通过添加剂对纳米粒子进行表面功能化处理对其在二元纳米流体中的表面张力所产生的影响

《Frontiers in Materials》：The effect of surface functionalization of nanoparticles with additives on surface tension of binary nanofluid

锂溴盐溶液中氧化铝纳米颗粒、阿拉伯胶和表面活性剂2-乙基-1-丁醇的协同作用显著降低表面张力（32%-35%），提升热质传递效率，纳米颗粒增加表面张力2.5%，阿拉伯胶减少2.1%。热传导率在2-乙基-1-丁醇单独添加时达14.8%增强，粘度变化受稳定剂和表面活性剂双重影响。

　　在当前的研究中，科学家探讨了氧化铝纳米颗粒、阿拉伯胶以及表面活性剂2-乙基-1-己醇对水基锂溴化物（LiBr）溶液表面张力的影响。表面张力是液固界面分子间吸引力的体现，对于热力和质量传递二元流体（如水和LiBr组成的溶液）的性能至关重要。通过理解这些添加剂对表面张力的作用，可以优化热系统的设计，提高其效率。本研究制备了含有55%重量比的LiBr溶液，并分别添加了纳米颗粒、阿拉伯胶以及表面活性剂，对不同组合的溶液在293至373K的温度范围内进行了表面张力测量。研究发现，纯LiBr溶液的表面张力从293K时的90.6 mN/m下降至373K时的82.7 mN/m。添加纳米颗粒使得表面张力平均增加2.5%，而阿拉伯胶则导致其降低约2.1%。值得注意的是，表面活性剂2-乙基-1-己醇的引入显著降低了表面张力，降幅达到32%至35%。

表面张力是液体与空气界面分子间相互作用的结果，它直接影响热和质量传递效率。例如，纯水由于其分子间的强氢键作用，具有较高的表面张力，而加入盐（如LiBr）后，溶液的表面张力通常会增加。这是因为LiBr溶解后，会形成Li?和Br?离子，这些离子被水分子包围，从而增强了分子间的吸引力。然而，纳米颗粒的加入会改变这一动态，因为它们在液体表面形成聚集，导致表面张力上升。尽管如此，表面活性剂的引入则显著改善了表面张力，使其下降，这归因于表面活性剂分子在界面的吸附作用，减少了液体分子之间的吸引力。研究还指出，纳米颗粒的尺寸、表面能以及分散稳定性是影响其对表面张力作用的重要因素。例如，纳米颗粒的细小尺寸可以促进其在液体中的均匀分布，从而增强热传递能力。

在实验方法方面，研究人员采用了先进的自动表面张力测定仪（DCAT 11 EC）结合传统的杜诺伊环法，确保了测量的准确性。所有样品均在恒定温度下进行五次重复测量，以确保结果的可靠性。此外，实验中使用的材料均为高纯度化学品，如99.9%的无水LiBr、20 nm粒径的氧化铝纳米颗粒以及99.60%纯度的2-乙基-1-己醇，保证了实验条件的稳定性。通过这种方法，研究人员能够准确评估不同添加剂对LiBr溶液表面张力的影响，并进一步分析其对热和质量传递性能的潜在贡献。

在结果分析部分，研究显示，纯LiBr溶液的表面张力随着温度升高而下降，但纳米颗粒的加入则导致表面张力的略微上升。这表明纳米颗粒在液-气界面的聚集可能增强了分子间的吸引力，从而增加了表面张力。然而，当纳米颗粒与阿拉伯胶结合时，表面张力的上升幅度有所减少，说明阿拉伯胶能够通过其表面活性特性减少纳米颗粒之间的相互作用。更进一步，当纳米颗粒与阿拉伯胶共同存在时，加入表面活性剂2-乙基-1-己醇可以显著降低表面张力，这种降低效果在不同温度下都表现出一致性，且幅度较大。研究还指出，纳米颗粒的表面能、分散稳定性以及表面活性剂的吸附能力是影响表面张力的关键因素。此外，表面活性剂的浓度和温度变化也对表面张力产生影响，温度升高会降低其溶解度，从而影响其对表面张力的调节能力。

研究还探讨了表面张力对热和质量传递的影响。通过实验数据的分析，发现表面活性剂的加入显著提高了热传递效率，而阿拉伯胶虽然有助于纳米颗粒的稳定，但其高浓度可能对热传递产生不利影响。此外，纳米颗粒的加入在一定程度上提升了热传导能力，但其效果可能受到阿拉伯胶对纳米颗粒分散状态的影响。例如，阿拉伯胶形成的保护层可能降低了纳米颗粒的热传导效率，从而影响整体的热传递性能。然而，表面活性剂的加入则表现出更强的热传导增强效果，说明其在调控表面张力和提升热传递方面具有独特的优势。

在热传导分析中，研究指出纳米颗粒的加入能够提升LiBr溶液的热传导能力，而阿拉伯胶和表面活性剂的组合则进一步优化了这一效果。实验数据显示，仅加入纳米颗粒的LiBr溶液热传导能力提升了8.2%，而仅加入阿拉伯胶则提升了13.5%。表面活性剂的加入效果更为显著，其热传导能力提升幅度达到了14.8%。然而，当纳米颗粒与阿拉伯胶共同存在时，表面活性剂的热传导增强效果略有下降，这可能是由于阿拉伯胶在纳米颗粒表面形成的保护层阻碍了其与基液的直接接触。因此，表面活性剂的使用需要在保证纳米颗粒稳定性的前提下，合理控制其浓度，以避免对热传导性能的负面影响。

研究还分析了动态粘度的变化。实验结果显示，纳米颗粒的加入对粘度的影响较小，仅增加了不到1%。而阿拉伯胶的加入则显著提高了粘度，这与其形成保护层、改变纳米颗粒形态以及增加分子间相互作用有关。表面活性剂的加入对粘度的影响则更加明显，其作用主要体现在液-气界面的吸附，从而增加了液体的剪切应力。当纳米颗粒、阿拉伯胶和表面活性剂共同存在时，粘度的增加幅度达到了9%，说明三者协同作用可能对粘度产生叠加效应。然而，粘度的增加可能对热传递性能产生不利影响，因此在实际应用中需要权衡其对热传递和粘度的影响。

研究结论指出，表面张力的变化对LiBr-ANF（锂溴化物-氧化铝纳米流体）的热和质量传递性能具有重要影响。添加剂的选择和组合对流体的稳定性、表面张力以及热传递效率至关重要。例如，仅加入纳米颗粒会增加表面张力，而加入表面活性剂则显著降低表面张力，从而提升热传递效率。阿拉伯胶在保持纳米颗粒稳定方面发挥了重要作用，但其浓度需要适当控制，以避免对粘度和热传递性能的负面影响。此外，研究还表明，表面活性剂在调控表面张力方面具有更强的独立作用，而其与其他添加剂的协同效应可能对流体的性能产生更复杂的影响。

综上所述，这项研究通过系统的实验和分析，揭示了不同添加剂对LiBr溶液表面张力的调控机制，并探讨了这些变化对热和质量传递性能的影响。研究结果为设计高效热传递流体提供了理论支持和实验依据，特别是在工业热系统和可再生能源技术领域。通过合理选择和控制添加剂的种类与浓度，可以优化流体的性能，提高其在实际应用中的效率和稳定性。未来的研究可以进一步探索不同添加剂组合对流体性能的优化路径，以及其在不同操作条件下的表现，以推动纳米流体技术在更广泛领域的应用。