Preparation and characterization of carbon-based nanofluids

Abstract

Çok çeşitli uygulama alanına sahip olan nanoakışkanlar, ısı transferi sistemlerinde, kullanılan akışkanların ısıl iletkenlik katsayısını arttırmak amacıyla baz akışkanın içerisine, ısıl iletkenliği yüksek nano boyutlarda parçacıklar katılmasıyla üretilirler. Nanoakışkanların hazırlanması, hazırlanan nanoakışkanın ısıl iletkenliğinin arttırılması her ne kadar basit görünse de çok karmaşık bir sistemdir. Nanoakışkanların ısıl iletkenliğinin artması ve ısı transferi uygulamalarında kullanılabilirliği, hazırlanan nanoakışkanın kararlılığından, viskozitesine kadar birçok önemli parametre ile bağlantılıdır. Nanoakışkanların pratikte kullanımı için bu parametrelerin optimizasyonu elzemdir. Bu tezin amacı, kararlı nanoakışkanların hazırlanması, ısıl iletkenliklerinin, reolojisinin ve yüzey özelliklerinin belirlenmesidir.Bu bağlamda karbon bazlı nanoakışkanlar, literatürde ilk kez stabilizatör olarak kullanılan polietilen glikol türevi polihedral oligomerik silseskuokzan (PEG-POSS) varlığında ultrasonikasyon teknolojisi ile hazırlanmıştır. Baz akışkan olarak su, etilen glikol (EG) ve kompresör yağı kullanılan bu projede, nanoparçacık olarak farklı yüzey alanlarına sahip grafen nanoplateletler (GNP) ve tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) kullanılmıştır. Kararlılık değerlendirmesi için UV-Vis Spektrofotometrisi ve Zeta Potansiyeli ölçümleri yapılmıştır. En yüksek zeta potansiyeli -68,2 mV ile su bazlı, kütlece %0,1 PEG-POSS ve %1,0 SWCNT içeren nanoakışkana aittir. Isıl iletkenlik ölçümleri 3ω yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. En yüksek ısıl iletkenlik artışı kütlece %0,3 PEG-POSS ve %2,0 GNP içeren EG bazlı nanoakışkanlar için ölçülmüştür ve bu değer %32'dir. EG bazlı nanoakışkanlarda PEG-POSS kullanımı ile ısıl iletkenlik artışının doğru orantılı olduğu gözlemlenmiştir.

Nanofluids are produced by the addition of nano-sized particles to the base fluid in order to increase the thermal conductivity of heat transfer fluids. Preparation of stable nanofluids with high thermal conductivity is a very complex process and their usage in heat transfer applications are related to many important parameters from the stability of nanofluids to their viscosity. Optimization of these parameters is essential for the practical use of nanofluids. The objectives of this study are to successfully prepare carbon-based nanofluids while investigating the stability mechanisms and to determine thermal, rheological, and surface properties of those nanofluids.In this context, carbon-based nanofluids were produced through ultrasound technology in the presence of polyethylene glycol-derived polyhedral oligomeric silsesquioxane (PEG-POSS) as a stabilizer, for the first time in literature. Graphene nanoplatelets (GNP) with three different surface areas and single-walled carbon nanotubes (SWCNT) were used as nanoparticles; while distilled water, ethylene glycol (EG), and compressor oil were used as base fluids. Stability evaluations were carried out by Ultraviolet-Visible (UV-Vis) spectrophotometry and zeta potential measuring device (Zetasizer Nano). The aqueous 1.0 wt% SWCNT nanofluid with 0.1 wt% PEG-POSS had the highest zeta potential value of -68.2 mV. Thermal conductivity measurements were carried out by 3ω method. The maximum increase of 32% in thermal conductivity was measured for EG-based nanofluids having 2.0 wt% GNP and 0.3 wt% PEG-POSS. The increase of thermal conductivity in EG-based nanofluids was observed to be directly proportional to the amount of PEG-POSS.