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Hacia los nanofluidos de TiO2:Parte 1:Preparación y propiedades

Resumen

Como una nueva generación de fluido de trabajo, el nanofluido ha sido considerado durante mucho tiempo como un tema de investigación candente en las últimas tres décadas. Muchos artículos de revisión han proporcionado resúmenes completos y sistemáticos sobre el desarrollo y el estado del arte de los nanofluidos. A día de hoy, es cada vez más difícil proporcionar una revisión completa de todo tipo de nanofluidos debido a la gran cantidad de literatura relacionada. Y se han observado muchas controversias e inconsistencias en los argumentos reportados en varios nanofluidos. Mientras tanto, las revisiones sistemáticas o exhaustivas sobre un determinado tipo de nanofluido son insuficientes. Por lo tanto, esta revisión se centra en la investigación sobre uno de los tipos más populares, a saber. TiO 2 nanofluido, que ha captado la atención de los científicos debido a sus interesantes y completas propiedades como la sensacional dispersión, estabilidad química y no toxicidad. Debido a que la preparación de nanofluidos es un requisito previo y las propiedades físicas son factores críticos para futuras aplicaciones, esta primera parte de la revisión resume las investigaciones recientes sobre la preparación, la estabilidad y las propiedades físicas del TiO 2 nanofluidos.

Revisión

Antecedentes

Desarrollo de nanofluidos

Dado que la capacidad de transferencia de calor de los líquidos es generalmente muy inferior a la de los metales sólidos o compuestos metálicos, se espera que el transporte de calor del líquido se pueda mejorar suspendiendo partículas sólidas en él. Sin embargo, aparecieron algunos inconvenientes en las suspensiones con partículas milimétricas o micrométricas, como la escasa dispersabilidad, agregación y sedimentación, así como la adherencia a la superficie interna del sistema, lo que fácilmente podría conducir a la degradación del rendimiento de transferencia de calor, aumentos en el poder de bombeo, e incluso bloque de tubería. Se encontró una nueva oportunidad para superar estos inconvenientes cuando una nueva generación de suspensión a saber. El nanofluido fue propuesto por Choi en 1995 [1].

El nanofluido es un nuevo tipo de suspensión diluida que contiene nanopartículas cuyo tamaño al menos unidimensional es inferior a 100 nm. Cuando los tamaños de partículas en la suspensión alcanzan el nivel nanométrico, se espera que la suspensión pueda lograr una mejor propiedad térmica y al mismo tiempo mantenerse más estable que la mezcla de partículas / líquido milimétricas o micrométricas. Un nanofluido estable también puede obtener una mejor liquidez y, en ocasiones, puede tratarse como un fluido monofásico. Por lo tanto, uno de los mayores desafíos que enfrentan los nanofluidos es la preparación y la estabilidad, que son el principal requisito previo para lograr buenas propiedades termofísicas y otras aplicaciones de ingeniería. En consecuencia, la investigación sobre los nanofluidos generalmente se puede clasificar en las siguientes direcciones:estudio de preparación y estabilidad [2, 3], propiedades físicas como conductividad térmica [4,5,6,7,8] y análisis de viscosidad [9,10 , 11,12], investigación de transferencia de calor [13, 14], aplicación de ingeniería [15,16,17,18] y análisis teórico o desarrollo de modelos [19,20,21,22,23,24,25].

En las últimas dos décadas, especialmente en los últimos 10 años, la investigación sobre los nanofluidos ha aumentado de manera explosiva debido a sus fascinantes propiedades y muchos investigadores han realizado estudios experimentales o teóricos sobre varios aspectos de los nanofluidos [26,27,28,29]. Para ilustrar esto, la tendencia de crecimiento en el número de publicaciones que contienen “nanofluids or nanofluid” en el título recuperado de “web of science” se puede encontrar en la Fig. 1. Esta figura ilustra claramente que la investigación de nanofluidos está creciendo tan rápido que el La publicación en 2016 ha obtenido el 21,9% del total en las dos últimas décadas. Si el alcance de la recuperación se relajó a texto completo y para contener más bases de datos de búsqueda, los resultados podrían aumentar varias veces. Por lo tanto, cada vez es más difícil proporcionar una revisión completa de todo tipo de nanofluidos debido a la gran cantidad de literatura relacionada. Y en los últimos 2 años, algunas revisiones se han centrado en un aspecto de la propiedad o un cierto tipo de nanofluido para proporcionar revisiones más completas. Por ejemplo, la Tabla 1 muestra las revisiones más recientes sobre algunos aspectos especializados de los nanofluidos, como:

  1. (1)

    Preparación o caracterización [30,31,32]

  2. (2)

    Ciertos tipos de nanopartículas (Al 2 O 3 , TiO 2 , CuO, grafeno, CNT, nanofluidos híbridos) [32,33,34,35,36,37,38]

  3. (3)

    Ciertos tipos de fluidos base (agua, EG, mezcla de EG / agua, aceite) [39,40,41,42]

  4. (4)

    Una o más propiedades físicas (conductividad térmica, viscosidad, calor específico) [43,44,45,46,47]

  5. (5)

    Ciertos tipos de características (forzada, natural, transferencia de calor por convección en ebullición, caída de presión, migración de partículas) [48,49,50,51,52,53]

  6. (6)

    Algunas aplicaciones especializadas (intercambiador de calor, colectores solares, refrigeración) [54,55,56,57,58,59,60,61,62]

Número de publicaciones que contienen "nanofluidos o nanofluidos" en el título recuperadas de "web of science"

Ventajas de TiO 2 Nanofluidos

Las introducciones anteriores en la Tabla 1 muestran la viabilidad y la importancia de las revisiones sobre algunas direcciones especializadas de los nanofluidos, ya que pueden proporcionar información relativamente completa y detallada para un cierto aspecto. Como uno de los tipos más frecuentes, TiO 2 Los nanofluidos han captado la atención de los científicos debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas. En primer lugar, TiO 2 es ampliamente utilizado en los campos de la impresión, cosmética, purificación de aire, etc., y es un material seguro universalmente reconocido sin ninguna toxicidad para los seres humanos. Teniendo en cuenta la seguridad de este nanofluido, Taghizadeh-Tabari et al. [63] han aplicado TiO 2 –Nanofluido de agua en un intercambiador de calor de placas para industrias de pasteurización de leche. En segundo lugar, TiO 2 tiene una estabilidad química excepcional, resistencia a los ácidos, álcalis y la mayoría de la erosión de soluciones orgánicas. En tercer lugar, TiO 2 Las nanopartículas se han producido en un grado industrial más grande, lo que las hace relativamente económicas [64]. En cuarto lugar, TiO 2 Las nanopartículas tienen una capacidad de dispensación relativamente buena tanto en fluidos de base polares como no polares, especialmente cuando se añaden el dispersante adecuado. Yang y col. [65] investigó la estabilidad de la dispersión de 20 tipos de nanopartículas en una solución de amoníaco-agua. Los resultados mostraron que la anatasa TiO 2 fue el óxido metálico más estable sin tensioactivo, y su estabilidad podría mejorarse aún más añadiendo el tensioactivo adecuado. En el informe de Silambarasan et al. [66], la absorbencia de TiO 2 Los nanofluidos variaron muy poco después de 10 días de almacenamiento, como se muestra en la Fig. 2. Un cambio tan leve en la absorbencia indica que la estabilidad del TiO 2 nanofluidos que prepararon fue bastante notable. Puede concluirse resumiendo la literatura disponible que TiO 2 Las nanopartículas, en general, tienen una mejor capacidad de dispensabilidad que otras nanopartículas de óxidos metálicos convencionales. Dado que la dispersión de nanopartículas en líquido es el requisito previo más importante para la aplicación de nanofluidos, muchos investigadores han seleccionado TiO 2 nanofluidos como sujetos de investigación.

Absorbancia en función de la concentración del volumen de partículas el día 1 y el día 10 [66]. Reproducido con permiso de Elsevier

Debido a que la preparación de nanofluidos es un requisito previo y las propiedades físicas son factores críticos para diseñar y construir las aplicaciones relacionadas con la energía, el objetivo de las dos revisiones es resumir sistemáticamente los avances del estudio reciente sobre TiO 2 nanofluidos, incluida la preparación, la estabilidad, las propiedades físicas y las aplicaciones energéticas. Un esquema esquemático detallado de las dos revisiones sobre la preparación, propiedad y aplicación de TiO 2 Los nanofluidos se pueden ver en la Fig. 3. Esta revisión está organizada desde la perspectiva de un cierto tipo de nanofluido, que se considera como uno de los más cercanos a la aplicación práctica. Y el objetivo principal de este documento es proporcionar una guía de referencia útil para que los investigadores actualicen el conocimiento sobre el estado de la investigación de TiO 2 nanofluidos y señalar los desafíos críticos y recomendaciones útiles para futuras direcciones de estudio.

Un esquema esquemático de la preparación, propiedades, aplicaciones y desafíos de TiO 2 nanofluidos

Preparación de TiO 2 Nanofluidos

Método de un solo paso

Generalmente, se pueden diferenciar dos métodos de preparación principales:métodos de un paso y métodos de dos pasos. El método de un solo paso se implementa suspendiendo nanopartículas en el fluido de trabajo requerido que acompaña a su proceso de generación. El método de un solo paso se puede subdividir en métodos físicos y métodos químicos. El método físico incluye la deposición de vapor, la ablación con láser y el arco sumergido. Método químico significa producir nanofluidos por reacción química. Generalmente, los métodos anteriores se introducen como métodos de preparación de nanopartículas secas. Sin embargo, esos métodos se pueden actualizar a métodos de preparación de nanofluidos en un solo paso reemplazando los recolectores de partículas secas por los correspondientes contenedores de fluidos base.

Deposición de vapor

La deposición de vapor es un método físico común en la preparación de nanofluidos. En la figura 4 [67] se puede ver un dispositivo típico para este método. El material sólido a granel para preparar nanopartículas se calienta y se evapora en un recipiente de baja presión lleno de un gas inerte, y luego, el vapor de la materia prima se enfría mediante la película líquida en remolino y se deposita en los fluidos base. La deposición de vapor se usa generalmente en la preparación de nanofluidos metálicos, pero este método rara vez se emplea para TiO 2 nanofluidos debido a la alta temperatura del punto de ebullición. Sin embargo, este método se puede mejorar mediante el uso de calefacción eléctrica para lograr una temperatura alta. Lee y col. [68] utilizó un método de evaporación de alambre pulsado (PWE) de un solo paso para preparar nanofluidos a base de etilenglicol (EG) que contienen TiO 2 nanopartículas. Aplicaron voltajes pulsados ​​de 25 kV a través de un alambre delgado y lo sobrecalentaron para evaporarse en plasma en unos pocos milisegundos. Luego, el plasma se interaccionó con argón y oxígeno y se condensó en nanopartículas. Finalmente, obtuvieron TiO 2 nanofluidos al permitir que las nanopartículas entren en contacto directo con EG dentro de la pared de la cámara.

Un dispositivo típico de método de deposición de vapor para la preparación de nanofluidos. Rediseñado según la referencia [67]

Método de arco sumergido

El método de arco sumergido puede proporcionar y mantener una temperatura aún más alta para la preparación de TiO 2 nanofluidos. Chang y col. [69] fabricó un nuevo sistema de síntesis de arco sumergido para producir TiO 2 nanofluidos. Su dispositivo está compuesto principalmente por una unidad de pulverización de arco, un espacio de vacío y sistemas de control de temperatura y presión, que se muestra en la Fig. 5. En este dispositivo, TiO 2 a granel El sólido se vaporizó mediante el método de descarga de arco en vacío, y luego, el TiO 2 gaseoso se enfrió rápidamente en un sólido fino mediante un líquido aislado. Concluyeron que este método era más prominente que los métodos de aerosol porque los nanofluidos preparados tenían una mayor estabilidad de dispersión y podían considerarse como un fluido newtoniano. Zhang y col. [70] mejoró el método de arco sumergido optimizando el sistema de control de parámetros de reacción, la circulación de enfriamiento y el tamaño del dispositivo de arco sumergido. Basado en el sistema optimizado, pueden producir TiO 2 más estable y más fino suspensión con buena reproducibilidad en tamaño de partícula. Y el rendimiento de adsorción de su TiO 2 Las nanopartículas son mejores que las comerciales.

Fig. Esquemática. del sistema mejorado de síntesis de nanofluidos de arco sumergido (ISANSS) [40]. Reproducido con permiso del Instituto Japonés de Metales y Materiales

Método químico

El método químico consiste en obtener nanofluidos por reacción química, y generalmente incluye el método de coprecipitación y el método de conversión del precursor. El método químico convencional para sintetizar TiO 2 nanofluids se basa en un precursor TiO (OH) 2 sedimentar por reacción química de sales inorgánicas titánicas y amoníaco-agua, luego se somete a calcinación para obtener TiO 2 polvo. Algunas investigaciones mostraron que los nanofluidos obtenidos por el método químico tenían una mejor estabilidad y una conductividad térmica más alta que los producidos por el método de dos pasos [71]. La controlabilidad de la microestructura de las nanopartículas es otra característica distintiva de este método. El método de ajuste convencional consiste en controlar parámetros como la temperatura de síntesis, el valor de pH, el tiempo del baño ultrasónico y los aditivos [72]. Sin embargo, este método se utiliza principalmente para preparar TiO 2 polvo al secar el líquido como resultado del complejo entorno líquido en este método no es adecuado para la aplicación detallada de nanofluidos. Mientras que cuando el TiO 2 Los polvos se pueden suspender de manera estable en el fluido base requerido cambiando el fluido a granel sin proceso de secado, este método será prometedor bajo la condición de que los nuevos parámetros del entorno líquido, como la acidez o alcalinidad y la concentración de electrolitos, estén cerca del fluido original para la preparación.

El método de un solo paso no ha contenido los procesos de secado y dispersión que son vulnerables para formar la aglomeración de nanopartículas. Por lo tanto, se cree generalmente que el método de un solo paso permite obtener nanofluidos más estables [73]. Sin embargo, también hay algunos defectos que restringen el rango de aplicación del método de un solo paso. Por ejemplo, la deposición de vapor no se puede utilizar para preparar los nanofluidos que contienen nanopartículas de alto punto de ebullición o no cristalinas. Los métodos de ablación con láser y arco enterrado al vacío son muy costosos y requieren condiciones de circunstancias críticas. El método químico generalmente requiere los servicios de condiciones de reacción específicas, como el valor de pH y la temperatura requeridos. Y puede sintetizar fácilmente algunos subproductos en los líquidos [74]. Por ejemplo, Sonawane et al. [75] utilizó el método sol-gel para sintetizar anatasa TiO 2 nanopartículas con un valor de pH constante de 5. La solución precursora incluía isopropóxido de titanio e isopropanol, así como agua bidestilada. Se puede concluir que esta mezcla con un valor de pH específico y composiciones químicas complejas no podría usarse como nanofluidos de transferencia de calor. Por lo tanto, secaron el TiO 2 sintetizado nanopartículas y luego las redispersó en los fluidos de trabajo básicos requeridos, incluidos agua, EG y aceite de parafina con tratamientos ultrasónicos para obtener los nanofluidos requeridos. Se puede concluir que el método de un solo paso es difícil de utilizar para algunos nanofluidos con ingredientes específicos, especialmente para los nanofluidos con agua pura, aceite, refrigerante, etc. como fluidos base y también para un sistema de aplicación que contiene gas volátil.

Método de dos pasos

En el método de dos pasos, los procesos de producir nanopartículas y suspenderlas en el fluido base requerido se operan de forma independiente. El método de dos pasos se usa ampliamente para TiO 2 nanofluidos desde las técnicas de síntesis de TiO 2 Las nanopartículas han alcanzado esencialmente la escala de producción industrial. La Figura 6 muestra un procedimiento típico del método de dos pasos. Las nanopartículas secas se sintetizan en primer lugar mediante métodos químicos o físicos y luego se suspenden en los fluidos base necesarios. Sin embargo, debido a que la fuerte fuerza de interacción de las partículas puede conducir a la colisión y agregación de nanopartículas, es bastante difícil que se suspendan de manera estable y uniforme en el fluido base. Por tanto, en general se emplean algunos métodos de dispersión para asegurar una buena estabilidad y disponibilidad de nanofluidos.

Un procedimiento típico del método de preparación de nanofluidos en dos pasos [35]. Reproducido con permiso de Elsevier

La Tabla 2 muestra un resumen de estudios relacionados sobre los métodos de preparación de TiO 2 nanofluidos en los últimos años. Puede verse que los tipos de fluido base han involucrado agua, EG, refrigerante, solventes orgánicos, etc. En general, tres técnicas principales para la dispersión y suspensión de nanopartículas en fluidos base fueron ampliamente utilizadas en el proceso de preparación de dos pasos.

Agregar dispersante

El primer método de dispersión consiste en modificar las superficies de las partículas añadiendo dispersante, que se espera que evite que las nanopartículas se agreguen por las funciones de repulsión electrostática o impedimento estérico de las moléculas dispersantes [76]. Cabe señalar que el tensioactivo empleado con más frecuencia fue CTAB en los informes existentes. Y otros tipos, incluidos SDBS, SDS, PVP, ácido oleico, ácido acético y PEG también se utilizaron en algunas investigaciones. En 2012, Mo et al. [77] utilizó un método de dos pasos para preparar dos tipos de nanofluidos suspendiendo TiO 2 de rutilo en forma de varilla y anatasa esférica TiO 2 en el agua. Observaron que los nanofluidos pueden mantenerse estables durante 286 h cuando se usa SDS como dispersante. Al año siguiente, compararon los efectos sobre la dispersión de tres tensioactivos diferentes, incluidos SDBS, PVP y CTAB [78]. Y descubrieron que en este ámbito de investigación experimental, cuando la relación de masa del SDBS y las nanopartículas de dióxido de titanio es de 0,3, pueden obtener la mejor dispersión de nanofluidos. Nakayama y Hayashi [79] utilizaron el método de dos pasos para dispersar una alta carga de TiO 2 nanopartículas en un líquido de base orgánica con la ayuda de la modificación de la superficie por ácido propiónico y n-hexilamina. Descubrieron que la modificación de la superficie puede mejorar la dispersión de los nanofluidos, lo que mostró un mejor efecto en el método de dos pasos que en el método de un solo paso. Las características de TiO 2 Las nanopartículas que prepararon no se modifican y se pueden aplicar bien para diferentes fluidos a base de solventes orgánicos.

Ajuste del valor de pH

El segundo método de dispersión consiste en ajustar el entorno de dispersión ajustando el valor de pH del fluido base. Este método consiste en equipar las nanopartículas con un potencial zeta más alto ajustando un valor de pH adecuado del fluido, que se espera que evite el contacto de las nanopartículas por las repulsiones electrostáticas más altas [76]. Li y Sun [80] investigaron el efecto del valor de pH en los comportamientos de agregación de TiO 2 nanopartículas en líquidos de base mono y binaria por SRFA y Fe (III). Descubrieron que la adsorción de SRFA mejoró en gran medida la estabilidad de suspensión de TiO 2 nanopartículas a valores de pH de 4, 6 y 8, y pensaron que esto se debía principalmente al fuerte aumento de cargas negativas en la superficie de las partículas. He et al. [81] encontró que la estabilidad de TiO 2 Los nanofluidos pueden mejorarse en gran medida ajustando el valor de pH del fluido base a 11, en el que se puede formar un potencial zeta alto de 45 mV para evitar la reaglomeración y la deposición y el posible ensuciamiento posterior del tubo de cobre. Los nanofluidos con el valor de pH óptimo pueden mantenerse estables durante varios meses. Además, Vakili et al. [82] y Sen et al. [83] ajustó el valor de pH del fluido base a 11 y encontraron que el TiO 2 Los nanofluidos pueden tener una mejor estabilidad de dispersión bajo esta condición fuertemente alcalina.

Medios físicos

El tercer método de dispersión equivale a romper las aglomeraciones de partículas por medios físicos, por ejemplo, agitación mecánica, ondas ultrasónicas y molienda de perlas agitadas. Se supone que esos métodos generan oscilaciones de cavitación que pueden provocar efectos de cizallamiento, rotura y dispersión [84]. Está universalmente reconocido y probado que los nanofluidos serán más estables después de una vibración supersónica adecuada y se puede probar una vez más mediante el resumen de la estabilidad de la dispersión TiO 2 nanofluidos. Puede verse en la Tabla 2 que casi todos los procesos de preparación han implicado algunos tratamientos físicos. Li y col. [85] TiO 2 disperso nanopartículas en una solución de MDEA para preparar TiO 2 –MEDA – H 2 O nanofluidos. Descubrieron que los nanofluidos podían mantenerse estables durante 48 h con agitación mecánica sin añadir dispersante. Tajik y col. [86] investigó los efectos de diferentes tipos de ultrasonidos (pulsos continuos o discontinuos) sobre el comportamiento de suspensión del TiO 2 a base de agua nanofluidos. Los resultados mostraron que los pulsos continuos tuvieron mejores efectos de rotura que los discontinuos, mientras que estos últimos no pudieron separar algunas grandes agregaciones. Silambarasan y col. [66] investigó experimentalmente el efecto de la molienda de perlas agitadas y la ultrasonicación sobre el comportamiento de suspensión de una mezcla a base de agua que contiene TiO 2 submicrométrico partículas. Descubrieron que la molienda de perlas agitada puede producir suspensiones estables que contienen partículas submicrónicas, y la ultrasonicación se puede aplicar adicionalmente para controlar el comportamiento de transporte del TiO 2 suspensiones. Longo y Zilio [87] compararon los efectos de la agitación mecánica y las ondas ultrasónicas sobre el comportamiento de dispersión del TiO 2 –Agua y Al 2 O 3 –Nanofluidos de agua. Observaron que el tratamiento de sonicación a 25 kHz durante 48 h mostró una mejor eficiencia de dispersión que la simple agitación mecánica. Después de estos tratamientos de dispersión física, ambos tipos de nanofluidos pueden mantenerse estables durante más de 1 mes.

Usos combinados

Generalmente, las combinaciones de métodos de dispersión para agregar tensioactivo, cambiar el valor de pH de los fluidos base y vibración por ultrasonidos se utilizan en el método de dos pasos para lograr un mejor rendimiento de dispersión de los nanofluidos. Liu y col. [88] TiO 2 disperso nanopartículas (25 nm) en agua para preparar TiO 2 estable nanofluidos. Se utilizaron tres tratamientos que incluyeron la adición de PEG1000 como dispersante, vibración por ultrasonido y la regulación del valor de pH a 4-5 o 9-10 para obtener TiO 2 estable nanofluidos. Fedele y col. [89] utilizó un método de dispersión de combinación para añadir ácido acético como dispersante y ajustar el valor de pH en un rango de 1,86 a 3,07 según las fracciones de masa de las nanopartículas, así como una sonicación adecuada; observaron que los nanofluidos podían mantenerse estables durante al menos 35 días porque los tamaños medios de las partículas permanecían aproximadamente constantes durante los períodos. Ghadimi y col. [90] preparó un TiO 2 a base de agua extremadamente estable nanofluido agregando ácido acético y ajustando el pH a 5, así como vibración ultrasónica. Encontraron el TiO 2 los nanofluidos todavía estaban suspendidos de forma estable después de 1 año de almacenamiento. También hay algunos otros ejemplos para el uso combinado de las tres técnicas. En la Tabla 2 se puede encontrar que Mo et al. [77, 78], Kim et al. [91], Mushed y col. [92], Jarahnejad y col. [93], Ghadimi y col. [90] y Said et al. [94] utilizó las tres técnicas de dispersión para lograr el mejor efecto de dispersión.

Sin embargo, cambiar el valor de pH de los fluidos base restringirá severamente el rango de aplicación del TiO 2 nanofluidos como termofluidos debido a la corrosión y seguridad en condiciones ácidas y alcalinas. Por lo tanto, más investigadores están más inclinados a emplear las otras dos técnicas de dispersión, a saber. agregando medios dispersantes y físicos para las aplicaciones potenciales en sistemas reales. Wu y col. [95] y Yang et al. [74] destinado a aplicar TiO 2 nanofluidos al sistema de refrigeración de absorción de amoniaco-agua. El método para cambiar el valor de pH no está disponible porque el fluido base tiene un rango de pH específico determinado por la concentración de amoníaco. Por lo tanto, utilizaron PAA o PEG1000 como dispersante combinado con vibración ultrasónica para mejorar la estabilidad del TiO 2 nanofluidos y consiguió buenos efectos. Para aplicar nanofluidos al sistema de refrigeración por compresión, Peng et al. [96] agregó TiO 2 nanopartículas en R141b para preparar nano-refrigerante con tamaño de partícula de 25, 40, 60 y 100 nm respectivamente. El nano-refrigerante se sonicó usando un procesador ultrasónico durante 20 min. Y pensaron que este paso es importante para lograr una buena dispersión de nanopartículas en refrigerante a granel. Además, estudiaron experimentalmente la influencia de los tensioactivos aniónicos, catiónicos y no iónicos en la estabilidad del nano-refrigerante. Y observaron que el tipo de tensioactivo es un factor importante en el tamaño de partícula en estado estacionario. Kayhani y col. [97] utilizaron tensioactivo hexametildisilazano y métodos de vibración ultrasónica preparados con TiO 2 seco nanopartículas en primer lugar y luego se añaden en agua destilada con tratamiento de vibración ultrasónica (400 W y 24 kHz) durante 3-5 h. Descubrieron que los nanofluidos preparados podían mantenerse estables durante varios días y no se producía sedimentación. Yang y col. [98] encontró que el uso del surfactante SDBS en un rango de baja concentración y vibración ultrasónica puede mejorar el comportamiento de suspensión del TiO 2 a base de amoníaco-agua. nanofluidos.

Métodos de postratamiento

Además del método convencional de uno o dos pasos, también se propusieron algunos métodos de postratamiento para la preparación de nanofluidos. Algunos nanofluidos mejor dispersos pueden obtenerse a partir de algunos fluidos crudos pobremente dispersos que contienen nanopartículas aglomeradas mediante algunos tratamientos especiales, como descomponer o eliminar las nanopartículas aglomeradas del fluido crudo.

Hwang y col. [99] observó que los efectos del agitador, el baño ultrasónico y el disruptor ultrasónico son limitados para mejorar la dispersión de nanofluidos. Utilizaron un homogeneizador de alta presión para retirar el nanofluido, y el proceso se puede ver en la Fig. 7. En su investigación, el diámetro promedio inicial de las partículas se puede disminuir en al menos un orden de magnitud después del retratamiento por el homogeneizador de alta presión. Y encontraron que el homogeneizador de alta presión exhibió el mejor efecto entre todos los medios de dispersión física utilizados en su estudio.

Diagrama esquemático del homogeneizador de alta presión para la producción de nanofluidos [99]. Reproducido con permiso de Elsevier

Yang y col. [100] utilizó un método de optimización para preparar nanofluidos. El proceso de optimización de la mejora de la dispersión de los nanofluidos se muestra en la Fig. 8. Quitaron los nanofluidos bien suspendidos de los nanofluidos de mayor concentración y luego recuperaron las partes eliminadas en las concentraciones requeridas mediante la dilución de la adición de fluidos base. La relación de dilución se basó en la propiedad de si la absorbencia de los nanofluidos es directamente proporcional a su concentración. Y observaron sedimentos y midieron la variación de la absorbencia para estimar el efecto del método. Los resultados mostraron que tanto para el rutilo como para la anatasa TiO 2 nanofluidos, el método optimizado puede mejorar en gran medida su dispersión y producir TiO 2 más estable nanofluidos.

Optimización del proceso de mejora de la dispersión de nanofluidos [132]. Reproducido con permiso de Taylor &Francis

Existen algunas controversias o inconsistencias en los argumentos de preparación de nanofluidos. En primer lugar, si adoptar el método de un paso o el método de dos pasos es una inconsistencia. Se espera que el método de un solo paso logre una mejor estabilidad de dispersión, ya que evita los procesos de secado y dispersión de nanopartículas. Sin embargo, para los efectos secundarios del método de un solo paso, como el subproducto, el entorno de solución especial parece más fatal, lo que restringe severamente el alcance de aplicación de los nanofluidos. Por lo tanto, el método de dos pasos se usa más ampliamente debido a la gran adaptabilidad y mejora sustancial en las técnicas de dispersión de TiO 2 nanopartículas. En general, se recomienda emplear el método de dos pasos con el postratamiento apropiado para la preparación de TiO 2 nanofluidos.

Otra controversia es si se debe utilizar tensioactivo en la preparación de nanofluidos. The presence of appropriate surfactant can improve the dispersion stability but also may bring some side effects such as a decrease in thermal conductivity, increases in viscosity, and foaming ability. Due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property, the surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious decrease in thermal conductivity or increase in viscosity and foaming ability. In addition, the influence of surfactant on thermal conductivity and viscosity of nanofluids is also a controversy in current studies.

Stability of Nanofluids

Stability research is generally followed the preparation to achieve the optimal dispersion craft since it is closely related to the effectiveness and practicability of nanofluids. The great amount of aggregations in the unstable nanofluids can easily cause sedimentation and adsorption on the inner surface of the system, which will probably result in the degradation of heat transfer efficiency, raising of pumping power, and even blocking up in system pipe blocks.

It can be found from Table 2 that the stable times of different researchers thought were variously distributed in the range of several hours to 1 year. A most stable nanofluid was obtained by a combined use of adding surfactant, controlling pH value, and ultrasonic vibration by Ghadimi et al. [90]. Also, the particles’ loading in their experiment was very low at 0.1 wt.%, which was also another contribution for the long-term stability. Without adding surfactant, the nanofluids can also achieve a better dispersion stability by adjusting the pH value of the liquid to a suitable value. For example, He et al. [81] and Longo et al. [87] observed that the TiO2 nanofluids can keep stable for months by adjusting the pH to 11 with the help of ultrasonic vibration. Also, some TiO2 nanofluids with good dispersion stability were prepared only through physical means in some research. Padmanabhan et al. [101] used a magnetic stirring to prepare R134a and mineral oil-based TiO2 nanofluids that can keep stable for 6 months. This is likely because the particles’ loading employed in their study is very low (0.1 g/L) and the high viscosity of the R134a and mineral oil base fluid can also provide a superior dispersion condition. This conclusion can also serve as proved by Palabiyik et al.’s results [102]. They obtained a TiO2 nanofluids stable for several months by the help of sonication with a higher viscosity propylene glycol as base fluid. The similarity is that they were both using organic solvent of high viscosity as base fluids and the best ones was only treated by physical means. Also, it can be seen that TiO2 nanoparticles have a comprehensive dispersivity in both polar aqueous solution and nonpolar organic solution.

However, the above judgments on dispersion stability of various TiO2 nanofluids are not very objective and accurate because most of the results showed the least stable time. Moreover, there is no uniform standard for evaluating the stability of nanofluids, and the stability evaluating methods in different research were sufficiently different. Current evaluation methods of stability of nanofluids mostly consisted of observing the stratification or sedimentation and testing the zeta potential, particles’ size, or absorbency. Mansel et al. [103] used the sedimentation observation method and zeta potential method to evaluate the stability of TiO2 –water nanofluids in different pH values. They observed that in low or high pH value, the TiO2 –water nanofluids can obtain good stability. Mo et al. [78] used zeta potential method to investigate the stability of TiO2 –water nanofluids with three different surfactants SDBS, PVP, and CTAB, respectively. By comparing the value of zeta potential, they obtained the optimal kind of surfactant and the best dispersion of nanofluid. Wei et al. [104] used sedimentation, zeta potential (ζ), and size analysis to evaluate the stability of diathermic oil-based TiO2 nanofluids. They found that there was not obvious sedimentation and the zeta potential (ζ) and size analysis also showed good results. They thought the TiO2 nanofluids they prepared were very stable and can be used to enhance heat transfer for a fluid system. Li y col. [105] used sedimentation observation to investigate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. They found that after a specific period of mechanical agitation, the sedimentation was reduced and the stability of nanofluids was improved. However, the ultrasonic vibration will deteriorate the stability of TiO2 –MDEA–water nanofluids. For this reason, only mechanical agitation was employed in their research. Yang y col. [74] investigated the dispersion behavior of 20 types of nanoparticles in binary base fluid of ammonia–water by measuring the absorbency of nanofluids, and they defined ratio of varying absorbency to quantitatively compare the suspending stability of different kinds of nanoparticles, dispersant, and base fluid mixtures. They observed that the new defined index was more applicable than conventional means because it could directly compare the suspending behavior of various kinds of nanofluids. While the method of observing the stratification or sedimentation is restricted for nanofluids in different colors or without distinctly stratification after standing. The results showed that the anatase and rutile TiO2 nanofluid were the most stable metal oxides without any surfactant. And when adding optimal dispersant, anatase TiO2 nanofluid was still the most stable one.

Generally, the combination of several stability evaluating methods is employed to investigate the stability of nanofluids more accurately. Silambarasan et al. [66] used method of measuring the particle size distribution, zeta potential, and microscopy of grain size methods to characterize the suspending stability of TiO2 nanofluids. By those methods, they prepared remarkably stable TiO2 nanofluids whose absorbency changed very little after 10 days. Tajik et al. [86] used sedimentation observation and microscopy of grain size to investigate the roles of ultrasonic wave types on the suspending behavior of nanofluids. And they found that the pulses in discontinues type could not smash some big clusters or aggregations since the sedimentation occurred after 48 h of storage.

Physical Properties of TiO2 Nanofluids

The physical properties of TiO2 nanofluids are focused on the viscosity and thermal conductivity. Also, a few papers investigated the surface tension. Using nanofluids to enhance the thermal conductivity is a typical application in heat transfer filed. Therefore, the thermal conductivity of TiO2 nanofluids will be introduced in part 2 of the reviews. In part 1, the viscosity and surface tension are introduced as follows.

Viscosity

Viscosity is an essential parameter for nanofluids especially for flow and heat transfer applications because both the pressure drop and the resulting pumping power are depended on the viscosity. Viscosity describes the internal resistance of a fluid to flow, and it is an important property for all thermal and flow applications for nanofluids. The nanofluids with higher viscosity will result in higher flow resistance and lower flow velocity, which also induce the decrease of the heat transfer. To obtain flow velocity and heat transfer efficiency, more pumping powers are needed which induce more energy consumption. Moreover, for some mass transfer application of nanofluids, viscosity plays more important roles than thermal conductivity because the viscosity determines the mass transfer resistance of molecules entering the liquid surface and the diffusion coefficient in the liquid. Murshed and Estellé [106] provide a state-of-the-art review on the viscosity of various nanofluids. They found that the experimental data from various literatures are greatly scattered and not consistent even for the same nanofluids. This review will discuss in detail the influence factors on the viscosity of TiO2 nanofluids to provide an exhaustive knowledge on this topic.

Particle Loading Effect

Many literatures have concerned the volume concentration effect on the viscosity of TiO2 nanofluids. Table 3 shows the particle loading dependence of the viscosity of TiO2 nanofluids in different research. It can be observed that the viscosity of the TiO2 nanofluids increases with the increase of the particle loading. However, some works showed that the viscosity ratio varies linearly with variation of volume concentration, but some other results showed the viscosity ratio variation is parabolic. The viscosity enhancements of TiO2 nanofluids were greatly distinguishing in various researches. For example, in Vakili et al. [82], Arulprakasajothi et al. [107], Duangthongsuk and Wongwises [108], Saleh et al. [109], and Mahbubul et al.’s [110] results, the increments of viscosity were below ten times of the volume percentage of the added particles. However, He et al. [111] and Turgut et al.’s [112] results showed that the viscosities were increased by more than 100 times of the volume percentage of the TiO2 particles added. There are also many results distributed between the values in the above two extreme cases. Therefore, it can be concluded that the influence of particle loading on the viscosity of TiO2 nanofluids is more complex than that on thermal conductivity due to the widespread data in various studies.

Temperature Effect

Besides the volume concentration effect, the temperature effect on the viscosity of TiO2 nanofluids is also widely studied by many researchers. He et al. [111] prepared four different concentration TiO2 –H2 O nanofluids with 20 nm TiO2 and measured the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids and deionized water with different temperatures. They observed that the TiO2 –H2 O nanofluids were Newtonian fluids, which were the same as Chang and Liu’s finding [69], and the viscosities varied inversely with the temperature of the TiO2 –H2 O mixture system. Ling et al. [113] also measured the viscosities of the TiO2 –H2 O nanofluids with different mass fractions, when temperature varied from 15 to 40 °C. They found that the viscosity of the nanofluids increased when fluids thicken and decreased with the increment of the temperature exponentially. Liu y col. [114] figured that the viscosities of TiO2 –H2 O nanofluids increase remarkably with the volume fraction of nanoparticles and vary oppositely to the temperature of the TiO2 –H2 O nanofluids greatly with similar experimental method. Based on the value of the viscosities, they also propose an amended suspension viscosity formula. Some research results showed that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as base fluid viscosity. Yiamsawas et al. [115] measured the viscosity of TiO2 –water with a volume loading varied from 1 to 8% at a high-temperature range of 15 to 60 °C. By comparisons with previous studies, they proposed a useful correlation for practical applications which indicated that the viscosity of nanofluids is a function of volume loading and temperature as well as the base fluid’s viscosity.

Comparing with the absolute viscosity, the varieties of relative viscosity at different temperatures were more impressive for researchers. Jarahnejad et al. [93] carried out a detailed study on the effect of temperature on the viscosity and the relative viscosity of TiO2 respectivamente. And the results are shown in Fig. 9. It can be found that compared to base water, the average viscosities of TiO2 nanofluids increased by 17, 50, and 78% for 3, 6, and 9 wt.% of particles’ loading, respectively, at 20 °C. The viscosity of nanofluids with different particle loading decreased as the temperature increased, while the relative viscosity remained nearly constant with the temperature. The observation of independent of temperature can be also included in some other research. Fedele et al. [89] presented the characterization of water-based nanofluids where TiO2 ranging between 1 and 35% in mass. They concluded that the relative viscosity was independent from temperature for all the particle loading employed. And the nanofluids at 1 wt.% exhibited a water-like behavior within the experimental error. But this observation was invalid at the higher concentrations (+243% for 35 wt.% at 343 K). Also, Silambarasan et al. [66] found that the temperature has a smaller effect on the relative viscosity since the viscosity of TiO2 suspensions was reproducible even after repeated and alternating heating and cooling processes. And they attributed the reason to the effect of particles’ temperature-dependent intermolecular forces in the suspension. However, some different results can also be observed. Teng et al. [116] found that the relative viscosity increased from 8.2 to 16% when the temperature varied from 10 to 40 °C for the TiO2 nanofluids with 0.5 wt.% of particle loading. Cieśliński et al. [117] found that the relative viscosity of thermal oil-based TiO2 nanofluids remained constant when the temperature varied from 20 to 40 °C, but had a nearly linear increase with the increase of temperature when exceeding 40 °C. Yapici et al. [118] observed that the effect temperature was different for different shear rate. The relative viscosity measured was independent of the temperature at a higher shear rate region. However, for lower shear rate region, a great temperature dependency behavior of viscosity of TiO2 nanofluids was exhibited especially at high temperatures

Dynamic viscosity (a ) and relative viscosity (b ) for TiO2 water-based nanofluids at different temperatures [93]. Reproduced with permission from Springer

Particle Size and Shape Effect

The particle size and shape effects on the viscosity of TiO2 nanofluids were not investigated as widely as that of particles’ loading or temperature. In particular, Chen et al. [64, 119] investigated experimentally the viscosity of spherical (25 nm) and rod-like (10 × 100) TiO2 nanoparticle-based nanofluids with water and EG as base fluid, respectively. They found that the viscosity of TiO2 nanofluids was more sensitive to the rod-like particles than spherical particles. It can be seen from Table 3 that the viscosity was increased by 0.5–23% when adding 0.1–1.86 vol.% of spherical TiO2 nanoparticles, while increased by 1–82% when adding 0.1–0.6 vol.% of rod-like TiO2 nanopartículas. The same observation can also be found for EG-based nanofluids.

Surfactant Effect

The surfactants have been observed to have great effects on the viscosity of TiO2 nanofluids in some recent research. Jarahnejad et al. [93] investigated the effect of two kinds of surfactant trioxadecane acid and poly carboxylate on the viscosity of TiO2 nanofluids respectively. Their results of the dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature are shown in Fig. 10. The results demonstrated only a very slight increase was found in the viscosity of nanofluids even with the highest particle loading viz. 9 wt.%. However, the two kinds of surfactants could greatly increase the viscosity of nanofluids in the temperature range of 20–50 °C, especially for trioxadecane acid. The similar effect of surfactant on viscosity can also be observed in Ghadimi and Metselaar’s report [90], in which they found SDS can also increase the viscosity of TiO2 nanofluids with 0.1 wt.% particle loading. It was also observed there were important roles of SDS in the long-term dispersion stability of TiO2 nanofluids. Therefore, they still suggested that the dispersion method of adding surfactant and ultrasonic vibration to be adopted in the preparation of nanofluids.

Dynamic viscosity of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature [93]. Reproduced with permission from Springer

However, the above results cannot prove that all kinds of surfactant will result in high viscosity for nanofluids. Figure 11 shows the viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant measured by Bobbo et al. [120]. It can be seen that the viscosity of base water will not increase but decrease slightly when adding PEG600 at 0.02 or 0.2% loadings. Also, the viscosity of nanofluid containing 0.01% TiO2 nanoparticles and 0.02% PEG600 was a little lower than that of the base water. However, for higher loading of PEG, the viscosity will be greatly increased whether or not containing nanoparticles. It can be seen from Fig. 11 that the nanofluids containing 2% PEG600 and 1% TiO2 nanoparticles showed a viscosity higher than 7% in respect to water, which was analogous at each temperature. The above observation showed the viscosity of nanofluids can be lower than the base fluid in some cases, which also occurred in SWCNT nanofluids in their experiment. The decline of viscosity of fluid when adding surfactant or nanoparticles was also been found in some other research. Yang y col. [121] found that emulsifier OP-10 can reduce the viscosity of ammonia–water in lower concentrations. Ling et al. [122] observed that adding SDBS or OP-10 in TiO2 nanofluids with a lower loading can induce a slight drop in viscosity. Therefore, it is an important issue to choose the suitable surfactants to improve the dispersion stability without increasing the viscosity significantly.

The viscosity of TiO2 nanofluids with PEG600 as surfactant [120]. Reproduced with permission from Elsevier

Base Fluid Effect

The information about base fluid effect on viscosity can be illuminated though Chen et al.’s study [119], in which they found the relative increments of viscosity of water-based TiO2 nanofluids were distinctly higher than that of EG based. It seemed that the higher viscosity the base fluid could result in lower increment in viscosity. Mahbubul et al. [110] found that the viscosity of R123 was increased by only 5.2% when adding 2 vol.% TiO2 nanopartículas. Sen et al. [78] and Yapici et al. [118] found relative increments of viscosity about 20 times of the particles’ volume percentages. It also seems that TiO2 nanoparticles are more suitable in the organic liquid because a lower relative increment in viscosity can be obtained especially at the higher temperature. Yiamsawas et al. [123] conducted experiments on a mixture with TiO2 nanoparticles and EG/water (20/80 wt.%) in which the volume loading ranged from 0 to 4% and temperature ranged from 15 and 60 °C. They used the experimental data to present a useful correlation to predict the viscosity.

Shear Rate Effect

Another main distinction on the viscosity of TiO2 nanofluids in different research is that whether the fluids were Newtonian fluids in different shear rates. A typical Newtonian nanofluid can be found in foregoing Fig. 11. However, it can be observed from Table 3 that more than half of the results showed that the TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but some others come to the opposite conclusion. Research on rheological characteristic has demonstrated that whether or not the TiO2 nanofluids exhibit Newtonian behavior is also affected by other factors, including the base fluid type, temperature, and particle loading. A quintessential example can be found in Chen et al.’s research [64], where they measured the viscosity of four types of nanofluids made of TiO2 nanoparticles (25 nm) and TiO2 nanotubes (10 nm × 100 nm) dispersed in water and EG. They found that EG–TiO2 nanofluids exhibited Newtonian behavior, whereas water–TiO2 , water–TNT, and EG–TNT nanofluids exhibited non-Newtonian behavior. They indicated that the rheology behavior of TiO2 nanofluids is affected by their specific ingredient and environment, such as particles’ shape and liquid circumstance. The rheological characteristic of TiO2 nanofluids is also related to the temperature. Yapici et al. [118] investigated the rheological characteristic of 9 wt.% TiO2 –water nanofluids with different surfactants vs. temperature. The results are shown in Fig. 12. It can be observed that the base fluid PEG was a typical Newtonian fluid in all kinds of temperature. However, TiO2 –PEG200 nanofluids were nearly Newtonian fluid at a lower temperature and higher shear rate, but it changed into non-Newtonian fluid at higher temperature and lower shear rates. Also, in Said et al.’s results [94], the TiO2 nanofluid with 0.1 vol.% loading was Newtonian fluid at 55 °C, whereas it was non-Newtonian below this temperature for 0.3 vol.% particle loading.

Shear rate dependency of viscosity as a function of temperature for 5 wt.% TiO2 –PEG200 nanofluids [118]. Reproduced with permission from Springer

Running Time Effect

When the nanofluids are actually used in a running system, the time-dependent properties of nanofluids should be a crucial issue for the sustainable application. However, this matter has not been widely studied because of the faultiness in the development of nanofluids. It is generally considered that the thermal and rheological properties of nanofluids will be deteriorated due to the aggregation of nanoparticles after running a long time in the system. However, an opposite result in the time-dependent viscosity of TiO2 nanofluids can be observed in Said et al.’s research [94]. Their results for viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume loading and temperature as well as running time are shown in Fig. 13. It can be observed that the viscosity of fresh samples and the stale samples after running in a flat plate solar collector for 1 month were distinctly different. The viscosity of TiO2 nanofluids was decreased after undergoing the alternative variations in temperature and flow rate in the cycle. This observation was quite interesting and could not be explained anywhere else in the literature. They thought this finding could open new research scope for the applications of nanofluids for a long-term use.

Viscosity of TiO2 –water nanofluid with different volume concentrations and different temperatures [94]. Reproduced with permission from Elsevier

An inconsistency in viscosity of TiO2 nanofluids is quite evident. The intensities of growth in viscosity of TiO2 nanofluids with particle loadings greatly differ in various studies. And there is not yet a universal agreement on the effect of temperature, base fluid, and surfactant on viscosity of TiO2 nanofluids. Moreover, the biggest controversy on viscosity of nanofluid is that whether nanofluid is Newtonian fluid or not. The results in Table 3 exhibit that a substantial part of TiO2 nanofluids in their work are Newtonian fluids, but also, some others exhibit non-Newtonian behavior. The pronounced differences in different samples are mainly due to the complex influence factors on the rheological property. The shear rate has been proved to have great effect on the rheological property, and also, it has combined effect with other factors including temperature, shearing time, particle loading, base fluid type, and particle shape [124], which make it rather difficult to predict whether a nanofluid is Newtonian fluid or not except by experimental means.

Surface Tension of Nanofluids

The research on surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids is much less than that of thermal conductivity or viscosity. Some results showed that adding TiO2 nanoparticles had little effect on the surface tension of nanofluids. Liu y col. [125] prepared TiO2 –H2 O nanofluids whose particle size ranged from 11 to 50 nm and the surface tensions TiO2 –H2 O nanofluids were investigated experimentally. They found the surface tension had no obvious change with the increase in particle loading because the surface tension of nanofluids (1% mass fraction) increased only 1.6% compared with deionized water. Hu et al. [126] found the surface tension of TiO2 –H2 O nanofluids increases slightly when adding nanoparticles. And the surface tension decreased as an increase in temperature. Buschmann and Franzke [127] found that no obvious variation occurs when adding a high-volume fraction (5 vol.%) of TiO2 nanoparticles in water. Tian and Wang [128] measured the surface tension of TiO2 –water nanofluids by Jolly balance and abruption method. They found that the surface tension behavior of TiO2 –water nanofluid was the same as water viz. the surface tension decreased as the temperature increases. However, the variation of surface tension is related to the content of nanoparticles. When the content of nanoparticles increases rapidly, the decrease rate of surface tension of TiO2 –water nanofluids will slow down. Yang y col. [129] observed that nanoparticles have little effect but the surfactant can greatly change the surface tension of nanofluids, when the loading of surfactant is below the critical micelle concentration (CMC). And they explained this appearance as follows:The effect of surfactant on the surface tension of liquid is much greater than that of nanoparticles. When adding nanoparticles into a fluid containing surfactant whose loading is below CMC, the “free” surfactant will be absorbed on the surface of nanoparticles and then immersed in the liquid, which can weaken the reducing effect of surfactant on the surface tension of liquids.

However, some results also revealed that the nanoparticles played an indispensable role in the surface tension of nanofluids. Chinnam et al. [130] measured the surface tensions of Al2 O 3 , ZnO, TiO2 y SiO 2 nanofluids with a mixture of 60% propylene glycol and 40% water as base fluids, respectively. They only used one average particle size of 15 nm for TiO2 nanofluid due to limiting of manufacturer. They presented a single correlation as a function of volume loading and particle size as well as temperature for all the nanofluids by statistical analysis based on the experimental results. The experimental and fitting results related to TiO2 nanofluids are shown in Fig. 14. It was observed that the surface tension of nanofluids decreased as the temperature and particle volume loading increase and the correlation perfectly fitted the experimental data. In addition, they also observed that the surface tension decreased as the particle size decrease for a certain loading and temperature of nanofluids except the ZnO nanofluid.

Variation of measured surface tension values of the TiO2 nanofluids with temperature [130]. For different volumetric concentrations up to 1.5% and containing 15 nm particles. Reproduced with permission from Elsevier

Although the surface tension study of nanofluid is not as prevalent as studies in thermal conductivity or viscosity, surface tension is also an important parameter which can affect the film flow especially the initial infiltration of film and the probability of forming channel flow. Due to the effect of surfactant on surface tension of nanofluids is greater than nanoparticles, some researchers thought that the reduction in surface tension by surfactant SDBS can produce a superior enhancement of pool boiling performance in R141b-based nano-refrigerant [131].

Conclusions

The first part of the review focuses on the preparation and two properties viz. viscosity and surface tension of TiO2 nanofluids. It can be concluded that although one-step method is expected to achieve better dispersion stability, the side effects of the one-step method such as producing by-product and requiring special solution environment seem more fatal because they severely restrict the application scope of nanofluids. Suitable treatments such as adding dispersant, adjusting pH values, and physical means (stirring and sonication) used singly or in combination can greatly improve the dispersion stability. And the two-step method is recommended to be employed with appropriate post-treatment for the preparation of TiO2 nanofluids.

Particle loading is positively correlated to the viscosity, but the effects of other factors are not unified. The viscosities greatly differ in different researches which make the viscosity models hard to predict the experimental value, and hence, the experimental mean is firstly recommended. The surface tension of TiO2 nanofluids is more sensitive to surfactant than nanoparticles. The surfactant with low concentration is suggested to be used when it not brings obvious increase in viscosity and foaming ability due to the potential advantages such as reduction in surface tension and improvement in re-dispersible property.


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