，柳秀婷

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

在能量傳遞研究及應(yīng)用技術(shù)方面，納米流體[1]作為一種新型換熱工質(zhì)已獲得關(guān)注。目前，關(guān)于納米流體，主要從其制備[2-3]、穩(wěn)定性[4]、熱物性及傳熱傳質(zhì)[5-6]等方面研究。穩(wěn)定的納米流體是進(jìn)行各種研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于懸浮于流體中的納米粒子有熱力學(xué)不穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和聚集不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此如何保持粒子在液體中均勻、穩(wěn)定地分散是非常關(guān)鍵的問題。常用的納米流體分散技術(shù)[7]里表面活性劑對納米流體特性的影響是研究的熱點(diǎn)之一。

表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)具有不對稱性，即親水性的極性基團(tuán)和憎水性的非極性基團(tuán)。根據(jù)其在水中能否電離將其分為離子型和非離子型表面活性劑，根據(jù)離子型表面活性劑生成的活性基團(tuán)，又將其分為陰離子和陽離子表面活性劑。納米流體中表面活性劑的選擇主要考慮基液、表面活性劑的種類和濃度。在水基納米流體中，常見的表面活性劑有陰離子型的十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、陽離子型的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、非離子型的辛基苯酚聚氧乙烯醚（OPE）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。

表面活性劑對納米流體特性的影響主要從種類和濃度來考慮。針對已有的研究，總結(jié)和分析表面活性劑對納米流體穩(wěn)定性和熱物性影響的實(shí)驗(yàn)研究，并從機(jī)理對其進(jìn)行更深層次的研究。同時(shí)針對目前的研究現(xiàn)狀，提出了未來相應(yīng)的研究方向。

1 表面活性劑對流體穩(wěn)定性的影響

表面活性劑對納米流體穩(wěn)定性起著重要作用。已發(fā)表的文獻(xiàn)中，重點(diǎn)研究其種類和濃度對納米流體穩(wěn)定性的影響。由于影響納米流體穩(wěn)定性的因素非常多，各因素之間的相互影響不同[8-9]，實(shí)驗(yàn)所得的研究結(jié)果存在一些差異。

李金平等[10]提出了水基納米流體中選擇表面活性劑的一些建議，研究了表面活性劑聚乙烯醇（PVA）和SDBS對Cu、Ag和TiO2納米粒子懸浮液分散穩(wěn)定性的影響，得出PVA、SDBS及兩者的混合能夠使Cu、Ag納米流體穩(wěn)定懸浮，而不能使TiO2納米流體保持1h以上的穩(wěn)定懸浮。作者分析認(rèn)為TiO2納米流體中粒子吸收光能后，在表面生成的兩種化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基抑制了表面活性劑的吸附，即表面活性劑在粒子表面沒有發(fā)揮作用。PVA和SDBS的混合產(chǎn)生的效果很好，但不清楚其混合比。

李興等[11]依次制備了無表面活性劑、添加SDBS、CTAB和PVP三種表面活性劑的水基TiO2納米流體，靜置24h，進(jìn)行常溫下的粒徑和Zeta電位測試來表征納米流體的穩(wěn)定性，得出納米流體的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱的排序，依次是TiO2-SDBS-H2O，TiO2-PVP-H2O，TiO2-H2O和TiO2-CTAB-H2O。與李金平等[10]關(guān)于SBDS對TiO2納米流體穩(wěn)定性的研究結(jié)果存在分歧，分析認(rèn)為可能是納米粒子的來源、納米流體的制備方法、穩(wěn)定性表征的方法及添加的表面活性劑的濃度等之間的差異導(dǎo)致的結(jié)果。

郝素菊等[12]采用離心分散法研究SDBS、CTAB及乳化劑聚乙二醇辛基苯基醚（OP）對水基碳納米管納米流體的穩(wěn)定性的影響，結(jié)果由強(qiáng)到弱依次是乳化劑OP、CTAB和SDBS。同時(shí)研究了其濃度對流體穩(wěn)定性的影響，表明存在最佳的濃度值使得流體的穩(wěn)定性最佳，SDBS、CTAB和乳化劑OP三種表面活性劑的最佳濃度分別為3.0g/L，1.6g/L和1.56g/L。朱冬生等[13]有關(guān)SDBS及其濃度變化對水基Al2O3納米流體懸浮穩(wěn)定性的結(jié)果與此相似。通過Zeta電位和吸光度的表征，得出濃度對流體穩(wěn)定性有重要影響，最佳的SDBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。林海斌等[14]研究表明納米粒子γ-Al2O3對表面活性劑PEG600存在一個(gè)飽和吸附值，且在該值附近納米流體的穩(wěn)定性最好。

程波等[12]研究了表面活性劑OP-10及其濃度的變化對炭黑-氨水納米流體懸浮穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，OP-10及其濃度變化都影響流體穩(wěn)定性，納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象隨OP-10濃度的增加而改善，加入2%、3%和4% OP-10的納米流體在7天后出現(xiàn)了納米顆粒沉積，晃動(dòng)試管后顆粒會(huì)重新分散。

Yang等[16]制備了含表面活性劑OP-10的炭黑-氨水納米流體和含表面活性劑SDBS的Al2O3-氨水納米流體，用吸光度進(jìn)行表征，得出隨著表面活性劑濃度的增加，納米流體穩(wěn)定性先增加后減小，OP-10和SDBS的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次是0.3%、0.1%。且表面活性劑OP-10對炭黑納米粒子的吸附存在一個(gè)反應(yīng)時(shí)間，見圖1。

圖1 OP-10對炭黑-氨水納米流體穩(wěn)定性的影響

宋曉嵐等[17]研究了混合表面活性劑對水基CeO2納米流體的分散穩(wěn)定性的影響，混合表面活 性劑為CTAB+Tween80（1∶1），SDBS+Tween80（1∶1）。結(jié)果表明，含混合表面活性劑的流體均比只含一種表面活性劑的流體的Zeta電位值高，即混合表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性影響更好，且含SDBS+Tween80的溶液大于含CTAB+Tween80的溶液的Zeta電位絕對值。王賽等[18]的研究也表明混合表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性影響更好。

綜上所述，表面活性劑的種類和濃度是影響納米流體穩(wěn)定性的重要因素，存在最佳濃度值使得所制備的納米流體分散穩(wěn)定性最佳。為了得到更加穩(wěn)定的納米流體，混合表面活性劑及其混合的比例可以作為一個(gè)研究方向。表1是表面活性劑對納米流體分散穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

表1 表面活性劑對納米流體分散穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

2 表面活性劑對流體穩(wěn)定性影響的機(jī)理

在實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，學(xué)者們還深入研究了表面活性劑使得納米流體分散穩(wěn)定的作用機(jī)理，主要包括靜電穩(wěn)定機(jī)理和空間位阻效應(yīng)，解釋如下[25]。

（1）表面活性劑吸附在納米顆粒表面，增加了粒子之間的距離，減小了Hamaker常數(shù)，從而降低納米粒子之間的范德瓦爾斯引力勢能。

（2）表面活性劑吸附在納米顆粒表面形成雙電層，當(dāng)兩粒子的雙電層不重疊時(shí)，粒子被反離子完全屏蔽，兩粒子雙電層之間處于靜電平衡狀態(tài)，顆粒之間無任何斥力。當(dāng)兩粒子的雙電層發(fā)生重疊，粒子不能被反離子完全屏蔽，粒子間的雙電層靜電平衡狀態(tài)被破壞，粒子間的雙電層斥力增加。

（3）表面活性劑吸附在納米顆粒表面形成吸附層，吸附層的重疊會(huì)產(chǎn)生一種新的斥力勢能阻止納米顆粒發(fā)生團(tuán)聚，這種新的斥力勢能稱為空間斥力勢能，這種穩(wěn)定作用稱為空間穩(wěn)定作用。

李興等[11]測量和分析了含表面活性劑的TiO2納米流體中納米粒子表面的吸附層厚度與結(jié)構(gòu)，見表2。分析認(rèn)為， SDBS和CTAB都通過“靜電穩(wěn)定機(jī)制”使納米粒子穩(wěn)定懸浮于溶液中。SDBS先在水中電離產(chǎn)生帶負(fù)電的極性頭端，吸附于帶正電的TiO2納米顆粒表面，疏水尾端指向水基液。然后其疏水尾端相結(jié)合，極性頭端指向水基液。這種結(jié)構(gòu)增加了顆粒間的靜電排斥力，減小了其團(tuán)聚趨勢，使得體系擁有良好的分散穩(wěn)定性。而CTAB則以疏水尾端與納米顆粒表面結(jié)合，極性頭端指向水基液，在顆粒表面形成不穩(wěn)定的單層吸附。且體系中CTAB的濃度超出了其臨界膠束濃度，形成了大量膠束，膠束之間的滲透壓作用使得TiO2納米顆粒相互吸引，從而大大降低體系的分散穩(wěn)定性。PVP通過“空間位阻穩(wěn)定作用”使TiO2納米顆粒分散懸浮于水基液中。PVP分子中疏水性的亞甲基非極性基團(tuán)將會(huì)吸附在TiO2納米顆粒表面，而親水性的內(nèi)酰胺極性基團(tuán)會(huì)伸展在水中，這種結(jié)構(gòu)使 得體系保持較好的分散穩(wěn)定性。

表2 表面活性劑的性質(zhì)分析

Yang 等[26]研究了納米流體中表面活性劑在納米顆粒表面的吸附形式，即單層吸附和雙電層吸附。對于非極性單質(zhì)納米顆粒，如Cu、CNTs、CB，在溶液中不發(fā)生電離，其表面吸附形式是單層吸附。圖2(a)為在單層吸附形式下表面活性劑對納米顆粒的作用。當(dāng)納米顆粒添加到無表面活性劑的溶液中時(shí)，納米顆粒的高比表面積和比表面能，布朗運(yùn)動(dòng)及范德瓦耳斯力使得粒子碰撞團(tuán)聚。加入少量的表面活性劑時(shí)，其分子的非極性碳?xì)滏溛接陬w粒的表面，此時(shí)顆粒通過表面活性劑分子的空間位阻效應(yīng)而分散在溶液中。然而，由于吸附層的不飽和性，此時(shí)溶液是不穩(wěn)定的。當(dāng)添加適量的表面活性劑時(shí)，表面活性劑分子的親水端完全垂直地延伸到水相中，在顆粒表面形成穩(wěn)定的單層吸附。

金屬氧化物納米顆粒，如Al2O3、Fe2O3、CuO和ZnO，在水中發(fā)生電離，與在水中完全電離的離子型表面活性劑相連接，其表面吸附形式為雙電層吸附。圖2(b)表示在雙電層吸附形式下表面活性劑對納米顆粒的作用。當(dāng)添加少量的表面活性劑時(shí)，納米流體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，納米粒子的表面電荷因吸附表面活性劑而減少。當(dāng)添加適量的表面活性劑，粒子表面的正負(fù)電荷平衡，過量的表面活性劑吸附在疏水端末尾的鏈表面上，其親水端進(jìn)入溶液中，納米顆粒再一次帶電，形成雙電層吸附，其強(qiáng)烈的靜電阻力使得納米流體保持穩(wěn)定分散。

宋曉嵐等[17]研究了混合表面活性劑分散納米CeO2顆粒的協(xié)同作用，得出了一個(gè)兩步吸附理論：①強(qiáng)吸附性離子表面活性劑的極性基團(tuán)在極性納米CeO2顆粒表面的吸附，很大程度上增加Zeta電位，從而產(chǎn)生靜電穩(wěn)定作用；②非離子表面活性劑吸附在納米CeO2顆粒表面，其碳?xì)滏溝嗷プ饔貌⒀由斓剿挟a(chǎn)生空間位阻穩(wěn)定作用。低濃度時(shí)，表面活性劑以離子交換或離子對方式在固-液界面上發(fā)生單分子吸附，其離子頭吸附在固體表面上，疏水的碳?xì)滏渼t深入到溶液中。添加適量的表面活性劑濃度時(shí)，粒子表面的碳?xì)滏溑c溶液中表面活性劑離子碳?xì)滏滈g的相互作用產(chǎn)生了疏水吸附，形成雙分子層聚集體。隨著濃度的增大，混合表面活性劑開始形成膠團(tuán)，而非離子表面活性劑此時(shí)往往是通過形成氫鍵而吸附。

包楚才等[20]研究了表面活性劑CTAB、SDBS和PEG2000對CdSSe-H2O納米流體穩(wěn)定性的影響，且提出了SDBS在帶負(fù)電荷的納米粒子CdSSe表面的競爭吸附理論。分析認(rèn)為，陰離子表面活性劑在CdSSe表面是雙電層吸附。當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，SDBS負(fù)離子會(huì)擠占顆粒表面的Na+位置而吸附在顆粒表面，使得顆?？傮w負(fù)電位更強(qiáng)，顆粒間的斥力增大，納米流體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分散。當(dāng)陰離子表面活性劑濃度較大時(shí)，大量的Na+被擠進(jìn)吸附層，與分散劑分子發(fā)生競爭吸附，降低懸浮液穩(wěn)定性。

總的來說，無論一種表面活性劑還是混合表面活性劑，其對納米顆粒的作用機(jī)理都離不開靜電穩(wěn)定機(jī)制和空間位阻效應(yīng)，且已發(fā)表文獻(xiàn)主要從納米顆粒類型，表面活性劑種類和濃度三方面進(jìn)行研究。此外，從分子的微觀運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，可以采用分子動(dòng)力模擬方法等[27]更深一步的研究表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性影響的機(jī)理。

3 含表面活性劑的水基納米流體的熱物性

3.1 表面活性劑對納米流體的熱導(dǎo)率的影響

納米流體的熱導(dǎo)率一直是實(shí)驗(yàn)研究的焦點(diǎn)。由于納米粒子的特殊性，納米流體的熱導(dǎo)率受到粒子種類、形狀、粒徑、濃度、基液和穩(wěn)定方式等因素的影響。已有的納米流體熱導(dǎo)率數(shù)學(xué)模型，均基于粒徑、粒子形狀、布朗運(yùn)動(dòng)和界面層等因素而建立，見表3。目前，關(guān)于表面活性劑對納米流體熱導(dǎo)率的影響的文獻(xiàn)比較少。下面是常用納米流體熱導(dǎo)率數(shù)學(xué)模型的總結(jié)和含表面活性劑的納米流體的熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)研究，為后續(xù)的研究者提供參考。

Yang等[26]研究了不同種類的表面活性劑對納米顆粒界面層厚度的影響，提出了包含表面活性劑影響的熱導(dǎo)率模型，其中當(dāng)顆粒表面為單分子層吸附時(shí)，界面層厚度為分子鏈長度；當(dāng)顆粒表面為雙電層吸附時(shí)，界面層厚度為分子鏈長度的兩倍。雖然在低濃度納米流體中，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較一致，但多個(gè)變量的存在，使得表面活性劑對納米流體熱導(dǎo)率的影響還需深入研究。

Li Xinfang等[35]研究的表面活性劑SDBS的濃度對溶液熱導(dǎo)率的影響，表明SDBS對純水和水基銅納米流體熱導(dǎo)率的影響基本一致，見圖3。隨著SDBS濃度的增加，溶液的熱導(dǎo)率先增加后減小，分界點(diǎn)濃度為0.03%。Zhou等[36]的研究結(jié)果與Li Xinfang一致，溶液熱導(dǎo)率最高點(diǎn)對應(yīng)的SDBS的濃度為0.03%，見圖4。

圖2 兩種吸附形式下表面活性劑對納米顆粒的作用

圖3 SDBS濃度對溶液熱導(dǎo)率的影響

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下各表面活性劑溶液的熱導(dǎo)率

Wusiman等[37]研究了表面活性劑SDBS和SDS對水基多壁碳納米管流體的熱導(dǎo)率的影響。研究表 明，在只添加表面活性劑的溶液中，溶液的熱導(dǎo)率降低。與純水相比，在碳納米管和表面活性劑共存的溶液中，僅添加0.25%SDBS的0.5%CNTs納米流明SDS對納米流體熱導(dǎo)率影響不大，且在低濃度時(shí)，溶液熱導(dǎo)率最低。分析認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反的原因可能是納米流體的制備方法，穩(wěn)定性及納米粒子屬性等存在差異。

影響納米流體熱導(dǎo)率的因素非常多，因此研究某種因素對納米流體熱導(dǎo)率的影響對建立模型及實(shí)際應(yīng)用有重大意義。以上文獻(xiàn)分別從表面活性劑種類和濃度方面對溶液熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但由于眾多因素的存在，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在分歧。因此，需要更多的表面活性劑對納米流體熱導(dǎo)率影響的實(shí)驗(yàn)，為建立更加合適的數(shù)學(xué)模型做基礎(chǔ)。

3.2 表面活性劑對納米流體的黏度的影響

黏度是流體運(yùn)輸中的另一重要參數(shù)，研究納米流體黏度的變化規(guī)律對其在實(shí)際的能量運(yùn)輸中的應(yīng)用非常重要。已發(fā)表文獻(xiàn)從納米粒子體積分?jǐn)?shù)、大小、形狀及基液屬性和溫度等方面對流體黏度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立的模型見表4。而表面活性劑對納米流體黏度的影響研究的較少。

Zhou等[36]研究了表面活性劑及濃度對溶液黏度的影響，見圖5。PVP溶液的黏度隨著其濃度的增加而增加；SDS和SDBS對溶液黏度的影響趨勢一致，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.05%時(shí)，黏度隨其濃度的增加而增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.05%時(shí)，黏度先減小再增加；溶液黏度隨CTAB濃度的增加先降低再升高。分析認(rèn)為分子鏈的長短及多少是影響流體黏度的因素。高濃度的表面活性劑會(huì)形成膠團(tuán)影響溶液的黏度。

表3 有關(guān)納米流體熱導(dǎo)率計(jì)算的模型

表4 有關(guān)納米流體中黏度計(jì)算的模型

圖5 表面活性劑濃度及種類的變化對溶液黏度的影響

Yang等[42]研究了表面活性劑SDBS和OP-10的濃度對氨水溶液動(dòng)力黏度的影響。結(jié)果表明，存在最佳的濃度值，使得溶液動(dòng)力黏度最低。當(dāng)大于該值時(shí)，溶液的動(dòng)力黏度隨表面活性劑濃度的增加而增加。并建立了單層吸附和雙電層吸附形式下的動(dòng)力黏度模型。結(jié)果表明，表面活性劑的濃度及類別是影響納米流體黏度的重要因素。

Li等錯(cuò)誤！未找到引用源。研究了表面活性劑SDBS對Cu-H2O納米流體黏度的影響，表明SDBS的濃度影響納米流體的表觀黏度，隨著其濃度的增加，納米流體的黏度輕微的增加。Ghadimi等[44]關(guān)于SDS對TiO2納米流體的黏度的影響有相似的趨勢。

以上研究表明，表面活性劑會(huì)增加溶液的黏度。隨著濃度的增加，不同種類的表面活性劑對納米流體的黏度影響不一致。關(guān)于添加表面活性劑的流體的黏度模型，還需要更多的實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié) 語

納米流體作為一種新型的換熱工質(zhì)，已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要總結(jié)和分析了表面活性劑對納米流體穩(wěn)定性影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，及其對納米顆粒的作用機(jī)制。然后總結(jié)了納米流體中熱導(dǎo)率和黏度計(jì)算的相關(guān)模型，及表面活性劑對流體熱物性影響的實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，表面活性劑的種類和濃度對納米流體的穩(wěn)定性存在著重要影響。存在最佳的表面活性劑濃度使得納米流體的穩(wěn)定性最佳。眾多不確定因素，如制備方法，流體穩(wěn)定性，顆粒屬性等，使得有關(guān)表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性和熱物性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在分歧，熱導(dǎo)率和黏度的理論模型難以確定。因此，對于表面活性劑對水基納米流體特性的影響，提出以下的建議。

（1）混合表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性影響較好，但關(guān)于混合的表面活性劑對納米流體的熱導(dǎo)率和黏度的影響沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。因此，可以從混合的表面活性劑的組合及其比例兩方面進(jìn)一步研究含表面活性劑的納米流體的穩(wěn)定性和熱物性。

（2）運(yùn)用分子動(dòng)力模擬等方法，進(jìn)一步研究表面活性劑對納米流體穩(wěn)定性影響的微觀機(jī)制。

（3）表面活性劑影響納米流體的穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率及黏度。但流體的穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率及黏度之間的是否存在一定的關(guān)系，是需要解決的問題。

（4）納米流體中存在著眾多不確定因素，實(shí)現(xiàn)這些因素的量化分析對表面活性劑對納米流體的穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率和黏度的研究有重大影響。

符 號(hào) 說 明

d——納米顆粒直徑，nm

h——邊界層厚度，nm

keff——表觀熱導(dǎo)率，W/(m·K)

kf——介質(zhì)液體的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

klr——界面層的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

kp——不連續(xù)粒子相的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

kpe——納米顆粒的等效熱導(dǎo)率，W/(m·K)

m——系統(tǒng)特性參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值

n——納米顆粒球形化程度

r——納米顆粒的半徑，nm

T——納米流體的實(shí)際溫度，K

T0——設(shè)定溫度，K

μeff——兩相流體的表觀黏度，Pa·s

μf——液體的黏度，Pa·s

φh——納米顆粒的水力體積分?jǐn)?shù)，%

φp，φp——納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)，%α，β，γ——經(jīng)驗(yàn)值

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