سنتز و مشخصه یابی نانومیله های نقره و مس و بررسی هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانومیله های سنتزشده

فرید نوری وطن1، صدیقه عباسی2،*
دانشجوی کارشناسی ارشد ،گروه مهندسی شیمی ،واحد سیرجان ،دانشگاه آزاد اسلامی، سیرجان، کرمان، ایران
استادیار، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، اسفراین، خراسان شمالی، ایران
*abasi_1362@yahoo.com
)تاریخ دریافت: 06/09/1394، تاریخ پذیرش: 25/11/1394(

چکیده
هدف این تحقیق، سنتز و مشخصهیابی نانومیلههای مس و نقره و همچنین بررسی تغییرات میزان هدایت حرارتی نانوسیالهای حاوی نانومیلههای سنتز شده و آب میباشد. بدین منظور از 3AgNO و 2CuCl به عنوان پیشساز نانومیلههای نقره و مس استفاده گردید. فاز کریستالی نانومیلههای سنتز شده با استفاده از طیف XRD مورد آنالیز قرار گرفت. ارزیابی میکروسکوپ الکترونی عبوری )TEM( جهت بررسی مورفولوژی نانومیلههای سنتز شده مورد استفاده قرار گرفت .نتایج حاصل از طیف XRD نشان داد که نانومیلههای نقره ومس دارای ساختار کریستالی مکعبی میباشند. با توجه به نتایج حاصل از تصاویر TEM مشاهده شد که روش هیدروترمال سبب سنتز نقره و مس با مورفولوژی میلهای شکل میشود. نتایج حاصل از بررسی میزان هدایت حرارتی نانوسیالها نشان داد که با افزایش دما در محدوده 20 تا C°60 و غلظت از 25/0تا 5/0 درصد وزنی، میزان هدایت حرارتی نیز افزایش مییابد .نتایج حاصل از میزان هدایت حرارتی نشان داد کمترین و بیشترین میزان هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانومیلههای نقره به ترتیب برابر m.K/W/ 56/0 و W/m.K 93/2 و در نانوسیال حاوی نانومیلههای مس به ترتیب برابر W/m.K 33/0 و W/m.K 74/2 میباشد. همچنین نتایج حاصل نشان داد که میزان هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانوسیال نقره بیشتر از میزان هدایت حرارتی نانوسیال مس میباشد.

واژههای کلیدی:
نانومیلههای نقره ،نانومیلههای مس ،هدایت حرارتی.

1- مقدمه
سیالات انتقال دهنده حرارت ازجمله آب، روغن و اتیلن گلیکول به طور گسترده در صنایع مختلف شامل فرایندهای گرمایشی و سرمایشی، سیستمهای انتقالی در نیروگاهها و تهویه مطبوع مورد استفاده قرار میگیرند. در حالت کلی، عملکرد انتقال حرارت این سیالات به دلیل پایین بودن خواص حرارتی آنها در مقایسه با اغلب ذرات جامد بسیار ناچیز میباشد. این امر سبب کاهش توسعه و پیشرفت تجهیزات انتقال دهنده حرارت شده است. افزایش روزافزون نیاز صنایع به تکنیکهای جدید جهت افزایش شار انتقال حرارت و افزایش تجهیزات انتقال دهنده حرارت سبب پیدایش نانو سیال به عنوان راهکاری جدید در این زمینه شده است]1-2[. نانوسیال شاخهای جدید از سیالاتانتقال حرارت میباشدکه از طریق معلق ساختن نانوذرات درونسیالات معمول و متداول انتقال حرارت که به عنوان سیال پایه شناخته میشوند حاصل میشود. متوسط اندازه ذرات پراکنده شده در سیال پایه جهت تولید نانوسیال در محدوده 1 تا 100 نانومتر میباشد]3-4[. نانوسیالها، جنبههای ویژهای دارند که آنها را کاملاً از مخلوط سیالات دو فازی که در آنها ذرات در ابعاد میکرو و یا میلی متر هستند، متمایز میکند]5[. هرچند قبل از تکنولوژی نانوسیال، اضافه شدن ذرات با اندازه میلیمتر و یا میکرومتر در سیال پایه سبب افزایش کارایی آن میشد، ولی مخلوط سیالات دو فازی مرسو به دلیل درشتتر بودن ذرات دارای معایبی نسبت به نانوسیال میباشند. از جمله مزایای نانوسیال میتوان به انتقال حرارت و پایداری بالا، پائین بودن توان لاز برای پمپاژ سیال، کاهش گرفتگی و انسداد مجاری ،کاهش سیستمهای انتقال حرارت و کاهش هزینه اشاره نمود ]3-6[.
ذرات معلق فوق ریز، خواص انتقالی و عملکرد انتقال حرارت نانوسیال را تغییر میدهند، بطوریکه پتانسیل بالایی در بهبود انتفال حرارت از خود نشان میدهند. مهمترین اثر مشاهده شده در نانوسیال، افزایش قابل توجه هدایت گرمایی میباشد. به طوریکه این افزایش قابل توجه حتی در غلظتهای پایین نانوسیال نیز مشاهده میشود]7[.
هدایت حرارتی، ویژگی ذاتی هر مادهای است که سبب انتقال حرارت به صورت هدایت درون یک جسم میشود]8[. مکانیسم هدایت1، ممکن است به صورت برخورد مولکولهای جسم و یا در اثر حرکات ابر الکترونی در آنها باشد. در فلزات سازوکار دو غالب بوده و به همین دلیل فلزات دارای ضریب هدایت حرارتی بالایی میباشند، حال آنکه مایعات غیر فلزی مانند آب ،رسانای ضعیفی برای گرما هستند. بنابراین در نانوسیال که ترکیبی از یک سیال با رسانایی ضعیف و یک ذره فلزی و یا اکسید فلزی است عملکرد انتقال حرارت و به ویژه هدایت حرارتی سیال پایه به میزان قابل توجهی بهبود مییابد. خواص حرارتی نانوسیال تحت تأثیر عواملی از جمله درصد حجمی ذرات در محلول، شکل، نوع و اندازه نانوذرات و همچنین نوع سیال پایه میباشد بطوریکه هدایت حرارتی نانوسیال ممکن است صدها برابر بزرگتر از هدایت حرارتی سیال پایه باشد]9[.
تاکنون بیشترین نانوذرات استفاده شده شامل نانوذرات فلزی مانند طلا، مس، آهن، نقره و الماس و همچنین نانوذرات اکسید فلزی مانند 2Fe3O4 ،]11[ Al2O3 ،]10-4[ TiO ]9[ و CuO ]12[ میباشد. با توجه به جدول 1 مشاهده میشود که در میان نانوذرات فلزی، نانوذرات نقره و مس دارای خاصیت هدایت حرارتی قابل توجهی میباشند ]13[. بنابراین با توزیع نانوذرات نقره و مس در سیالات پایه میتوان میزان هدایت حرارتی نانوسیال را به طور چشمگیری افزایش داد.

جدول) 1(: میزان هدایت حرارتی نانوذرات فلزی
فلز هدایت حرارتی (1-(W m-1 K دما (K)
(Al) آلومینیو 237 293
مس (Cu) 401 273-373
طلا (Au) 318 273-373
آهن (Fe) 84.40 273-373
نقره (Ag) 429 30

Liu و همکارانش تاثیر نانوذرات مختلف از جمله مس(Cu) و اکسید مس(CuO) را در سیال پایه آب و اتیلن گلیکول بر روی هدایت حرارتی مورد مطالعه و بررسی قرار دادند .نتایج نشان داد توزیع نانوذرات در سیال پایه سبب افزایش میزان هدایت حرارتی نانوسیال میشود. به طوریکه در نانوسیال آب- مس در غلظت حجمی 1%، میزان هدایت حرارتی 8/23 % افزایش مییابد]14[.
Jamal-Abadi و همکارانش تاثیر غلظت نانوذرات متفاوتی از جمله مس و آلومینیو را بر روی هدایت حرارتی نانوسیال بررسی نمودند و با توجه به نتایج آزمایشگاهی مشاهده نمودندهدایت حرارتی تما نانوسیالهای مورد بررسی از هدایت حرارتی سیال پایه بیشتر میباشد. همچنین گزارش نمودند میزان هدایت حرارتی نانوسیال حاوی مس از میزان هدایت حرارتینانوسیال حاوی آلومینیو بیشتر میباشد که این امر ناشی از بالاتربودن هدایت حرارتی مس نسبت به نقره میباشد]15[.
Fang و همکارانش میزان افزایش هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانوذرات نقره با شکلهای مختلف شامل کروی و میلهای را در محدوده دمایی 10 تا C° 30 بررسی نمودند .نتایج حاصل از مطالعات ایشان نشان داد دما تاثیر قابل توجهی بر روی افزایش میزان هدایت حرارتی نانوسیال دارد. همچنین تاثیر شکل نانوذرات نیز نشان داد میزان افزایش هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانوذرات میلهای بیشتر از نانوسیال حاوی نانوذرات کروی میباشد که این امرر ناشی از افزایش میزان نسبت سطح به حجم در نانوذرات میلهای میباشد ]16[.
Godson و همکارانش تاثیر دما )بین 50 تا C° 90( و غلظت
)3/0، 6/0 و 9/0 % حجمی( را بر روی میزان هدایت حرارتی نانوسیال آب- نقره مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. نتایج حاصل شده نشان داد با افزایش دما و غلظت میزان هدایت حرارتی نیز افزایش مییابد ]17[.
Saterlie و همکارانش با توزیع نانوذرات مس در سیال پایه آب نانوسیال پایداری فراهم نمودند و گزارش نمودند با افزایش غلظت نانوذرات مس از 55/0 تا 1% حجمی، میزان هدایت حرارتی نانوسیال نیز از 22 تا 48% افزایش مییابد ]18[.
مطالعات انجا شده در رابطه با تاثیر شکل نانوذرات بر روی افزایش میزان هدایت حرارتی نانوسیال نشان میدهد شکل نانوذرات، تاثیر قابل توجهی در میزان هدایت حرارتی نانوسیال دارد. بطوریکه با تغییر شکل نانوذرات از کروی به میلهای و لولهای شکل، میزان هدایت حرارتی نانوسیال افزایش مییابد .درواقع در نانوذرات میلهای و لولهای شکل با افزایش نسبت سطح به حجم میزان هدایت حرارتی نیز افزایش مییابد]10-16[.
با وجود مطالعات متعددی که در زمینه هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانوذرات کروی شکل مس و نقره انجا شده است، ولی تاثیر دما و غلظت بر روی میزان هدایت حرارتی نانوسیال حاوی میلههای مس هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است .بنابراین هدف اصلی از انجا این بررسی ،تاثیر مورفولوژی نانوذرات سنتز شده بر روی رفتار هدایت حرارتی نانوسیال میباشد. بنابراین در این بررسی سعی شده است تاثیر دما و غلظت بر روی تغییرات میزان هدایت حرارتی نانوسیالهای حاوی نانومیلههای مس و نقره مورد بررسی قرار گیرد.

2- روش تحقیق
در این تحقیق جهت سنتز نانومیلههای Cu و Ag مواد زیر مورد استفاده قرار گرفته است.
پلی وینیل ،(AgNO3, M=169.87, Merck) نیترات نقره اتیلن ،(PVP, (C6H9NO)n, Merck) پیرولیدون (CuCl2, کلرید مس ،(C2H6O2, M=62.07, Merck) گلیکول
(NaCl, M=58.44, Merck) نمک طعا ،M=134.42, Merck)
، هیدروکسید سدیم (NaOH, M=40, Merck)، ستیل تری متیل
آمونیو بروماید (CTAB, C19H42BrN, M=364.46, Merck) و جهت سنتز نانومیلههای Cu ابتدا 8/0 میلی مول از2CuCl در 100 میلیلیتر محلول 3 مولار NaOH حل گردید تا 100 میلیلیتر محلول 8 میلی مولار از 2-4(Cu(OH حاصل شود. سپس 6 میلی مول CTAB تحت اختلاط سریع و دمای C° 50 به محلول دماده شده اضافه میگردد و به مدت 30 دقیقه بر روی همزن قرار داده میشود تا CTAB به طور کامل حل گردد .سپس 1 میلیلیتر هیدرازین هیدرات به مخلوط اضافه میگردد و به مدت یک ساعت بر روی همزن مغناطیسی مورد اختلاط قرار میگیرد .
پودر حاصل شده با سانتریفیوژ جداسازی و با آب مقطر و اتانول شستشو داده میشود و به مدت 12 ساعت تحت دمای C°80 خشک میشود.
جهت سنتز نانومیلههای نقره ،34/1 گر از PVP و 014/0 گر از NaCl در 84 میلیلیتر اتیلن گلیکول حل میشود )محلول 1( و 34/1 گر نیترات نقره در 84 میلیلیتر اتیلن گلیکول حل میشود
)محلول 2(. سپس محلول 1 و 2 به آرامی با هم مخلوط شده و محلول حاصل به مدت 15 دقیقه بر روی همزن مغناطیسی قرار داده میشود )محلول 3(. پس از اتما فرایند اختلاط محلول 3 به اتوکلاو منتقل شده و به مدت 90 دقیقه تحت دمای C° 160 درآون حرارت داده میشود. در نهایت اتوکلاو تا دمای محیط سردو پودر حاصل شده با سانتریفیوژ جداسازی و شستشو داده می-شود و به مدت 8 ساعت تحت دمای C°80 خشک میشود. در تحقیق حاضر جهت شناسایی فاز نانومیلههای سنتز شده از آنالیز اشعه ایکس استفادهگردید. آزمایشهای پراش اشعه X با دستگاه Philips تحت ولتاژ KV 40 و جریان mA 30 صورت گرفت .
لامپ دستگاه از جنس مس و در تما آزمایشها از اشعه Cukα با طول موج º 542/1A استفاده شد. همچنین آنالیز پراش اشعه ایکس در بازه 4-90θ=º2 انجا گردید. مورفولوژی و میزان قطر و طول نانولولههای سنتز شده آنها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی )120-TEM, PHILIPS CM( مورد مطالعه قرار گرفت. تغییرات میزان هدایت حرارتی نانوسیال در محدوده دماییC° 60- 25 و غلظت 5/0- 25/0 درصد وزنی با استفاده از دستگاه KD2 Pro انجا میشود )شکل 1(. این دستگاه مجهز به یک حما آب گر (4310Thermo Haake K10 TT) جهت ثابت نگه داشتن دما و همچنین سیرکولاسیون آب حول ظرف دوجداره که حاوی نمونه است، میباشد. در این بررسی سنسور )1-KS( با قطر 3/1 میلیمتر و طول 60 میلیمتر انتخاب گردید. با انتخاب این سنسور، میزان هدایت حرارتی نانوسیال در بازه
W/(m K) 02/0 تا (W/(m K 2/0 با دقت W/(m K) 01/0± اندازهگیری گردید. جهت اطمینان از ثابت ماندن دما طی اندازه-گیری میزان هدایت حرارتی، نانوسیال مورد بررسی در یک لوله استوانهای شکل دو جداره مجهز به سیستم گردش آب قرار گرفت و سپس در سه مرحله عایقبندی گردید تا از ایجاد هرگونه گرادیان دمایی ممانعت شود.

KD2 Pro شکل )1(: دستگاه جهت اندازهگیری میزان هدایت حرارتی نانوسیال.

اندازهگیری میزان هدایت حرارتی برای هر نانوسیال چندین بار تکرار گردید و اندازهگیریهایی که دارای ضریب همبستگی بالاتر از 9998/0 بودند مورد استفاده قرار گرفت و در نهایت میزان هدایت حرارتی نانوسیال در هر دما و غلظت برابر میانگین سه اندازهگیری گزارش گردید .جهت اندازهگیری دقیق هدایت حرارتی نانوسیالهای مورد بررسی، کالیبراسیون دستگاه با استفاده از گلیسرول انجا شد و جهت برقراری تعادل دمایی بین سنسور اندازهگیری و گلیسرول، سنسور به مدت 15 دقیقه قبل از اندازهگیری در گلیسرول به صورت ثابت قرار گرفت تا بتوان به هدایت حرارتی استاندارد گلیسرول که در دمای C° 20 برابر (W/(m·K 285/0 است، دست یافت.

3- نتایج و بحث
1-3- آنالیز پراش اشعه ایکس) XRD( نانومیلههای سنتز شده
طیف XRD نانومیلههای Ag و Cu سنتز شده به ترتیب در شکل-های 2 و 3 نشان داده شده است. با توجه به نتایج حاصل از شکل 2 مشاهده میشود چندین پیک در زاویه 2θ برابر °11/38،
°27/44 و °27/64 وجود دارد که به ترتیب به بازتاب صفحات
)111(، )200( و) 220( نانومیلههای نقره با ساختار کریستالی مکعبی با ثوابت شبکهa=b=c=4/0862 °A نسبت داده میشود]19[. با توجه به طیف XRD نانومیلههای Cu سنتز شده )شکل 3( مشاهده میشود که سه پیک اصلی در زاویه 2θ برابر °47/43، °67/50 و °67/74 وجود دارد که به ترتیب به بازتاب صفحات
)111(، )200( و) 220( نانومیلههای Cu میباشد. همچنین با توجه به طیف XRD نانومیلههای Cu میتوان نتیجهگیری نمود که نانومیلههای Cu سنتز شده دارای ساختار کریستالی مکعبی با ثوابت شبکه a=b=c=3/597 °A میباشد. با توجه به طیف XRD مشاهده میشود که هیچگونه پیکی مربوط به سایر ناخالصیها از جمله 2(Cu2O ،Cu(OH و پیشساز سنتز میلههای Cu مشاهده نمیشود. بنابراین میتوان استنباط نمود که نانومیله-های سنتز شده نانومیلههای خالصی میباشند.

0
20
40
60
80
100
0
10
20
30
40
50
60
70
intensity
2

Theta
Ag
(
220
)
(
200
)
(
111
)

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

50

60



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید