表面活性剂SDS与纳米颗粒比例对CuO-DI水纳米流体稳定性及热物理性质的影响

《Next Energy》：Effect of SDS surfactant-to-nanoparticle ratio on the stability and thermophysical properties of CuO-DI water nanofluid

　　

纳米流体（Nanofluid）虽具有增强的热物理性质，但因团聚和沉降而面临长期稳定性挑战。为解决这些局限性，本研究聚焦于四种不同样品的纳米流体，通过改变SDS表面活性剂与CuO纳米颗粒的质量比（1:5、1:2.5、1:1和2.5:1，分别命名为样品1、2、3和4）来增强其稳定性与热物理性质。本研究的新颖性在于系统评估不同SDS与CuO纳米颗粒比例对CuO/DI（去离子水）（w/v%）水纳米流体长期稳定性和热物理性质的影响，目前文献中关于该组合的系统性研究较为有限。所有样品的初始Zeta电位值（60–70 mV）证实了优异的稳定性，但值得注意的是，在SDS含量较低的样品中，Zeta电位在40天内显著下降。此外，所有样品的粘度保持稳定，在储存40天后未观察到显著变化（维持在0.896 mPa·s附近）。热导率随温度升高而增加，在70 °C时达到最大值，此时样品1、2、3和4的热导率分别测得为0.768 W/m·K、0.742 W/m·K、0.705 W/m·K和0.690 W/m·K。最终，综合考虑稳定性与热导率的提升，表面活性剂与纳米颗粒比例为1:2.5的纳米流体样品2被认为是多种热工应用中最具潜力的候选方案，尤其在光伏热（PVT）系统中可有效提升性能。

基于SDS表面活性剂与CuO纳米颗粒比例调控的CuO-DI水纳米流体稳定性与热物理性质研究解读

纳米流体（Nanofluid）作为将纳米尺度颗粒均匀分散于基础液体制备而成的均相悬浮体系，凭借其卓越的热输运特性，在石油化工、航空航天、数据中心冷却、太阳能系统和换热器等多个热工领域展现出广阔的应用前景。纳米颗粒的高比表面积显著增强了颗粒与基液间的界面热传导能力，然而高比表面能也诱导颗粒间发生团聚和沉降，导致纳米流体的长期稳定性不足，进而严重削弱其实际换热效率。近年来，研究人员采用物理或化学手段改善纳米流体的分散稳定性，其中添加表面活性剂被证明是一种简便有效的策略。十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS）作为一种阴离子表面活性剂，凭借其对金属氧化物纳米颗粒优异的分散能力和相容性，在CuO纳米流体的稳定化处理中表现出突出潜力。然而，现有研究大多局限于固定表面活性剂与纳米颗粒的比例，关于不同SDS与CuO比例对纳米流体长期稳定性及热物理性能协同影响的系统性研究仍十分匮乏。因此，系统考察表面活性剂与纳米颗粒配比对CuO/DI水纳米流体稳定性和热物性的影响规律，对于优化纳米流体配方、推动其在热工程系统中的可靠应用具有重要的科学意义和工程价值。该研究发表于《Next Energy》。

研究人员采用两步法制备了四种SDS表面活性剂与CuO纳米颗粒质量比分别为1:5、1:2.5、1:1和2.5:1的CuO/DI（去离子水）水纳米流体样品（依次命名为样品1至4），纳米颗粒浓度固定为0.1 w/v%。通过Zeta电位分析、沉降目视观察对样品的稳定性进行了评估，同时利用瞬态热线法（Transient Hot Wire, THW）测量热导率，并采用纳米粒度及Zeta电位分析仪测定粘度。样品制备过程中，CuO纳米颗粒经6小时手工研磨并辅以105 °C间歇干燥，随后与SDS一同加入去离子水中，经磁力搅拌（2400 rpm，50–60 °C，1 h）和超声浴分散（50 °C，10 h）获得均匀稳定的纳米流体。CuO纳米颗粒由河北索亿新材料科技有限公司提供，粒径40–60 nm，纯度99.9%，形状为球形；SDS则购自美国Giant Chemical Solution公司。

3.1 Zeta电位分析结果显示，制备当日所有样品均表现出60–70 mV的高Zeta电位绝对值，对应优异的分散稳定性，其中样品2的Zeta电位最高，表明其初始阶段具有最佳的颗粒间静电排斥作用。储存40天后，Zeta电位出现不同程度下降，低SDS含量的样品降幅更为显著，其中样品4、3、2的Zeta电位分别下降12.78%、10.74%和30.81%；而样品1因在30天内完全沉降，其40天Zeta电位已无法测量。该结果表明，提高SDS浓度能够有效延缓表面电荷衰减，为颗粒提供更持久的静电排斥保护，从而增强纳米流体的长期稳定性。3.2 目视观察结果进一步验证了SDS浓度对沉降行为的决定性影响。未添加SDS的CuO/DI水纳米流体在制备后仅4小时内即发生显著团聚和相分离，充分说明了表面活性剂对于维持纳米流体稳定性的不可替代性。含SDS的样品经6个月观察后显示，样品1因SDS含量过低，无法产生足够的静电排斥力和疏水表面力，在30天内全部沉降；样品2在SDS含量加倍后表现出长达180天的可见稳定性；样品3在SDS与纳米颗粒等量（1:1）条件下，6个月后视觉状态与样品2相近；而样品4在SDS过量（2.5:1）的情况下，180天后仍无可见沉降迹象，CuO纳米颗粒的深色均匀分布于整个样品中。3.3 热导率测量结果显示，所有样品的热导率均随温度升高而单调增大，在70 °C时达到最大值，分别为样品1的0.768 W/m·K、样品2的0.742 W/m·K、样品3的0.705 W/m·K及样品4的0.690 W/m·K。温度升高增强了布朗运动，产生微观对流，促进热输运；同时基液粘度下降有利于颗粒迁移和碰撞，减少团聚，增大有效传热面积。值得注意的是，SDS浓度与热导率呈负相关关系，具有最低SDS比例的样品1在各温度下均表现出最高的热导率增强幅度，在30 °C至70 °C范围内较基液的增幅为8.5%至13.45%；而SDS含量最高的样品4热导率增幅最小，在70 °C时较样品1降低约10%。这一现象可归因于纳米颗粒表面过厚的界面活性剂层形成了热阻屏障，抑制了高效的热传递。3.4 粘度测量结果表明，无论是制备当日还是储存40天后，各样品间的粘度均无明显差异，测量值维持在约0.896 mPa·s附近。即使在SDS浓度最高的样品4中，也未观察到粘度显著增加的现象，说明提高表面活性剂浓度以增强稳定性并未牺牲纳米流体的流变特性。该结果进一步表明，不同SDS配比的纳米流体在工程应用中所需泵送功率基本相当，有利于系统能效的优化。3.5 与现有文献的比较分析显示，本研究制备的CuO/DI水纳米流体在稳定性持续时间（40天Zeta电位监测，180天目视观察）和热导率最大增强幅度（13.45%）方面均优于多个已报道的纳米流体体系（如Al?O?/水、石墨烯纳米片/EG-水、CuO/水等），展现出作为长期稳定高导热纳米流体基准配方的潜力。

讨论部分总结了SDS表面活性剂浓度对CuO/DI水纳米流体综合性能的影响规律：提高SDS浓度虽然有利于长期稳定性的提升，但会产生界面热阻而降低热导率，两者之间存在此消彼长的权衡关系。综合考量稳定性与热导率的协同优化，样品2（SDS与CuO比例为1:2.5）能够在保证充足静电排斥作用以实现长期稳定分散的同时，维持较高的热导率增强效果，因而被确定为四种配方中综合考虑稳定性与热物性的最佳选择。研究结论明确指出：（1）CuO/DI水纳米流体的稳定性随SDS浓度升高而增强，样品4具有最长的稳定时间；（2）所有样品制备当日Zeta电位（60–70 mV）均表现出优异稳定性，40天后低SDS含量样品的Zeta电位衰减更显著，验证了较高表面活性剂浓度对长期稳定性有利；（3）热导率随温度升高而增大，随SDS浓度增加而递减，高SDS含量的样品4热导率最低而低SDS含量的样品1最高；（4）各样品在制备当日及40天后的粘度均无显著差异，表明泵送功率需求不受表面活性剂配比影响；（5）综合考虑稳定性和热导率，样品2（1:2.5）被确定为最具应用潜力的配方，在PVT等热工系统中展现了良好的应用前景。后续研究应进一步扩大表面活性剂与纳米颗粒比例的考察范围，结合多种纳米颗粒和表面活性剂体系进行系统性的比较评价，以识别最优的表面活性剂-纳米颗粒组合及配比，为热工程应用提供高性能纳米流体的优化设计方案。