Op weg naar TiO2-nanovloeistoffen:deel 1:voorbereiding en eigenschappen

Voorbereiding van TiO₂ Nanovloeistoffen

Eenstapsmethode

Over het algemeen kunnen twee hoofdbereidingsmethoden worden onderscheiden:eenstaps- en tweestapsmethoden. Eenstapsmethode wordt geïmplementeerd door nanodeeltjes op te hangen in de vereiste werkvloeistof die hun generatieproces vergezelt. Eenstapsmethode kan verder worden onderverdeeld in fysische methoden en chemische methoden. Fysische methode omvat dampafzetting, laserablatie en ondergedompelde boog. Chemische methode betekent het produceren van nanovloeistoffen door chemische reactie. Over het algemeen worden de bovenstaande methoden geïntroduceerd als de bereidingsmethoden van droge nanodeeltjes. Deze methoden kunnen echter worden geüpgraded naar eenstapsbereidingsmethoden voor nanovloeistoffen door de droge deeltjesverzamelaars te vervangen door de overeenkomstige basisvloeistofcontainers.

Dampafzetting

Dampafzetting is een veelgebruikte fysische methode bij de bereiding van nanovloeistof. Een typisch apparaat voor deze methode is te zien in Afb. 4 [67]. Het bulk vaste materiaal voor het bereiden van nanodeeltjes wordt verwarmd en verdampt in een lagedrukcontainer gevuld met een inert gas, en vervolgens wordt de damp van het ruwe materiaal gekoeld door de wervelende vloeistoffilm en bezonken in de basisvloeistoffen. De dampafzetting wordt meestal gebruikt bij de bereiding van metalen nanovloeistoffen, maar deze methode wordt zelden gebruikt voor TiO₂ nanovloeistoffen vanwege de hoge temperatuur van het kookpunt. Deze methode kan echter worden verbeterd door elektrische verwarming te gebruiken om een ​​hoge temperatuur te bereiken. Lee et al. [68] gebruikte een eenstaps pulsed wire evaporation (PWE) methode om op ethyleenglycol (EG) gebaseerde nanovloeistoffen te bereiden die TiO₂ bevatten nanodeeltjes. Ze legden gepulseerde spanningen van 25 kV over een dunne draad en verhitten deze om in een paar milliseconden in plasma te verdampen. Vervolgens werd het plasma omgezet door argonzuurstof en gecondenseerd tot nanodeeltjes. Ten slotte kregen ze TiO₂ nanovloeistoffen door de nanodeeltjes direct in contact te laten komen met EG in de kamerwand.

Een typisch apparaat voor dampafzettingsmethode voor de bereiding van nanovloeistoffen. Opnieuw getekend op basis van referentie [67]

Onderwaterboogmethode

De ondergedompelde boogmethode kan een nog hogere temperatuur bieden en behouden voor de bereiding van TiO₂ nanovloeistoffen. Chang et al. [69] vervaardigde een nieuw ondergedompeld boogsynthesesysteem om TiO₂ . te produceren nanovloeistoffen. Hun apparaat bestaat voornamelijk uit een boogsproei-eenheid, vacuümruimte en temperatuur- en drukregelsystemen, die wordt getoond in Fig. 5. In dit apparaat, bulk TiO₂ vaste stof werd verdampt door de boogontladingsmethode in een vacuüm, en vervolgens werd het gasvormige TiO₂ werd snel afgekoeld tot een fijne vaste stof door een geïsoleerde vloeistof. Ze concludeerden dat deze methode prominenter was dan aerosolmethoden, omdat de bereide nanovloeistoffen een hogere dispersiestabiliteit hadden en als een Newtoniaanse vloeistof konden worden beschouwd. Zhang et al. [70] verbeterde de ondergedompelde boogmethode door het optimaliseren van het regelsysteem voor de reactieparameter, de koelcirculatie en de grootte van het ondergedompelde boogapparaat. Op basis van het geoptimaliseerde systeem kunnen ze stabielere en fijnere TiO₂ . produceren suspensie met goede reproduceerbaarheid in deeltjesgrootte. En de adsorptieprestaties van hun TiO₂ nanodeeltjes zijn beter dan commerciële.

Schematische afb. van het verbeterde ondergedompelde nanovloeistofsynthesesysteem (ISANSS) [40]. Gereproduceerd met toestemming van The Japan Institute of Metals and Materials

Chemische methode

Chemische methode is het verkrijgen van nanovloeistoffen door chemische reactie, en omvat over het algemeen de coprecipitatiemethode en de precursorconversiemethode. De conventionele chemische methode om TiO₂ . te synthetiseren nanofluids is gebaseerd op een voorloper TiO(OH)₂ sediment door chemische reactie van titanische anorganische zouten en ammoniak-water, ondergaan dan calcinering om TiO₂ te verkrijgen poeder. Sommige onderzoeken toonden aan dat nanovloeistoffen verkregen met de chemische methode een betere stabiliteit en hogere thermische geleidbaarheid hadden dan die geproduceerd met de tweestapsmethode [71]. De beheersbaarheid van de microstructuur van nanodeeltjes is een ander onderscheidend kenmerk van deze methode. De conventionele instelmethode is om de parameters zoals de synthesetemperatuur, pH-waarde, ultrasoonbadtijd en de additieven te regelen [72]. Deze methode wordt echter voornamelijk gebruikt om TiO₂ . te bereiden poeder door de vloeistof te drogen als gevolg van de complexe vloeibare omgeving in deze methode is niet geschikt voor de gedetailleerde toepassing van nanovloeistoffen. Terwijl wanneer de TiO₂ poeders kunnen stabiel in de vereiste basisvloeistof worden gesuspendeerd door de bulkvloeistof te veranderen zonder droogproces. Deze methode is veelbelovend onder de voorwaarde dat de nieuwe vloeistofomgevingsparameters zoals zuurgraad of alkaliteit en elektrolytconcentratie dicht bij de oorspronkelijke vloeistof voor bereiding liggen.

De eenstapsmethode bevatte niet de droog- en dispergeerprocessen die kwetsbaar zijn voor het vormen van agglomeratie van nanodeeltjes. Daarom wordt algemeen aangenomen dat een eenstapsmethode stabielere nanovloeistoffen verkrijgt [73]. Er zijn echter ook enkele gebreken die het toepassingsgebied van de eenstapsmethode beperken. Vapourafzetting kan bijvoorbeeld niet worden gebruikt om de nanovloeistoffen te bereiden die nanodeeltjes met een hoog kookpunt of niet-kristallijne nanodeeltjes bevatten. Laserablatie en vacuüm begraven boogmethoden hebben hoge kosten en vereisen kritische omstandigheden. De chemische methode vereist in het algemeen de diensten van specifieke reactieomstandigheden zoals de vereiste pH-waarde en temperatuur. En het kan gemakkelijk enkele bijproducten in de vloeistoffen synthetiseren [74]. Bijvoorbeeld, Sonawane et al. [75] gebruikte sol–gel-methode om anatase TiO₂ . te synthetiseren nanodeeltjes met een constante pH-waarde van 5. De voorloperoplossing omvatte titaniumisopropoxide en isopropanol, evenals dubbel gedestilleerd water. Er kan worden geconcludeerd dat dit mengsel met een dergelijke specifieke pH-waarde en complexe chemische samenstellingen niet kan worden gebruikt als nanovloeistoffen voor warmteoverdracht. Daarom droogden ze de gesynthetiseerde TiO₂ nanodeeltjes en deze vervolgens opnieuw gedispergeerd in de vereiste basiswerkvloeistoffen, waaronder water, EG en paraffineolie met ultrasone behandelingen om de vereiste nanovloeistoffen te verkrijgen. Geconcludeerd kan worden dat de eenstapsmethode voor sommige nanovloeistoffen met specifieke ingrediënten nauwelijks toepasbaar is, vooral voor de nanovloeistoffen met zuiver water, olie, koelmiddel, etc. als basisvloeistoffen en ook voor een applicatiesysteem met vluchtig gas.

Tweestapsmethode

In de tweestapsmethode worden de processen voor het produceren van nanodeeltjes en het suspenderen ervan in de vereiste basisvloeistof onafhankelijk uitgevoerd. Tweestapsmethode wordt veel gebruikt voor TiO₂ nanovloeistoffen sinds de synthesetechnieken van TiO₂ nanodeeltjes hebben in wezen de industriële productieschaal bereikt. Afbeelding 6 toont een typische procedure van een tweestapsmethode. De droge nanodeeltjes worden eerst gesynthetiseerd door chemische of fysische methoden en vervolgens gesuspendeerd in de vereiste basisvloeistoffen. Omdat de sterke deeltjesinteractiekracht kan leiden tot botsingen en aggregatie van nanodeeltjes, is het echter nogal moeilijk voor hen om stabiel en uniform in de basisvloeistof te suspenderen. Daarom worden in het algemeen enkele dispersiemethoden gebruikt om een ​​goede stabiliteit en beschikbaarheid van nanovloeistoffen te garanderen.

Een typische procedure voor de bereiding van nanovloeistoffen in twee stappen [35]. Overgenomen met toestemming van Elsevier

Tabel 2 toont een samenvatting van gerelateerde onderzoeken naar de bereidingsmethoden van TiO₂ nanovloeistoffen in de afgelopen jaren. Het is te zien dat de soorten basisvloeistof water, EG, koelmiddel, organische oplosmiddelen, enz. omvatten. In het algemeen werden drie hoofdtechnieken voor het dispergeren en suspenderen van nanodeeltjes in basisvloeistoffen op grote schaal gebruikt in het tweestaps bereidingsproces.

Dispergeermiddel toevoegen

De eerste dispersiemethode is het modificeren van de deeltjesoppervlakken door dispergeermiddel toe te voegen, wat naar verwachting zal voorkomen dat de nanodeeltjes aggregeren door de rol van elektrostatische afstoting of sterische hindering van de dispergeermiddelmoleculen [76]. Opgemerkt kan worden dat de meest gebruikte oppervlakteactieve stof CTAB was in de bestaande rapporten. En andere soorten, waaronder SDBS, SDS, PVP, oliezuur, azijnzuur en PEG, werden ook bij sommige onderzoeken gebruikt. In 2012, Mo et al. [77] gebruikte tweestapsmethode om twee soorten nanovloeistoffen te bereiden door staafachtig rutiel TiO₂ te suspenderen en sferische anatase TiO₂ in het water. Ze merkten op dat de nanovloeistoffen 286 uur stabiel kunnen blijven bij gebruik van SDS als dispergeermiddel. In het volgende jaar vergeleken ze de effecten op dispersie door drie verschillende oppervlakteactieve stoffen, waaronder SDBS, PVP en CTAB [78]. En ze ontdekten dat in dit experimentele onderzoeksbereik, wanneer de massaverhouding van de SDBS en de titaniumdioxide-nanodeeltjes 0,3 is, ze de beste dispersie van nanovloeistof kunnen krijgen. Nakayama en Hayashi [79] gebruikten een tweestapsmethode om een ​​hoge lading TiO₂ te verspreiden nanodeeltjes in een organische basisvloeistof met behulp van oppervlaktemodificatie door propionzuur en n-hexylamine. Ze ontdekten dat de oppervlaktemodificatie de dispersie van nanovloeistoffen kan verbeteren, wat een beter effect vertoonde op de tweestapsmethode dan op de eenstapsmethode. De kenmerken van TiO₂ nanodeeltjes die ze hebben bereid, zijn niet veranderd en ze kunnen goed worden toegepast voor verschillende vloeistoffen op basis van organische oplosmiddelen.

PH-waarde aanpassen

De tweede dispersiemethode is om de dispersieomgeving aan te passen door de pH-waarde van de basisvloeistof aan te passen. Deze methode is om de nanodeeltjes een hogere zeta-potentiaal uit te rusten door een geschikte pH-waarde van vloeistof aan te passen, wat naar verwachting het contact van nanodeeltjes door de hogere elektrostatische afstoting [76] zal vermijden. Li en Sun [80] onderzochten het effect van de pH-waarde op het aggregatiegedrag van TiO₂ nanodeeltjes in mono- en binaire basisvloeistoffen door SRFA en Fe(III). Ze ontdekten dat de adsorptie van SRFA de suspensiestabiliteit van TiO₂ . aanzienlijk verbeterde nanodeeltjes bij pH-waarden van 4, 6 en 8, en ze dachten dat dit voornamelijk kwam door de sterke stijging van negatieve ladingen op het oppervlak van de deeltjes. Hij et al. [81] ontdekte dat de stabiliteit van TiO₂ nanovloeistoffen kunnen sterk worden verbeterd door de pH-waarde van de basisvloeistof in te stellen op 11, waarbij een hoge zeta-potentiaal van 45 mV kan worden gevormd om heragglomeratie en afzetting en mogelijke daaropvolgende vervuiling van de koperen buis te voorkomen. De nanovloeistoffen met de optimale pH-waarde kunnen enkele maanden stabiel blijven. Ook Vakili et al. [82] en Sen et al. [83] stelde de pH-waarde van de basisvloeistof bij tot 11, en ze ontdekten dat de TiO₂ nanovloeistoffen kunnen een betere dispersiestabiliteit hebben onder deze sterk alkalische omstandigheden.

Fysieke middelen

De derde dispersiemethode komt neer op het breken van deeltjesagglomeraties door fysieke middelen, bijvoorbeeld mechanisch roeren, ultrasone golven en malen met roerparels. Die methoden zouden cavitatie-oscillaties genereren die kunnen leiden tot afschuif-, breuk- en verspreidingseffecten [84]. Het wordt algemeen erkend en bewezen dat de nanovloeistoffen stabieler zullen zijn na de juiste supersonische trillingen en het kan nogmaals worden bewezen door de samenvatting van de dispersiestabiliteit TiO₂ nanovloeistoffen. Uit tabel 2 blijkt dat bijna alle voorbereidingsprocessen enkele fysieke behandelingen omvatten. Li et al. [85] verspreid TiO₂ nanodeeltjes in MDEA-oplossing om TiO₂ . te bereiden –MEDA–H₂ Oh nanovloeistoffen. Ze ontdekten dat de nanovloeistoffen 48 uur stabiel konden blijven met mechanisch roeren zonder dispergeermiddel toe te voegen. Tadzjieks et al. [86] onderzocht de effecten van verschillende ultrasone typen (continue of onderbroken pulsen) op het suspensiegedrag van TiO₂ op waterbasis nanovloeistoffen. De resultaten toonden aan dat de continue pulsen betere brekende effecten hadden dan de discontinue, terwijl de laatste sommige grote aggregaties niet konden scheiden. Silambarasan et al. [66] experimenteerde experimenteel het effect van het malen van geroerde parels en ultrasone trillingen op het suspendeergedrag van mengsels op waterbasis met submicron TiO₂ deeltjes. Ze ontdekten dat malen met geroerde kralen stabiele suspensies kan produceren die submicrondeeltjes bevatten, en ultrasone trillingen kunnen verder worden toegepast om het transportgedrag van de TiO₂ te regelen schorsingen. Longo en Zilio [87] vergeleken de effecten van mechanisch roeren en ultrasone golven op het dispersiegedrag van TiO₂ –water en Al₂ O₃ -water nanovloeistoffen. Ze merkten op dat behandeling van sonicatie bij 25 kHz gedurende 48 uur een betere dispersie-efficiëntie vertoonde dan alleen eenvoudig mechanisch roeren. Na deze fysieke dispersiebehandelingen kunnen beide soorten nanovloeistoffen meer dan 1 maand stabiel blijven.

Combinatiegebruik

Over het algemeen worden combinaties van dispersiemethoden voor het toevoegen van oppervlakteactieve stoffen, het veranderen van de pH-waarde van basisvloeistoffen en ultrasone trillingen gebruikt in een tweestapsmethode om betere dispersieprestaties van nanovloeistoffen te bereiken. Liu et al. [88] verspreid TiO₂ nanodeeltjes (25 nm) in water om stabiele TiO₂ . te bereiden nanovloeistoffen. Drie behandelingen, waaronder toevoeging van PEG1000 als dispergeermiddel, ultrasone trillingen en het regelen van de pH-waarde tot 4-5 of 9-10 werden gebruikt om stabiele TiO₂ te verkrijgen nanovloeistoffen. Fedele et al. [89] gebruikte een gecombineerde dispersiemethode om azijnzuur als dispergeermiddel toe te voegen en de pH-waarde in te stellen op een bereik van 1,86 tot 3,07 volgens de massafracties van nanodeeltjes, evenals een geschikte sonicatie; ze merkten op dat de nanovloeistoffen ten minste 35 dagen stabiel konden blijven omdat de gemiddelde deeltjesgrootte gedurende de perioden ongeveer constant bleef. Ghadimi et al. [90] bereidde een uiterst stabiele TiO₂ . op waterbasis voor nanovloeistof door azijnzuur toe te voegen en de pH in te stellen op 5, evenals ultrasone trillingen. Ze vonden de TiO₂ nanovloeistoffen waren nog steeds stabiel gesuspendeerd na 1 jaar opslag. Er zijn ook enkele andere voorbeelden voor het gecombineerde gebruik van de drie technieken. Uit tabel 2 kan worden gevonden dat Mo et al. [77, 78], Kim et al. [91], Musshed et al. [92], Jarahnejad et al. [93], Ghadimi et al. [90], en Said et al. [94] gebruikte alle drie de dispersietechnieken om het beste dispersie-effect te bereiken.

Het veranderen van de pH-waarde van basisvloeistoffen zal het toepassingsbereik van de TiO₂ . echter ernstig beperken nanovloeistoffen als thermische vloeistoffen vanwege de corrosie en veiligheid in zure en alkalische omstandigheden. Daarom zijn meer onderzoekers meer geneigd om de andere twee dispersietechnieken te gebruiken, namelijk. het toevoegen van dispergeermiddel en fysieke middelen voor de mogelijke toepassingen in werkelijke systemen. Wu et al. [95] en Yang et al. [74] bedoeld om TiO₂ . toe te passen nanovloeistoffen naar ammoniak-waterabsorptiekoelsysteem. De methode om de pH-waarde te wijzigen is niet beschikbaar omdat de basisvloeistof een specifiek pH-bereik heeft dat wordt bepaald door de concentratie van ammoniak. Daarom gebruikten ze PAA of PEG1000 als dispergeermiddel in combinatie met ultrasone trillingen om de stabiliteit van TiO₂ te verbeteren. nanovloeistoffen en bereikte goede effecten. Om nanovloeistoffen toe te passen op compressiekoelsystemen, hebben Peng et al. [96] TiO₂ . toegevoegd nanodeeltjes in R141b om nanokoelmiddel te bereiden met een deeltjesgrootte van respectievelijk 25, 40, 60 en 100 nm. Het nanokoelmiddel werd gedurende 20 minuten gesoniceerd met behulp van een ultrasone processor. En ze dachten dat deze stap belangrijk is om een ​​goede dispersie van nanodeeltjes in bulkkoelmiddel te bereiken. Ook bestudeerden ze experimenteel de invloed van anionische, kationische en niet-ionische oppervlakteactieve stoffen op de stabiliteit van nanokoelmiddel. En ze merkten op dat het type oppervlakteactieve stof een belangrijke factor is voor de deeltjesgrootte in stabiele toestand. Kayhani et al. [97] gebruikte oppervlakteactieve stof hexamethyldisilazaan en ultrasone vibratiemethoden bereid droog TiO₂ nanodeeltjes eerst en vervolgens toegevoegd aan gedestilleerd water met ultrasone trillingen (400 W en 24 kHz) behandeling gedurende 3-5 uur. Ze ontdekten dat de bereide nanovloeistoffen enkele dagen stabiel konden blijven en dat er geen sedimentatie plaatsvond. Yang et al. [98] ontdekte dat het gebruik van oppervlakteactieve stof SDBS bij een laag concentratiebereik en ultrasone trillingen het suspensiegedrag van op ammoniakwater gebaseerde TiO₂ kan verbeteren nanovloeistoffen.

Nabehandelingsmethoden

Naast de conventionele eenstaps- of tweestapsmethode werden ook enkele nabehandelingsmethoden voor de bereiding van nanovloeistoffen voorgesteld. Sommige beter verspreide nanovloeistoffen kunnen worden verkregen uit sommige slecht verspreide ruwe vloeistoffen die geagglomereerde nanodeeltjes bevatten door middel van speciale behandelingen, zoals het afbreken of verwijderen van de geagglomereerde nanodeeltjes uit de ruwe vloeistof.

Hwang et al. [99] merkte op dat de effecten van roerder, ultrasoonbad en ultrasone disrupter beperkt zijn voor het verbeteren van de dispersie van nanovloeistoffen. Ze gebruikten een hogedrukhomogenisator om de nanovloeistof terug te trekken, en het proces is te zien in Fig. 7. In hun onderzoek kan de initiële gemiddelde diameter van de deeltjes na de herbehandeling met ten minste één orde van grootte worden verminderd door de hogedrukhomogenisator. En ze ontdekten dat de hogedrukhomogenisator het beste effect vertoonde van alle fysieke dispersiemiddelen die in hun onderzoek werden gebruikt.

Schematisch diagram van de hogedrukhomogenisator voor het produceren van nanovloeistoffen [99]. Overgenomen met toestemming van Elsevier

Yang et al. [100] gebruikte een optimalisatiemethode om nanovloeistoffen te bereiden. Het optimalisatieproces van dispersieverbetering van nanovloeistoffen wordt getoond in Fig. 8. Ze verwijderden de goed gesuspendeerde nanovloeistoffen uit de bulk, hoger geconcentreerde nanovloeistoffen en herwon vervolgens de verwijderde delen in de vereiste concentraties door verdunning van het toevoegen van basisvloeistoffen. De verdunningsverhouding was gebaseerd op de eigenschap of het absorptievermogen van de nanovloeistoffen recht evenredig is met de concentratie ervan. En ze observeerden sedimentaties en maten het variërende absorptievermogen om het effect van de methode te schatten. De resultaten toonden aan dat voor zowel rutiel als anatase TiO₂ nanovloeistoffen, kan de geoptimaliseerde methode hun dispersie aanzienlijk verbeteren en stabielere TiO₂ . produceren nanovloeistoffen.

Optimalisatie van het proces van dispersieverbetering van nanovloeistoffen [132]. Gereproduceerd met toestemming van Taylor &Francis

Er zijn enkele controverses of inconsistenties in de argumenten voor de bereiding van nanovloeistoffen. Ten eerste, of de eenstapsmethode of de tweestapsmethode moet worden toegepast, is een inconsistentie. Verwacht wordt dat een eenstapsmethode een betere dispersiestabiliteit zal bereiken, omdat het de droog- en dispergeerprocessen van nanodeeltjes vermijdt. Voor de bijwerkingen van de eenstapsmethode, zoals bijproduct, lijkt een speciale oplossingsomgeving echter dodelijker, wat het toepassingsgebied van nanovloeistoffen ernstig beperkt. Daarom wordt de tweestapsmethode op grotere schaal gebruikt vanwege het grote aanpassingsvermogen en de substantiële verbetering van de dispersietechnieken van TiO₂ nanodeeltjes. Overall, two-step method is recommended to be employed with appropriate post-treatment for the preparation of TiO₂ nanofluids.

Another controversy is whether surfactant should be used in the preparation of nanofluids. 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 et al. [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 et al. [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 et al. [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 respectievelijk. 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 nanoparticles. 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 et al. [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 nanoparticles. 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 et al. [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 et al. [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 O₃ , ZnO, TiO₂ , and SiO₂ 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.